“互聯網+”背景下虛擬精餾實驗室設計實現

李廣慶，李 瑩，陳鴻宇

1吉林醫藥學院管理學院；2吉林醫藥學院生物醫學工程學院

“互聯網+”背景下虛擬精餾實驗室設計實現

李廣慶1，李 瑩2，陳鴻宇2

1吉林醫藥學院管理學院；2吉林醫藥學院生物醫學工程學院

利用3DS Max+Virtools+Java Web等技術建設網絡三維虛擬精餾實驗室,解決高校化工原理實驗課程硬件條件不足。虛擬實驗結果與實際實驗結果吻合。基于網絡的虛擬實驗室建設，提高了實驗室使用率與機動性；減少了化工原料對實驗人員的直接或間接傷害，增強實驗安全性；節約實驗室場地；為工業化應用提供設計思路。

互聯網+；化工原理；虛擬實驗室；精餾實驗

1.引言

隨著現代信息化技術的廣泛應用和生產科研、教學實驗質量要求的不斷提高，各高校逐漸加強學生實驗課程的動手能力、操作能力和科研能力的培養，培養復合型應用人才滿足社會需求。而化工原理課程的精餾實驗，需要大型的精餾設備，非專業性高校無法滿足。隨著“互聯網+”概念的提出，互聯網+虛擬實驗室為解決上述問題提供了可行的方案。

2.虛擬實驗室建設

眾多學者和大量文獻中都有提出過虛擬現實,中山大學開發的虛擬化工實驗系統[1],采用了平面開發技術，對其他化工軟件的開發帶來了一定的啟示，交互功能薄弱。吉林大學高等教育研究所的虛擬實驗室[2],三維效果理想，交互效果不足。綜合前人技術和資料，3DS+Virtools+Java Web技術開發網絡虛擬精餾實驗室，場景式架構以提高臨場感，與現實匹配，操作符合人類思維。

2.1 開發流程及技術路線

3DS+Virtools+javaWeb作為開發平臺，主要分為五個階段：數據收集，建立模型；交互開發；Java Web搭建；實驗測試。數據收集主要包括建模所需設備規格、紋理照片、工藝流程以及實驗數據整理；利用3ds Max建立精餾設備模型并賦予材質、貼圖；利用3ds Max導出.nmo文件提供給Virtools，用BB、VSL語言交互開發；Java Web搭建階段將Virtools發布虛擬實驗室掛接Internet，將實驗室網絡化。

2.2 網絡化虛擬實驗室的實現

虛擬實驗室建設過程中，虛擬的大型實驗設備是重點，是虛擬實驗室實驗過程中交互操作是核心部件，使用3dsMax設計的三維設備模型是Virtools設計交互操作的對象。

2.2.1 設備模型建立

設備主要包括分離裝置、檢測裝置，及虛擬現實的靜態物質。之前的數據收集為設備的模型建立提供了數據。模型建立之后，在保證圖像質量的前提下，使用技術手段進行優化以達到良好運行速度，如減少使用平滑點減少多邊形的生成，運行流暢；非主要設備使用的低分辨率貼圖；透明貼圖使用PNG格式以保證Virtools自動解析。

2.2.2 界面及交互設計

虛擬實驗室人機交互設計是整個實驗室設計重中之重。界面、流暢的導航系統是熟練使用虛擬實驗室的保證。采用Windows化多場景的操作界面，非線性完全交互的模式。設計過程中使用了“多場景-半景”模式，攝像機可沿x，y軸線移動并旋轉，即以攝像機為軸心，120度為視角，3場景模式實現實驗室全景圖；實驗設備操作均以操作部件完成，如旋轉軸、閥，縮小與實際實驗操作中感覺的差距，增強臨場感。與數據相關的實驗操作使用VSL編寫關聯[3]，3D拾取檢測操，將操作系數實時傳遞，以控制數學模型中的數據。通過旋轉閥門的次數改變粒子系統參數、通過BB模塊實現頁面升降控制，實現仿真效果[4]。

2.2.3 網絡平臺搭建

將Virtools開發完畢虛擬實驗室發布后掛接到Web Server，實現PC客戶端網絡訪問，通過Java腳本為保證系統安全，內部使用人員擁有獨自的用戶，其他使用人員必須提出申請，系統管理員審核批復后方可使用。Web Server開發了后臺維護端，主要用于維護實驗數據以及理論實驗數據的錄入整理。

3.虛擬實驗室測試

采用正戊烷-正己烷溶液進行分離，進料溫度為tF= __D_DdxF=__D_Dd_____xn=0.95,tF=__D_Dd____xw=_______R=1.6，自動計算提餾段方程為y=1.5-0.0249。

為驗證模擬實驗數據的準確性，經過多次實驗，把獲得的部分回流和全回流情況下的模擬數據與實際數據進行對比，綜合評定，其結果如表1所示。

表1 實際實驗數據與虛擬實驗數據結果比較表

從比較結果可以看出，模擬數據與實驗數據吻合，數據相對誤差控制在5%之內，虛擬精餾實驗室達到了設計初衷，臨場感強、微觀操作與過程逼真，滿足教學科研需求、準確度達到了化工原理實驗教學、科研仿真的要求。

4.總結

本文在對精餾理論分析轉化的基礎之上，利用計算機技術建立了網絡化三維交互式精餾虛擬實驗室，能夠完成實驗操作的仿真、模擬計算，自動繪圖等功能。虛擬實驗室的建設彌補了現階段教學科研多方面的不足，有效的避免實際實驗或操作對人身所產生的傷害，超越了時間界限，利用網絡上終端設備隨時隨地可以進行實驗，提高了虛擬實驗室的靈活性和實用性。同時，互聯網+虛擬實驗室的建設方案為相關領域難題提供了參考。

[1]周愛東,王慶,楊紅曉.仿真技術應用于化工原理實驗教學的創新實踐[J].實驗技術與管理,2007,24(3):84-86.

[2]劉英杰,楊雪,闡寶朋.基于3ds Max和Virtools的大學物理虛擬實驗的設計與開發[J].現代教育技術,2008,18(6):88-92.

[3]Hiroshi Matsuda.Design and implementation of Cyber assistant professor:CAP[C].Washington,DC,USA:IEEE Computer Society, 2005:297-301.

[4]裴鋒,楊萬生.完全互溶雙液系平衡相圖的計算機繪制[J].實驗室研究與探索,2004,23(5):26-28.

2015年吉林省大學生創新創業訓練項目。

李廣慶(1982-)，男，吉林大安人，碩士，講師，研究方向為信息系統分析與集成。