朱昕宇 侯玨 盛士能

摘要：為了解決傳統(tǒng)虛擬仿真平臺部署成本高、教學(xué)適配性差和可擴(kuò)展性弱等問題，提出了一種基于微服務(wù)和前端渲染技術(shù)的新型虛擬仿真平臺架構(gòu)——微仿真架構(gòu)。該架構(gòu)通過采用前端渲染引擎，將圖像渲染和物理模擬任務(wù)轉(zhuǎn)移到客戶端完成，降低了服務(wù)器負(fù)擔(dān)和部署成本。通過微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)后臺系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。提出針對教學(xué)重難點(diǎn)設(shè)計(jì)微仿真場景的方法，解決虛擬仿真場景與教學(xué)適配性不高的問題?；谏鲜黾軜?gòu)和方法設(shè)計(jì)的新型虛擬仿真平臺，有望顯著降低部署成本、提升教學(xué)適配性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真平臺；架構(gòu)設(shè)計(jì)；前端渲染；教學(xué)模式；微服務(wù)

中圖分類號：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0067-04

0 引言

虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用日益受到關(guān)注，極大地提升了師生在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)上的體驗(yàn)。但是目前大量虛擬仿真軟件存在著“部署價(jià)格高”“運(yùn)行配置要求高”“教學(xué)適配性差”和“可擴(kuò)展性弱”等問題，導(dǎo)致虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的作用無法得到充分發(fā)揮。從技術(shù)角度考慮，如何借助微服務(wù)、云存儲等新架構(gòu)、新技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)虛擬仿真平臺的架構(gòu)體系，從而減小系統(tǒng)的部署和開發(fā)成本，提高虛擬仿真平臺與教學(xué)的適配度，進(jìn)一步發(fā)揮虛擬仿真系統(tǒng)的作用，已成為當(dāng)前亟須解決的問題。

1 傳統(tǒng)虛擬仿真平臺的主要實(shí)現(xiàn)方式

目前的虛擬仿真軟件按照實(shí)現(xiàn)方式可分為兩類，基于成熟工業(yè)軟件二次開發(fā)的虛擬仿真產(chǎn)品和基于成熟3D引擎和物理引擎開發(fā)的虛擬仿真產(chǎn)品。

1.1 基于成熟工業(yè)軟件二次開發(fā)的虛擬仿真平臺

這類虛擬仿真平臺的特點(diǎn)是基于成熟的工業(yè)軟件進(jìn)行二次而來。例如李祺基于Simulink開發(fā)了一系列的控制算法實(shí)驗(yàn)平臺[1]；馬合木提基于Proteus和Keil5，使用Python進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了用于單片機(jī)教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺[2]；王龍庭等基于LabVIEW的二次開發(fā)設(shè)計(jì)了液壓控制系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺[3]。江蘇大學(xué)基于ABAQUS、CAD、Hyper- V等軟件，開發(fā)了車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[4]。

基于成熟工業(yè)軟件開發(fā)虛擬仿真平臺的優(yōu)勢在于其穩(wěn)定性和可靠性。這些工業(yè)軟件經(jīng)過多年的實(shí)踐應(yīng)用和全面測試，已被廣泛驗(yàn)證和認(rèn)可。但是，這類虛擬仿真平臺目前存在如下一些問題：

1） 部署價(jià)格較高。這些平臺的私有化部署通常涉及購買工業(yè)軟件的授權(quán)和高性能的服務(wù)器，這對于大部分學(xué)校來說都是一筆不小的投資。而且隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的加劇，部分工業(yè)軟件還存在著禁用風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2） 教學(xué)適配性較差。工業(yè)軟件的功能和架構(gòu)是基于廣泛的工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，教師難以根據(jù)自身的學(xué)情和教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行定制，軟件公司幾乎不可能為了滿足個(gè)別教育機(jī)構(gòu)或教師的特定需求來修改軟件的功能。

3） 并發(fā)訪問能力弱。為了實(shí)現(xiàn)較好的課堂效果，虛擬仿真平臺必須具有支持多人并發(fā)訪問的能力[6]。但是上述工業(yè)軟件的設(shè)計(jì)初衷通常是為單用戶提供服務(wù)，依賴于服務(wù)端算力進(jìn)行仿真計(jì)算，并不適合多人并發(fā)訪問。

由此可見，基于成熟工業(yè)軟件開發(fā)的虛擬仿真平臺具有高穩(wěn)定性和可靠性的優(yōu)勢，但存在部署價(jià)格高、教學(xué)適配性差和并發(fā)訪問能力弱等問題。其中部署價(jià)格高和教學(xué)適配性差是由工業(yè)軟件的產(chǎn)品特點(diǎn)導(dǎo)致的，基本難以解決。并發(fā)訪問能力弱的問題可以通過配備高性能的服務(wù)器、部署多個(gè)實(shí)例、在客戶端上安裝配套的應(yīng)用程序等方式解決，但均會不同程度地增加平臺的部署成本和維護(hù)難度。

1.2 基于成熟3D 引擎開發(fā)的虛擬仿真平臺

基于成熟的3D引擎開發(fā)虛擬仿真平臺是目前另一種常見的技術(shù)路線。這類平臺通常利用已經(jīng)成熟和廣泛應(yīng)用的3D引擎（如Unity或Unreal） 來構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境[7]。例如中北大學(xué)的于本知基于Unity3D和3DMax開發(fā)了類流體光聲檢測虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8]。湖北工業(yè)大學(xué)的黃濤基于Unity3D和3DMax開發(fā)了多個(gè)材料力學(xué)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果[9]。

相較于基于工業(yè)軟件開發(fā)的虛擬仿真平臺，基于引擎直接開發(fā)的虛擬仿真平臺其優(yōu)勢在于具有強(qiáng)大的視覺效果和逼真的物理模擬能力，賦予開發(fā)人員極大的自由度[10]。但由于這些3D引擎的設(shè)計(jì)初衷是為了服務(wù)于游戲和影視動畫，這就導(dǎo)致基于它們開發(fā)的虛擬仿真平臺也存在一些問題：

1） 開發(fā)難度大。使用3D引擎和物理引擎進(jìn)行開發(fā)需要一定的技術(shù)儲備和學(xué)習(xí)成本。開發(fā)人員需要掌握相關(guān)的編程語言和工具，并了解引擎的特性和功能。這增加了開發(fā)周期和人力成本。

2） 部署價(jià)格較高。盡管不需要購買工業(yè)軟件的授權(quán)，但是基于3D引擎開發(fā)的虛擬仿真平臺通常需要較強(qiáng)的圖形處理能力，帶有圖形處理器的服務(wù)器通常價(jià)格不菲。由于依賴高性能的圖像處理器，使得基于3D引擎開發(fā)的應(yīng)用程序基本無法在移動端和網(wǎng)頁端等低性能設(shè)備上使用。

3） 配置要求高。當(dāng)虛擬仿真應(yīng)用部署在服務(wù)器端時(shí)，客戶端通常采用視頻流的方式進(jìn)行交互，這對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了較高的要求。這種模式的本質(zhì)是服務(wù)端渲染，客戶端顯示，因此在多人并發(fā)訪問時(shí)，服務(wù)器負(fù)載會急劇增加。

4） 應(yīng)用程序體積較大?；谟螒蛞骈_發(fā)的虛擬仿真平臺可能存在應(yīng)用程序臃腫的問題。這是因?yàn)橛螒蛞嫱ǔ０舜罅咳哂喙δ芎凸ぞ?，這些功能對于虛擬仿真應(yīng)用來說并不一定需要。這些冗余功能會增加應(yīng)用程序的體積和復(fù)雜性，導(dǎo)致資源使用效率下降。

基于成熟的3D引擎和物理引擎開發(fā)的虛擬仿真平臺在視覺效果、物理模擬能力和并發(fā)訪問方面具備優(yōu)勢，但也需要考慮開發(fā)難度大、部署價(jià)格較高以及對客戶端配置的要求較高等問題。在設(shè)計(jì)和部署虛擬仿真平臺時(shí)，需要綜合考慮這些因素，以平衡性能需求和可行性。

2 新型虛擬仿真平臺架構(gòu)

無論是基于成熟工業(yè)軟件二次開發(fā)還是基于成熟3D引擎和物理引擎開發(fā)目前都存在著“部署價(jià)格高”“教學(xué)設(shè)配性差”“可擴(kuò)展性弱”等問題。針對上述問題，本文提出一個(gè)全新的解決方案：以微服務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，利用前端渲染技術(shù)構(gòu)建一種全新的虛擬仿真平臺架構(gòu)——微仿真架構(gòu)。微仿真架構(gòu)的特性主要體現(xiàn)在三個(gè)關(guān)鍵方面：

1） 采用了前端渲染引擎和物理引擎；

2） 基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的后臺系統(tǒng)；

3） 針對教學(xué)重難點(diǎn)設(shè)計(jì)的微仿真場景。

通過上述三大設(shè)計(jì)原則，能夠有效地解決現(xiàn)存虛擬仿真平臺“部署成本高昂”“教學(xué)適應(yīng)性不強(qiáng)”以及“可擴(kuò)展性不足”的問題。

2.1 基于前端渲染模式的客戶端架構(gòu)設(shè)計(jì)

之前兩類虛擬仿真平臺普遍具有“部署成本高”和“并發(fā)訪問能力弱”的問題，除了昂貴的工業(yè)軟件版權(quán)費(fèi)外，另一個(gè)主要原因是兩者的服務(wù)端承擔(dān)了大量的渲染和計(jì)算任務(wù)，如圖1（a） 所示。如果能將渲染和仿真計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到前端完成，如圖1（b） 所示，服務(wù)端只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和模型管理，就能極大程度地降低服務(wù)端壓力，從而降低部署成本。

目前較成熟的前端渲染引擎有Three.js、Matter.js 和Babylon等，這些引擎的本質(zhì)是一類基于JavaScript 的庫，利用WebGL技術(shù)和CANVAS技術(shù)能夠在瀏覽器環(huán)境下快速生成并展示2D 和3D 圖形。與Unity3D、Unreal等專業(yè)級別的游戲渲染引擎相比，前端渲染引擎在渲染效果上稍有遜色，但是對于以教學(xué)為主要目標(biāo)的虛擬仿真平臺來說，更看重的應(yīng)該是平臺的教學(xué)演示和仿真能力，渲染的視覺效果并不應(yīng)該成為技術(shù)選型上的主要考慮因素。且目前的前端渲染引擎已經(jīng)具備了非常強(qiáng)大的功能，包括但不限于力學(xué)模擬、碰撞檢測、貼圖等。表1對比了常見前端渲染引擎與Unity3D和Unreal4在各方面的能力。

如表1所示，目前的前端渲染引擎足以滿足大部分的虛擬仿真需求。即使是其中綜合能力較差的Matter.js也能輕松地實(shí)現(xiàn)一些簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真?；谏鲜銮闆r，以專注于機(jī)械結(jié)構(gòu)的虛擬仿真平臺為例，設(shè)計(jì)微仿真架構(gòu)的前端架構(gòu)如圖2所示。用戶從電腦端或移動端向服務(wù)端發(fā)送請求，服務(wù)端返回模型數(shù)據(jù)和配置參數(shù)等信息。前端由路由管理、請求處理、狀態(tài)管理三大基礎(chǔ)模塊構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)組件庫包含導(dǎo)航欄、按鈕、表單等常用頁面組件。前端物理引擎根據(jù)后端返回的模型和參數(shù)動態(tài)生成仿真結(jié)果，并依托于CANVAS容器渲染在瀏覽器上。

2.2 基于微服務(wù)架構(gòu)的服務(wù)端架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺的主要功能是服務(wù)于教學(xué)，仿真演示和仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是虛擬仿真平臺的主要功能，但是目前虛擬仿真平臺存在著實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和仿真演示內(nèi)容固化的問題。教師無法結(jié)合自身的教學(xué)特點(diǎn)和學(xué)情特點(diǎn)來構(gòu)建適合自己課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。除了教師的個(gè)人意愿外，技術(shù)層面的主要問題是傳統(tǒng)的基于工業(yè)軟件和基于成熟3D引擎開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)通常是單體架構(gòu)或者分層架構(gòu)，這類架構(gòu)在設(shè)計(jì)上難以做到足夠的靈活性和可擴(kuò)展性。針對傳統(tǒng)虛擬仿真平臺在可擴(kuò)展性和靈活性方面的瓶頸，基于微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來打造微仿真架構(gòu)的后端，可有效解決該問題。

目前常見的軟件架構(gòu)的主要特征如表2所示。通過對不同架構(gòu)進(jìn)行比較分析，微服務(wù)架構(gòu)在如下兩個(gè)特征上能較好地滿足微仿真架構(gòu)的設(shè)計(jì)需求：

1） 具有較好的靈活性?；谖⒎?wù)架構(gòu)，可以將平臺功能劃分為多個(gè)獨(dú)立的小型服務(wù)，每個(gè)服務(wù)專注于特定的功能或業(yè)務(wù)領(lǐng)域。這些服務(wù)可以獨(dú)立地開發(fā)、測試和部署。例如當(dāng)需要添加一個(gè)新的物理引擎時(shí)（如電學(xué)模擬、力學(xué)模擬等），由于微服務(wù)架構(gòu)下每個(gè)服務(wù)都是獨(dú)立的，可以相對容易地?cái)U(kuò)展或替換相應(yīng)的服務(wù)，而無須對整個(gè)平臺進(jìn)行大規(guī)模改動。這種靈活性和可插拔性使得微服務(wù)架構(gòu)非常適合構(gòu)建具有不同物理引擎的仿真平臺。

2） 支持多語言開發(fā)。在微服務(wù)架構(gòu)中，每個(gè)服務(wù)可以使用適合自身需求和目標(biāo)的編程語言進(jìn)行開發(fā)。這意味著開發(fā)者可以根據(jù)需要選擇并集成不同語言版本的仿真計(jì)算庫，從而充分利用各種成熟的仿真計(jì)算庫和工具。也更利于其他老師和學(xué)生根據(jù)自身的條件和需求參與到平臺的共建中，貢獻(xiàn)新的功能模塊或服務(wù)，從而有效解決平臺內(nèi)容與教學(xué)環(huán)節(jié)契合度不高、持續(xù)發(fā)展動力不足的問題。

基于上述情況，以專注于機(jī)械結(jié)構(gòu)的虛擬仿真平臺為例，設(shè)計(jì)微仿真架構(gòu)的后端架構(gòu)如圖3所示。在該架構(gòu)中，API網(wǎng)關(guān)服務(wù)充當(dāng)統(tǒng)一接收前端請求并完成請求轉(zhuǎn)發(fā)的角色。整個(gè)后端由多個(gè)服務(wù)組成，其中日志服務(wù)、用戶管理服務(wù)和消息隊(duì)列作為基礎(chǔ)服務(wù)提供支持。自定義腳本管理服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真服務(wù)和自定義機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真服務(wù)則為核心功能服務(wù)。自定義腳本管理服務(wù)負(fù)責(zé)管理用戶提交的自定義仿真腳本；標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真服務(wù)是針對常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析的服務(wù)；自定義機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真服務(wù)允許用戶上傳和定義自己的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。

2.3 微場景的設(shè)計(jì)方法

為了增強(qiáng)虛擬仿真平臺與教學(xué)的連接，引入“微場景”的概念。“微場景”是指那些功能小而精的虛擬仿真場景，旨在輔助解決教學(xué)中的重難點(diǎn)問題。

以“平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)”為例，針對這一重難點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示的微場景。該微場景通過前端渲染技術(shù)Matter.Js實(shí)現(xiàn)，具有簡潔而有效的功能。在該場景中，學(xué)生可以調(diào)整桿件的長度并生成仿真動畫，通過互動操作獲得直觀的結(jié)果和反饋，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否滿足任務(wù)工單給出的設(shè)計(jì)需求，掌握如何確定合適的連桿長度這一知識點(diǎn)，從而有效解決“平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)”這一教學(xué)重難點(diǎn)。

微場景的優(yōu)勢在于它的功能靈活性和易于修改部署。由于采用前端渲染，場景功能可以直接使用腳本編寫，使得修改和定制化調(diào)整功能非常方便，教師可以根據(jù)學(xué)情進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。且微場景通常圍繞一個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)展開，每個(gè)場景的內(nèi)容有限，因此所需的計(jì)算量相對較小，從而實(shí)驗(yàn)所需的硬件配置大幅度降低。

3 總結(jié)

1） 利用前端渲染引擎完成虛擬仿真平臺的渲染和計(jì)算任務(wù)是可行的。采用該方案可以顯著降低系統(tǒng)的部署成本，并提升并發(fā)能力。

2） 基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺的后臺系統(tǒng)，可以顯著提升虛擬仿真平臺的可擴(kuò)展性和靈活性。

3） 針對教學(xué)重難點(diǎn)來設(shè)計(jì)微場景，可以提升虛擬仿真平臺與教學(xué)的適配性。

4） 未來的研究可以進(jìn)一步完善微仿真架構(gòu)的功能，并針對特定課程建設(shè)基于微仿真架構(gòu)的虛擬仿真平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李祺，聶為之，房朝暉，等.基于虛擬仿真技術(shù)的線上項(xiàng)目式

教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（1）：199-203.

[2] 帕孜來·馬合木提.虛擬仿真平臺在單片機(jī)教學(xué)改革中的應(yīng)

用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2023（13）：25-27.

[3] 王龍庭，張彥廷，石永軍，等.液壓機(jī)械控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教

學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動與密封，2023，43（6）：34-38，45.

[4] 侯慧，朱韶華，張清勇，等.國內(nèi)外高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)

展綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（5）：143-147.

[5] 代小龍.中國工業(yè)軟件發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J].軟件導(dǎo)刊，

2022，21（10）：31-35.

[6] 亞春林.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，

2022（25）：40-42.

[7] 曾琎.基于虛擬仿真系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武

漢理工大學(xué)，2009.

[8] 于本知，韓建寧，趙欣灑，等.基于Unity3D引擎的類流體光聲

檢測虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科

學(xué)版），2022，43（2）：186-192.

[9] 黃濤，胡佳恒，付佩.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)課程教學(xué)改革

中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（1）：34-38，44.

[10] 曾思鈺.基于Unity3D的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)

現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2021.

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