丁晨　劉橋

摘要：針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)綜合布線教學(xué)實際，分析網(wǎng)絡(luò)綜合布線實驗室的現(xiàn)狀以及虛擬仿真實驗系統(tǒng)的優(yōu)點，設(shè)計開發(fā)了3D效果直觀、交互性強、具有一定考核作用的3D虛擬仿真系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真實驗系統(tǒng)能結(jié)合實訓(xùn)使學(xué)生積累實踐經(jīng)驗，通過虛實結(jié)合提高動手能力，有效地訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新實驗和解決問題的能力，能夠讓學(xué)生更好地完成對項目設(shè)計，質(zhì)量管理和維護(hù)管理等一系列的工作。21世紀(jì)是一個信息爆炸的時代，也正是一個數(shù)字化時代，虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代社會中扮演的角色不僅僅限于娛樂，與教育結(jié)合也會突現(xiàn)閃光點。

關(guān)鍵詞：Unity3D;虛擬現(xiàn)實;網(wǎng)絡(luò)綜合布線;模塊化設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0066-03

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，《網(wǎng)絡(luò)綜合布線》作為一門必修課程，在課程設(shè)置過程中，受到時間和空間以及設(shè)備的種種限制，隨著教學(xué)改革的開展，基于解決以上問題，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。[3]網(wǎng)絡(luò)綜合布線系統(tǒng)的設(shè)計和是施工是一個龐大的工程，需要大量的技能型專業(yè)人才，網(wǎng)絡(luò)綜合布線實驗室就是模擬實際工作環(huán)境和工作過程，通過大量的實驗實訓(xùn)使學(xué)生掌握相關(guān)的技能，滿足實際工作的需要。[2]

1 開發(fā)背景

虛擬與現(xiàn)實是兩個具有相互矛盾含義的詞語，放在一起被科學(xué)技術(shù)的發(fā)展賦予新的含義。虛擬仿真技術(shù)的互動和逼真帶給人們身臨其境的感覺，但是就目前為止，擁有核心知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)過硬的企業(yè)不多，優(yōu)秀品牌更是鳳毛麟角。虛擬仿真技術(shù)在城市規(guī)劃、地產(chǎn)行業(yè)、數(shù)字校園、旅游業(yè)、娛樂、藝術(shù)、教育、工業(yè)等領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用。

為貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于強化實踐育人工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作會議精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要點》等相關(guān)要求，教育部辦公廳發(fā)布了關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知。

2 開發(fā)目的

2.1 網(wǎng)絡(luò)綜合布線實驗室的現(xiàn)狀

綜合布線可服務(wù)于多方面的系統(tǒng)應(yīng)用。它支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、音箱等信號的傳輸;也支持多方面的設(shè)備;還支持多方面的系統(tǒng)構(gòu)架，信息技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)意識到精良的網(wǎng)絡(luò)布線的重要性，它不僅能使用戶達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的，還能串行通信、傳送語音、圖形圖像、視頻影像等。虛擬綜合布線系統(tǒng)是信息時代的必然產(chǎn)物，正以其鮮明的特點和優(yōu)點逐步取代傳統(tǒng)布線。網(wǎng)絡(luò)綜合布線是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，因此，它必須安全可靠有效。[1]

2.2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的優(yōu)點

第一，有利于解決設(shè)備稀缺性問題。以前學(xué)生都是幾個人一個組，共用一臺設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重不足，這是教學(xué)效率不高的一個原因，學(xué)生操作過程倉促。采用綜合布線虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以不受時間和空間的限制，多次反復(fù)模擬實驗，讓學(xué)生充分了解實驗內(nèi)容、掌握操作流程、熟悉操作規(guī)范。第二、有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真實驗具有真實性、豐富性、交互性和易更新性等特點，教學(xué)內(nèi)容可以在虛擬環(huán)境中隨著高科技的發(fā)展而不斷更新，滿足教學(xué)需求。大多數(shù)學(xué)生對機械感到枯燥而又乏味，提不起興趣，但是在網(wǎng)絡(luò)布線虛擬仿真實驗室系統(tǒng)中可以模擬真實的環(huán)境，有利于提前熟悉實驗的真實環(huán)境，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第三、有利于解決安全性問題。綜合布線實時操作時，存在大量安全性問題，采用仿真教學(xué)時，學(xué)生可有效地避免安全事故的發(fā)生。

3 開發(fā)流程

本系統(tǒng)選擇了三個場景和五個重要模塊進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，主要采用三維工具3dmax和Blender進(jìn)行場景搭建和模型制作，以及制作過程涉及的動畫。利用PS圖形處理工具進(jìn)行貼圖的繪制。最后導(dǎo)入Unity3D中，進(jìn)行交互的設(shè)計與實現(xiàn)，編寫腳本代碼，添加UI設(shè)計。

3.1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計

綜合布線虛擬仿真系統(tǒng)主要有三個場景：實驗室場景、操作臺場景、檢驗臺場景。五個重要模塊：超五類非屏蔽水晶頭制作和檢測、超五類非屏蔽信息模塊制作、超五類非屏蔽信息模塊安裝、簡單和復(fù)雜鏈路跳線制作和測試、光纖熔接。因此涉及的模型和貼圖資源內(nèi)容較多。

為了滿足實訓(xùn)環(huán)節(jié)的效果，模型的尺寸要求盡量精確，包括貼紙都是對多個角度進(jìn)行拍攝的圖片，最后用PS合成。虛擬仿真系統(tǒng)中的模型均為多邊形建模技術(shù)，模型制作結(jié)束后還還原了各種設(shè)備的色彩，采用貼圖加光照貼圖最后再渲染的思路，大大加快了系統(tǒng)的運行效率。

模塊切換部分如下圖1所示，點擊select則可進(jìn)入模塊場景中，如圖2。

3.2 虛擬仿真系統(tǒng)交互功能的實現(xiàn)

將模型和場景等有關(guān)資源導(dǎo)人Unity3D中，再在相應(yīng)的模型上面進(jìn)行相關(guān)操作時加上相應(yīng)的交互腳本，來進(jìn)行相應(yīng)對象的控制。以第一人稱的視角來實現(xiàn)在場景中的觀察和操作，本系統(tǒng)還設(shè)計了相應(yīng)的動畫控制和整個系統(tǒng)的UI交互腳本，如圖3為壓線鉗的動畫控制。

3.3 虛擬仿真系統(tǒng)的測試與發(fā)布

在本系統(tǒng)完成之后我們對本系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和優(yōu)化。使Unity3D發(fā)布的系統(tǒng)更流暢，更方便。

綜合布線虛擬仿真實驗客戶端針對學(xué)生用戶提供兩種模式：教學(xué)模式和自我評測模式。學(xué)生用戶可以選擇要進(jìn)行學(xué)習(xí)的模式。

1）教學(xué)模式。學(xué)生用戶進(jìn)入教學(xué)模式會顯示教學(xué)課程的所有章節(jié)，用戶可以選擇想要學(xué)習(xí)的章節(jié)內(nèi)容并進(jìn)入章節(jié)學(xué)習(xí)。在每一章節(jié)中，會將內(nèi)容分為不同的具體的小節(jié)，小節(jié)分為兩種類型：文字概述和實驗室實驗。學(xué)生用戶選擇所期望學(xué)習(xí)的小節(jié)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實驗室實驗小節(jié)學(xué)習(xí)時，綜合布線虛擬仿真實驗客戶端會提供此實驗對應(yīng)的教學(xué)視頻與教學(xué)語音，視頻會根據(jù)實驗步驟進(jìn)行劃分，學(xué)生用戶需要跟著教學(xué)視頻同時操作視頻講解的實驗步驟，如果用戶在操作過程中有錯誤之處，客戶端會有錯誤提醒并指出錯誤之處，讓學(xué)生用戶立刻知道自己實驗步驟中的錯誤。實驗結(jié)束后會有“本次實驗成功”結(jié)束語，并退出此次教學(xué)。在教學(xué)過程中，學(xué)生用戶在任何時候都可以退出學(xué)習(xí)，但是實驗不被保留。

2）自我測評模式。學(xué)生用戶進(jìn)入自我測評模式會顯示教學(xué)課程的所有章節(jié)，用戶可以選擇想要測驗的章節(jié)內(nèi)容并進(jìn)入章節(jié)測驗，每一章節(jié)有不同的實驗測驗內(nèi)容小節(jié)。學(xué)生用戶選擇所期望測驗的實驗內(nèi)容進(jìn)行測試。測驗時，綜合布線虛擬仿真實驗客戶端不會提供任何提示但會提示測試時間，用戶需要在測試時間內(nèi)完成否則失敗。如果學(xué)生用戶在測試過程中操作有錯誤之處，客戶端不會有錯誤提醒。在測試結(jié)束后，客戶端會對測試結(jié)果進(jìn)行錯誤統(tǒng)計，列出錯誤的地方，并給出測驗所得分?jǐn)?shù)。綜合布線虛擬仿真實驗客戶端通過以上步驟達(dá)到學(xué)生用戶自我測評的目的。

功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

基于Unity3D技術(shù)的綜合布線虛擬仿真實驗系統(tǒng)具有開放性、靈活性、可靠性和模塊化的特點。綜合布線虛擬仿真實驗系統(tǒng)使學(xué)生逼真地體驗真實的實訓(xùn)場景，不存在任何安全隱患，學(xué)生也可反復(fù)練習(xí)，有效地降低了實訓(xùn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]李乃振.綜合布線系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].無線通信技術(shù)，2014，23（1）： 52-55.

[2]劉振海.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)綜合布線實驗室設(shè)計與研究[J].江蘇科技信息，2017（13）： 49-50.

[3]田明山.綜合布線虛擬仿真實驗室的研究與設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016（11）： 239-240.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

基金項目：河南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（2019102510）;河南大學(xué)軟件學(xué)院教學(xué)信息化項目（R2019JX12）

作者簡介：丁晨，通訊作者。