樊敏 宋世軍

［摘 要］ 虛擬仿真實驗項目的設(shè)立為高校實驗教學(xué)提供了低危低成本的環(huán)境，同時線下實物實驗室資源的共享開放也需要提升管理水平，基于智能設(shè)備的虛擬仿真實驗平臺研究將虛擬實驗與實物實驗進(jìn)行虛實結(jié)合，充分結(jié)合虛擬仿真軟件運行過程與智能設(shè)備遠(yuǎn)程操作實物實驗裝置，并傳輸多源數(shù)據(jù)于同一管理平臺。提出了智能設(shè)備實驗平臺架構(gòu)，闡述了智能設(shè)備實驗平臺特征，構(gòu)思了平臺功能，并建議構(gòu)建虛實結(jié)合實驗室綜合管理平臺，為實驗教學(xué)管理水平提升提供了參考借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真實驗；智能設(shè)備；虛實結(jié)合

［基金項目］ 2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“川藏鐵路施工組織快速設(shè)計與自動生成虛擬仿真實驗研究”（202102079108）；2020年度西南交通大學(xué)本科教育教學(xué)研究與改革項目“土木工程專業(yè)核心課程知識圖譜構(gòu)建與線上資源建設(shè)”（20201002-07）

［作者簡介］ 樊 敏（1979—），男，山西太原人，博士，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院講師，工程師，主要從事工程項目管理和高教管理研究。

［中圖分類號］ G640 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0018-05 ［收稿日期］ 2022-04-22

引言

在過去的二十年里，基于互聯(lián)網(wǎng)在線教育已逐漸成為高等教育教學(xué)方法中主要的教學(xué)手段之一。目前，很多大學(xué)都提供了一定的網(wǎng)絡(luò)版理論課程，甚至是實驗課程，完全在線的操作方式越來越受學(xué)生和教師的歡迎。研究發(fā)現(xiàn)，許多高校已經(jīng)開始提供“傳統(tǒng)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能”的虛擬實驗課程，伊利諾伊大學(xué)的實驗室從1989年就開始研制Vicher系統(tǒng)，將虛擬實驗應(yīng)用于化學(xué)工程教育。

虛擬實驗教學(xué)除了要避免面臨高?；驑O端環(huán)境、高成本等情況，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目外，還需要多個虛擬仿真實驗項目與線下實物實驗體系形成虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式［1］，開發(fā)相對完整的能夠智能共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、協(xié)作運行的管理平臺。同時，需要一套獨特的教學(xué)流程，更重要的是讓學(xué)生從真實實驗室切換到虛擬實驗室后得到同樣有效甚至更高效率的知識理解和動手能力［2］。

一、智能設(shè)備實驗平臺架構(gòu)

基于智能設(shè)備的虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)需要精心設(shè)計各類接口，用以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗室、外部服務(wù)和應(yīng)用程序之間的通信。圖1所示的基本的體系結(jié)構(gòu)給出了必需和可選的接口。圖1左側(cè)的通信是智能設(shè)備指定的，即智能設(shè)備接口的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。元數(shù)據(jù)存儲庫可以檢索任何智能設(shè)備的元數(shù)據(jù)并進(jìn)行索引，為相關(guān)實驗提供搜索引擎，同時多源數(shù)據(jù)采集于同一管理平臺能夠較好地適應(yīng)目前的智能算法。如果界面設(shè)計良好，客戶端應(yīng)用程序可以在智能設(shè)備之間重用，數(shù)據(jù)查看客戶端或?qū)W習(xí)分析處理客戶端可以從任何智能設(shè)備檢索數(shù)據(jù)并將其呈現(xiàn)給用戶。

傳感器和執(zhí)行器可以確定智能設(shè)備的信息傳輸方向。例如，傳感器可以讀取相關(guān)儀器的讀數(shù)，執(zhí)行器可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)值。傳感器和執(zhí)行器可以是物理的（溫度傳感器）、虛擬的（由位置測量得出的計算速度）或傳感器/執(zhí)行器的集合。

二、智能設(shè)備實驗平臺特征

（一）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

大多數(shù)基于HTTP的Web服務(wù)遵循的是請求-響應(yīng)模式。因此，數(shù)據(jù)通常只能從服務(wù)器獲取，服務(wù)器無法向客戶端發(fā)起信息推送。然而，虛擬仿真實驗通常需要異步數(shù)據(jù)傳輸，例如，一個耗時較長的虛擬仿真實驗應(yīng)該能夠在完成后將其結(jié)果推送到客戶端［3］。智能設(shè)備的目標(biāo)是通過互聯(lián)網(wǎng)訪問虛擬實驗項目數(shù)據(jù)。目標(biāo)客戶端應(yīng)用程序需要依賴開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的Web協(xié)議提供智能設(shè)備、外部服務(wù)和應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)傳輸，避免使用專用插件或被客戶鎖定［4］。

（二）元數(shù)據(jù)服務(wù)

元數(shù)據(jù)服務(wù)是智能設(shè)備實驗平臺提供的互操作性的核心。對元數(shù)據(jù)的要求如下：（1）描述虛擬仿真實驗項目基礎(chǔ)信息；（2）描述當(dāng)前實驗與外部數(shù)據(jù)服務(wù)的集成；（3）描述實驗過程并發(fā)機(jī)制；（4）描述實驗過程數(shù)據(jù)服務(wù)請求和響應(yīng)格式；（5）易于擴(kuò)展以添加額外數(shù)據(jù)。

（三）傳感器和執(zhí)行器服務(wù)

傳感器和執(zhí)行器元數(shù)據(jù)是通過單獨服務(wù)提供的，而非元數(shù)據(jù)描述本身。傳感器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)服務(wù)是智能設(shè)備交互的核心，處理虛擬仿真實驗客戶端和智能設(shè)備之間的主要數(shù)據(jù)交換。這兩種服務(wù)與元數(shù)據(jù)服務(wù)相結(jié)合，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建適應(yīng)不同智能設(shè)備的應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)應(yīng)用程序的重用和互操作。執(zhí)行器與傳感器服務(wù)的主要區(qū)別在于：允許用戶發(fā)送執(zhí)行器數(shù)據(jù)來設(shè)置所需的執(zhí)行器參數(shù)值，智能設(shè)備的內(nèi)部功能應(yīng)首先驗證發(fā)送值，然后再將其應(yīng)用于執(zhí)行器本身。實驗負(fù)責(zé)人可以通過各種模式實現(xiàn)對執(zhí)行器的訪問控制。

（四）用戶活動日志服務(wù)

用戶活動日志服務(wù)以限定的格式返回，記錄了用戶的操作或?qū)嶒烅椖繝顟B(tài)信息。為了檢索智能設(shè)備實時用戶活動的連續(xù)流，可以使用可選的身份驗證服務(wù)驗證訪問。

（五）客戶端應(yīng)用服務(wù)

此服務(wù)提供客戶端應(yīng)用程序的鏈接，以操作智能設(shè)備?？蛻舳思夹g(shù)沒有很強(qiáng)的規(guī)范性，可以是簡單的HTML頁面，也可以是帶有附加功能的打包Web應(yīng)用程序，以實現(xiàn)交互［5］。在向?qū)嶒烅椖靠蛻舳藨?yīng)用發(fā)送請求時，將返回一個客戶端應(yīng)用程序列表，每個項目都有一個指定應(yīng)用程序類型和一個URL。

（六）獲取模型服務(wù)

此服務(wù)可以提供虛擬仿真實驗相關(guān)所需的操作模型（或流程）和學(xué)生可以掌握的理論。有了實驗的數(shù)學(xué)模型，學(xué)生就可以用本地模擬構(gòu)建客戶端應(yīng)用程序，提供真實實驗室的交互式虛擬仿真初始版本，也可以在實物實驗室正在使用時搭建初步的虛擬仿真實驗（或者一般的觀察模式）。

三、平臺功能構(gòu)思

（一）認(rèn)證功能

智能設(shè)備無須包含實驗預(yù)約系統(tǒng)功能，可以利用各虛擬仿真實驗項目用戶端預(yù)約系統(tǒng)。學(xué)生預(yù)約實驗室時，系統(tǒng)提供一個身份驗證口令，在預(yù)約期，學(xué)生可以使用此身份驗證口令連接到智能設(shè)備，智能設(shè)備與預(yù)約系統(tǒng)聯(lián)系，以驗證當(dāng)前是否允許用戶訪問智能設(shè)備。

（二）自我修復(fù)和校準(zhǔn)功能

該功能的精確實現(xiàn)由實驗負(fù)責(zé)人自行決定。此功能可確保在實驗項目完成或發(fā)生系統(tǒng)中斷時，利用智能設(shè)備設(shè)置，將線下實驗室和虛擬仿真實驗項目中的參數(shù)重置為正確的狀態(tài)，以便下一個用戶正確使用，這意味著需要充分的和防御性的軟硬件設(shè)計，能夠適應(yīng)任何突發(fā)情況。建議在智能設(shè)備中執(zhí)行以下步驟：（1）啟動時自動初始化；（2）在最后一個客戶端斷開連接后重置為已知狀態(tài)；（3）可操作性的硬件校準(zhǔn)。

（三）安全和本地控制功能

平臺必須始終確保服務(wù)器及其連接設(shè)備的安全。所有命令在轉(zhuǎn)發(fā)到連接的設(shè)備之前都應(yīng)經(jīng)過驗證。此步驟可能需要添加本地控制器跟蹤所連接設(shè)備的狀態(tài)，由于執(zhí)行器可以連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此必須驗證所有應(yīng)用值并考慮潛在的外部約束。建議在智能設(shè)備中執(zhí)行以下步驟：（1）在將數(shù)據(jù)應(yīng)用于執(zhí)行器之前進(jìn)行參數(shù)驗證；（2）執(zhí)行器狀態(tài)驗證，以檢查要應(yīng)用的命令是否安全［6］。

（四）日志和警報功能

由于智能設(shè)備通常會在較長時間內(nèi)處于無人值守狀態(tài)，因此有必要對其進(jìn)行監(jiān)視，并有相關(guān)方法執(zhí)行事后分析。除用戶操作應(yīng)該被記錄外，系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境（如室溫）等額外信息也應(yīng)該被記錄。建議跟蹤以下信息：（1）用戶操作；（2）完整的系統(tǒng)狀態(tài)；（3）環(huán)境狀態(tài)。此外，需采取適當(dāng)行動防止惡意操作，智能設(shè)備應(yīng)在內(nèi)部添加其他措施：（1）驗證客戶端發(fā)送的請求；（2）限制惡意客戶端的連續(xù)請求；（3）記錄所有Internet連接以供日后分析。如果發(fā)生意外事件，智能設(shè)備應(yīng)評估其潛在危險，并可能觸發(fā)警報。

（五）本地模擬推薦功能

當(dāng)線下實驗繁忙或不可用時，智能設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可以自動推薦模擬實驗成為替代方案（與現(xiàn)有的虛擬仿真實驗不同，實驗方案由智能設(shè)備推薦自動生成）。仿真數(shù)據(jù)可以通過虛擬傳感器/執(zhí)行器讀取或修改。描述物理設(shè)備的數(shù)學(xué)模型可以通過模型服務(wù)提供給客戶端，客戶端開發(fā)人員可以使用模型服務(wù)來模擬硬件，結(jié)果可以使用虛擬傳感器和執(zhí)行器發(fā)送到客戶端。

四、平臺設(shè)計主要原則

表1列出了基于智能設(shè)備的虛擬仿真實驗平臺設(shè)計時應(yīng)該遵循的主要原則。

五、虛實結(jié)合實驗室綜合管理平臺

開放式虛擬仿真實驗教學(xué)與實驗室綜合管理平臺，以深化實驗室教學(xué)改革為指導(dǎo)，以高校實驗室管理流程和基本事務(wù)管理為核心，以規(guī)范實驗室管理信息化為準(zhǔn)則，在深入分析、研究實驗室管理規(guī)律、實驗教學(xué)特點及其相關(guān)軟件的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗室全面開放運行體系，設(shè)計、搭建虛實結(jié)合的實驗室綜合管理平臺，體系框架如圖2所示［7-10］。

開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理和共享平臺具有以下特色功能：（1）教師可在網(wǎng)上布置預(yù)習(xí)、實驗和報告，設(shè)計實驗并補(bǔ)充、完善、共享實驗庫；學(xué)生在網(wǎng)上選擇實驗、進(jìn)行實驗相關(guān)的基礎(chǔ)知識測試、在系統(tǒng)智能指導(dǎo)下進(jìn)行驗證性實驗、利用系統(tǒng)提供的虛擬設(shè)備和器材完成自主設(shè)計實驗以及填寫實驗報告；（2）智能指導(dǎo)與智能批改的功能；（3）教師可以看到學(xué)生實驗的安排情況，實驗結(jié)果、實驗報告的提交情況，教師指導(dǎo)和批改的情況及學(xué)生的問題和反饋意見；（4）提供網(wǎng)上多媒體答疑系統(tǒng)功能。管理平臺豐富的功能，不僅大大減少了教師的工作量，還為不同學(xué)院、專業(yè)、年級的學(xué)生提供了學(xué)習(xí)、實踐的綜合性平臺。

六、平臺功能與應(yīng)用

（一）開發(fā)自己的虛擬實驗室

土木工程及其他工科類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課程當(dāng)中包含很多需要具體操作的實驗類課程，包括力學(xué)課程。這些學(xué)生會在前期的課程當(dāng)中學(xué)習(xí)到很多儀器設(shè)備的基礎(chǔ)知識，但是考慮到安全問題，虛實結(jié)合的實驗室可以根據(jù)學(xué)生對試驗檢測方面的學(xué)習(xí)需要，逐漸開發(fā)或者選擇自己的虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生被引導(dǎo)開發(fā)自己的交互式程序來解決各種力學(xué)問題，而不是充當(dāng)虛擬實驗室程序的最終用戶。在這個過程中，為了避免將重點從力學(xué)問題分析轉(zhuǎn)移到編程，學(xué)生會收到現(xiàn)成的代碼和程序模板，以幫助他們快速完成日常任務(wù)，如生成動畫等。

（二）虛實結(jié)合實驗過程

以鐵道工程實驗為例，學(xué)生可以快速構(gòu)建鐵路軌道三維場景，直觀感受車輛與浮板軌道減振系統(tǒng)之間的復(fù)雜空間關(guān)系，了解浮板減振軌道系統(tǒng)的動力學(xué)特性及不同參數(shù)對減振效果的影響。學(xué)生利用計算機(jī)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)鋼彈簧浮板減振軌道系統(tǒng)在不同運行環(huán)境下的三維場景建模、振動分析、振動試驗和減振設(shè)計仿真實驗。學(xué)生可以登錄這個虛擬仿真實驗系統(tǒng)的網(wǎng)站進(jìn)行在線實驗并提交實驗報告。

七、平臺特色與創(chuàng)新性

（一）虛實結(jié)合、虛實互補(bǔ)，構(gòu)建多層次、立體化、高質(zhì)量的實驗教學(xué)體系

立足于軌道交通專業(yè)特色及具體實驗教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)管理和共享平臺及對應(yīng)專業(yè)的虛擬仿真實驗資源，突破實驗課程壁壘和學(xué)科界限，對學(xué)校實驗課程進(jìn)行跨專業(yè)、跨學(xué)科整合。針對高危高耗、不可及不可逆及大型綜合實驗，開發(fā)建設(shè)出基礎(chǔ)規(guī)范、綜合設(shè)計、創(chuàng)新探索三個層次的虛擬實驗課程。

（二）產(chǎn)教研深度合作，校企合作探索實驗教學(xué)新模式

企業(yè)具有豐富的平臺及資源開發(fā)技術(shù)和能力，學(xué)校具有豐富專業(yè)的知識及教學(xué)經(jīng)驗。企業(yè)與學(xué)校的深度合作，優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠很好地將高端技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)活動中。通過對多學(xué)科跨專業(yè)的實驗課程進(jìn)行開發(fā)和研制，結(jié)合各個專業(yè)的特色，虛實結(jié)合，設(shè)計大量虛擬仿真實驗，使學(xué)生對實驗中的每個模塊都有充分的認(rèn)識和足夠的訓(xùn)練。同時將最尖端的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，通過虛擬仿真的形式展現(xiàn)給學(xué)生，拓寬其視野，提升其知識結(jié)構(gòu)，是專業(yè)課程實驗的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新。例如：“土木工程經(jīng)濟(jì)與項目管理”課程中，自主開發(fā)虛實結(jié)合的“川藏鐵路施工組織動態(tài)優(yōu)化虛擬仿真實驗”，通過三維仿真技術(shù)對川藏鐵路施工可能發(fā)生的干擾施工組織的情況進(jìn)行實驗?zāi)M決策，實現(xiàn)了現(xiàn)場情境與課堂實驗情境的充分結(jié)合與可視化演示和操作。

（三）學(xué)科交叉融合，豐富教學(xué)資源、創(chuàng)新實驗教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)學(xué)校不同專業(yè)特色開展多學(xué)科交叉融合的虛擬仿真實驗平臺，不僅可以供校內(nèi)上千名學(xué)生使用，而且可以供其他校內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的學(xué)生、重大工程技術(shù)管理人員在平臺上進(jìn)行實驗操作，培養(yǎng)其他相關(guān)學(xué)科人才。

結(jié)語

針對高危高耗、不可及不可逆及大型綜合實驗，開發(fā)建設(shè)基礎(chǔ)規(guī)范、綜合設(shè)計、創(chuàng)新探索三個層次的虛擬實驗課程，可充分利用線下實物實驗設(shè)備資源做好教學(xué)管理工作。

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Abstract： The establishment of virtual simulation experiment project provides a low-risk and low-cost environment for experiment teaching in colleges and universities. At the same time， the sharing and opening of offline physical laboratory resources also need to improve the management level. Based on the research of virtual simulation experiment platform of intelligent equipment， virtual experiment and physical experiment are combined with virtual reality， the running process of virtual simulation software is fully combined with the remote operation physical experimental device of intelligent equipment， and multi-source data are transmitted to the same management platform. The architecture of intelligent equipment experiment platform is proposed， its characteristic is described ， the function of the platform is conceived， and the virtual and real integrated management platform of the laboratory is put forward. The research provides a reference for the improvement of experimental teaching management level.

Key words： virtual simulation experiment; intelligent equipment; virtual reality combination