孫艷娜， 趙鴻鐸， 孫大權(quán)

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點試驗室，上海201804）

0 引 言

材料測試系統(tǒng)（Material Test System，MTS）是一臺多功能材料測試設(shè)備，配有一套完整的試驗軟件，可測試瀝青混凝土和水泥混凝土的各種路用力學(xué)性能。由于儀器價格昂貴，一般院校難以承受，因此很多高校在鋪面工程和道路工程材料課程教學(xué)中，大多是理論教學(xué)，很難做到理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合［1-3］。

依托政府重點建設(shè)學(xué)科，學(xué)校道路與交通工程教育部重點實驗室擁有國內(nèi)第一臺MTS，在理論教學(xué)之后可以安排相關(guān)的實驗教學(xué)，在具體實踐中也存在一些問題：學(xué)生人數(shù)較多，實驗教學(xué)資源有限（只有一臺設(shè)備），只能進行分批、分組測試，很難做到人人都動手操作；實驗教學(xué)時間有限，在短短的實驗課上同學(xué)們只能進行最經(jīng)典部分的測試，對于實驗前的準備、試件的安裝、儀器的調(diào)試等，只能了解，不能實際操作［4］；MTS功能強大，可對應(yīng)多種試驗項目，實驗教學(xué)中只能以一種性能測試為主，其他性能測試則采用演示方式?？紤]到虛擬實驗不受時間、空間的限制，并且具有不計成本反復(fù)演練等優(yōu)點，尤其是對于高成本、高消耗，真實實驗不具備或難以完成的實驗教學(xué)項目尤為合適。為提高教學(xué)質(zhì)量、改善實驗教學(xué)效果，有必要開發(fā)MTS虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

1 開發(fā)平臺

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種將軟、硬件結(jié)合到一體的系統(tǒng)，最常用的虛擬現(xiàn)實軟件，有Virtools、VRP、Unity3D等，這些軟件已經(jīng)將功能模塊化，具有編程量小，開發(fā)效率高等特點。對比分析幾種軟件的優(yōu)缺點［5-15］（見表1），Unity3D具有畫面質(zhì)量優(yōu)、兼容性好、交互性強等優(yōu)點，選擇Unity3D引擎作為虛擬仿真系統(tǒng)的主要設(shè)計工具。

表1 虛擬現(xiàn)實軟件功能比較

2 開發(fā)思路

依托學(xué)校交通運輸工程學(xué)院上海市實驗教學(xué)示范中心，擬開發(fā)的MTS虛擬仿真實驗與實際混凝土性能實驗密切結(jié)合，包含模量、劈裂、中點加載等夾具，涵蓋了混凝土單軸壓縮動態(tài)模量、單軸壓縮靜態(tài)回彈模量、劈裂、低溫小梁彎曲和疲勞等實驗項目。

采用MTS進行實驗，一個完整的實驗過程包括：實驗準備、實驗操作和實驗結(jié)果輸出3部分。其中實驗操作包含開機、試件安裝、機器調(diào)試、試件保溫、參數(shù)設(shè)置、試件測試、數(shù)據(jù)保存等一系列過程。理論教學(xué)主要講述參數(shù)確定的原理和方法，對于試件安裝、機器調(diào)試等實踐部分較少涉及，正是這部分內(nèi)容關(guān)系到實驗結(jié)果的準確性。為讓學(xué)生更好地參與到實驗中來，在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，著力把真實操作中的各個細節(jié)都詳細展現(xiàn)出來，讓學(xué)生操作完虛擬實驗就了解全部真實操作。具體思路如圖1所示。

3 功能設(shè)計

MTS虛擬仿真實驗中，實驗準備主要是介紹儀器的使用方法，講解實驗原理、目的、意義和步驟，同時將實驗規(guī)范濃縮成精華版的簡易規(guī)范，方便學(xué)生查閱。

圖1 MTS虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)思路

實驗操作包括演示模式和操作模式兩種。在演示模式中，學(xué)生可以觀看完整的實驗操作演示動畫，可進行“暫停、快進、回退”等控制操作。在操作模式中，學(xué)生可通過鼠標(biāo)、鍵盤操作，在場景中任意漫游了解實驗室的布局及設(shè)備情況，也可點擊場景中工具架上的儀器裝備進行全方位察看，了解其外觀、構(gòu)造等信息，可根據(jù)實驗操作提示進行開機、試件安裝、機器調(diào)試等虛擬交互仿真操作。

實驗結(jié)果主要是實驗結(jié)果輸出。為讓學(xué)生更好地了解測試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析過程，擬給出原始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析過程。

3.1 開發(fā)流程

（1）采用Unity3D技術(shù)制作MTS實驗與環(huán)境的三維優(yōu)化模型和混凝土仿真實驗的三維演示動畫，包括3套夾具（模量、劈裂、中點加載）、混合料試件（圓柱體、梁式）、MTS實驗操作程序、工具箱等。

（2）對制作的三維優(yōu)化模型和三維演示動畫進行編輯，實現(xiàn)MTS相關(guān)儀器、裝備的三維展示功能。制作后的場景應(yīng)可以讓操作者任意漫游，了解實驗室的布局及設(shè)備，可以全方位移動、察看儀器外觀、構(gòu)造等信息，操作設(shè)備的任何控制按鈕。

（3）在上述操作的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行交互設(shè)計，實現(xiàn)MTS實驗的虛擬交互仿真操作，包括對儀器、試件以及電腦端程序等的操作。

3.2 過程控制

MTS采用完全開放的形式進行設(shè)計，即實驗過程中學(xué)生可以進行自由操作。這種設(shè)計可以提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，借此虛擬實驗完成一些真實環(huán)境中比較危險的操作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

虛擬仿真實驗雖然采用開放的形式，但過程中又設(shè)計了錯誤提示的方式進行糾偏，以體現(xiàn)實驗的嚴謹性。MTS實驗測試較為復(fù)雜，為了引導(dǎo)學(xué)生正確做實驗，系統(tǒng)給出了操作提示，如圖2所示。在實驗過程中，如果操作不當(dāng)，系統(tǒng)會給予錯誤提示，直至選擇正確為止方可進行下一步操作。

3.3 成果展示

以瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量實驗為例，展示系統(tǒng)開發(fā)成果。

圖2 MTS虛擬仿真實驗系統(tǒng)中的操作提示

（1）系統(tǒng)初始界面。打開實驗系統(tǒng)，初始界面如圖3所示，有演示模式和操作模式2種選擇。界面簡潔美觀，儀器制作形象逼真，實驗場景可謂是真實MTS實驗室場景的還原。學(xué)生可以通過鼠標(biāo)、鍵盤操作，漫游于實驗室內(nèi)，了解實驗室的布局及設(shè)備情況。

圖3 MTS虛擬仿真實驗系統(tǒng)初始界面

（2）物體全方位展示。漫步于實驗室內(nèi)，學(xué)生可以對室內(nèi)左邊陳列柜上的3套夾具和5種瀝青混合料試件進行察看，可模擬真實場景拿起、移動、旋轉(zhuǎn)等操作。以劈裂夾具為例，旋轉(zhuǎn)展示如圖4所示。

圖4 劈裂夾具可任意角度旋轉(zhuǎn)

（3）虛擬場景交互實驗操作。MTS虛擬仿真實驗場景交互實驗操作很多，以其中比較典型的操作為例，進行展示，如：位移傳感器的安裝，電腦端實驗程序中參數(shù)的設(shè)置等，具體見圖5、6所示。

圖5 位移傳感器的安裝

圖6 電腦端實驗程序中實驗參數(shù)的設(shè)置

4 結(jié) 語

MTS虛擬實驗可以在演示模式和操作模式下觀看和操作混凝土實驗，通過這些虛擬仿真，不僅可以學(xué)習(xí)MTS的使用方法和混凝土性能測試方法，熟悉實驗操作流程，還可以改變實驗教學(xué)方式，完善實驗教學(xué)效果。3D沉浸式操作模式可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便利式操作模式可降低訓(xùn)練成本，交互操作模式可促進老師與學(xué)生的教學(xué)互動，這對強化學(xué)生對實驗操作流程的記憶，提高教學(xué)效果，具有重要的意義。經(jīng)過幾批學(xué)生的實踐，效果良好。