基于虛擬實驗技術的實訓系統設計

張 寶，崔曉寧

（1.四川中煙工業有限責任公司綿陽卷煙廠，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621000）

1 引言

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實（又稱VR）等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，令實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，它是計算機技術、虛擬現實技術、人機交互技術結合的產物，也是教育領域應用信息技術的一種創新。鑒于目前大學教育以注重理論知識為主的現狀，企業招聘的員工很難直接上崗，也無法通過相關職業鑒定培訓培養出技術骨干，所以依靠自己的培訓部門和專家隊伍，緊密結合生產實際開發出實用的虛擬技能培訓系統顯得尤為重要。運用虛擬實驗技術建立實訓系統，以3D漫游、實時動態演示等方式，提供給學員直觀的設備動態運行過程，并實現可根據需要任意模擬拆卸、組裝設備的演示功能，提高技能培訓的效果。

2 國內外研究現狀

虛擬實驗系統誕生于虛擬實驗室的研究，并以其廣闊的應用前景引起了大批科學家的關注和重視。目前，各國都在對其進行大力研究和開發，而且在一些關鍵技術方面已經取得了顯著的成效。國內外有許多研究機構和組織在對虛擬實驗系統開展研究和建設工作，特別是在一些著名的大學和虛擬實驗室中，已經建成許多虛擬實驗系統并應用于各行各業。

美國政府從20世紀90年代起，開始在物理學、分子生物學、海洋學以及核科學等許多科學領域投入巨大財力，以支持建造出各自的虛擬實驗系統作為示范性工程，展開了對虛擬實驗技術的一系列探索性研究，并取得了許多實質性的進展。美國霍華德·休斯醫學研究會（Howard Hughes Medical Institute，簡稱HHMI）建立的虛擬實驗室[1]是完全交互式的模擬生物醫學的實驗室，HHMI的虛擬實驗室包括辨別細菌實驗室、心臟病實驗室、神經生理學實驗室、虛擬的酶連接的免疫吸收劑化驗（ELISA）實驗室、基因改造昆蟲實驗室。每個虛擬實驗室都有特定的訓練目標，當學生在場景中操作虛擬實驗時，系統將給出相關指令幫助他們學習不同的課程。新加坡國立大學在遠程控制實驗方面取得很大的成果，其電子工程系開發的用于工程教育的虛擬實驗室[2]，目前已經包含了如2D和3D示波鏡實驗、帶耦合的水槽設備控制實驗等六個實驗。使用者通過網絡操作真實的實驗設備，應用視頻與音頻反饋，通過視頻會話系統，可以一邊調整實驗界面的實驗參數，一邊觀看遠程設備運行后的實驗結果。澳大利亞塔斯馬尼亞大學Christine Booth等人建立了酶動力學自適應虛擬實驗平臺[3]，以交互方式傳授乳酸脫氫酶動力學的相關實驗技能，創建了一系列的電子學習方法，實現互動教學以及教學效果評估。

隨著虛擬實驗技術的不斷向前發展，國內許多重點院校和科研機構的專家與學者都積極投入到該領域的研究。四川大學針對生物實驗教學建立虛擬實驗室[4]，其中包括生理實驗室、藥理實驗室、病生實驗室、人體實驗室、綜合實驗室等，整個虛擬實驗室共涉及40多個仿真技能學實驗，讓學生們通過虛擬實驗將理論知識應用于實踐。浙江大學電氣工程學院設計開發的遠程虛擬實驗系統[5]，利用網絡技術，將一系列真實實驗設備接入互聯網，從而組成一個完整的遠程實驗系統，實現了遠程實驗和實驗設備共享。國內許多其他著名大學也開展了虛擬訓練系統和虛擬實驗系統的工作。總之，虛擬實驗系統正朝著網絡化、專業化、智能化等方向大力發展，并將普及到各個領域。運用當今快速發展的計算機技術、虛擬現實技術、人機交互技術等，將開發出許多更加逼真、交互性更強、實驗內容也更加精彩的虛擬實驗系統。

對于電氣工程師而言，不斷接受技能培訓能有效提升其業務技能水平，提高團隊對設備運行的保障能力。在常規的技能提升過程中，實操訓練往往因硬件投入經濟成本巨大、實操培訓課時較短、培訓時間較為固定且不連續等諸多條件的限制，在很大程度上影響實操培訓質量。引入虛擬實驗技術的實訓系統對于培訓人員可以突破時間，地域及設備的限制，從而極大的縮減實訓成本投入。虛擬環境令培訓項目更加直觀、生動，學員自己就可以評價自身的培訓效果，提高培訓效率。同時在虛擬環境下的訓練，有效規避了在生產線現場由于操作不當發生安全事故，減少經濟損失。本系統融合教學、實驗、培訓等功能，并且具有完成培訓功能所需的軟件平臺，可適用于電氣工程師技能訓練和技術更新科研實驗。

3 系統組成

本系統以卷煙廠模塊化物流生產線實訓系統為硬件依托，利用虛擬實驗技術模擬煙草模塊化物流生產線，實現對電氣工程師在生產線上的實訓以及技術實驗研究等功能，并能最大限度地模擬煙廠實際生產中的制絲、包裝、分揀、物流、入庫等環節，用于卷煙廠電氣工程師技能訓練和技術更新科研實驗。模塊化物流生產線實訓系統如圖1所示。

圖1 模塊化物流生產線實訓系統

軟件系統包括：系統的窗口顯示界面，系統靜態教學，虛擬設備動態培訓，將所有功能整合到一起，形成適用于電氣工程師技能培訓的虛擬培訓系統。軟件系統結構如圖2所示。

3.1 系統顯示界面

系統的窗口顯示界面是通過VS軟件利用C語言開發系統的運行環境，是整個培訓系統的人機交互界面，界面設計追求簡潔明了，邏輯分明，人機交互環境友好，如此才能提高用戶的虛擬培訓體驗，同時提高培訓效果。

圖2 軟件系統結構

窗口顯示界面設計的主要工作放在用戶界面（UI）設計上，一個優質的UI框架能夠快速提升軟件開發效率。在軟件開發過程中沒有UI框架容易導致的問題有：多場景反復出現相同的UI窗體將造成在場景中反復加載該UI窗體，無形中增加工作量；各個UI腳本之間數據交互，容易出現緊耦合的情況，導致項目的可復用性降低；當出現多個彈出窗體疊加的現象時，開發人員需要手動維護窗體間的層級關系等等。因此，UI框架設計顯得尤為重要，主要包括：UI窗體的自動加載、緩存以及窗體狀態管理機制。UI框架設計的主要目的就是盡可能完成一些與具體功能邏輯無關的底層事務性功能。UI窗體的自動加載令這些功能自動或半自動實現，窗體狀態管理機制實現對UI窗體自身狀態（生成、加載、顯示、緩存、銷毀等）有機的管理。UI框架的應用使得用戶界面層次合理，提高了顯示界面設計的效率。

3.2 系統靜態教學

系統靜態教學是綜合了維修電工基礎理論知識，通過系統各個模塊的三維模型，以文字、聲音、視頻等形式，實現知識簡單易懂，演示效果生動形象，對維修電工進行初級教學，其系統培訓包括：

（1）傳感器技術培訓。傳感器技術培訓包括電感式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器、流量及壓力、稱重傳感器、電容式傳感器、漫反射型傳感器等多種類型傳感器的應用實訓，能夠完成對條碼識別器的配置及條碼識別器與PLC間通信的訓練。

（2）氣動技術培訓。氣動技術培訓要完成對多種電控氣動閥、氣缸、氣動夾爪、過濾調壓閥、無桿氣缸等設備的虛擬應用實訓。

（3）PLC技術培訓。PLC技術培訓包括輸入/輸出接口接線端子連接，各個站點之間的網絡實現連機分布控制，能夠完成Allen-Bradley及西門子PLC軟件的編程、閱讀、應用及訓練。

（4）電氣控制系統培訓。電控部分全部按照工業標準和習慣進行設計，各個傳感器接線端口都標號插接式對外連接，能滿足電氣測繪訓練的要求。

（5）機械系統拆裝調試培訓。系統可以讓員工將機械部分進行拆裝，也可按照提供的組裝圖紙和電氣圖紙進行組裝搭建重裝，并且調試至系統可正常。本系統機械部份采用移動式設計學員可將移動式模塊重新組合成工藝流程各不相同的各種系統。

（6）電機驅動技術培訓。系統上配備有變頻電機、直流電機、伺服電機等，系統配帶有一套變頻調速模塊及數套伺服驅動模塊，可練習各種電機驅動技術。能夠完成Danfoss變頻器的配置、PLC與變頻器的通信、PLC對變頻器的遠程控制等方面的訓練。

3.3 虛擬設備動態培訓

虛擬設備動態培訓是維修電工的高級技能培訓，主要包括各個模塊在線操作、PLC編程培訓、虛擬PLC仿真系統應用、各接口通信模塊配置、機器人控制系統培訓等，將Maya制作好的模型導入Unity3D，利用Unity3D軟件，添加必要的動作、聲音及腳本等，并對模型進行渲染，構建虛擬培訓平臺。其主要工作包括：

（1）建立系統運行場景（UI界面設計）。Unity作為游戲引擎在虛擬產品市場上的占有率接近80%，它具有優秀的游戲化UI，但是作為物流教學仿真產品的界面展現，更需要業務系統的UI。游戲化的UI適合單獨功能展現，而業務系統的UI更側重數據間的邏輯與分析的展現，所以UI界面的設計需要分成兩部分處理：對于一些簡單的界面，比如系統的模塊選擇菜單，靜態知識教學界面采用Unity自帶UI系統設計實現；對于復雜化的人機交互界面采用業務系統的UI，此UI是利用VS與Unity及Sokcet通信建立起來的界面，符合業務系統的功能要求。

（2）創建模型的動畫、聲音（U3D動畫系統Me-canim的應用）。Mecanim是Unity提供的一個豐富而復雜的動畫系統，包括：創建人形角色的簡易工作流和動畫的能力；Retargeting(運動重定向)功能—即把動畫從一個角色模型應用到另一個角色模型上的能力；一個用于管理動畫間復雜交互作用的可視化窗口；通過不同邏輯來控制不同身體部位的運動能力等等。整個動畫系統的設計遵循Mecanim的工作流程，詳情如下：

①資源的準備，主要通過Maya完成三維建模并將其導入使用。

②角色設置，人形角色的建立是Mecanim通過擴展的圖形操作界面和動畫重定向功能，為人物模型提供了一種特殊的工作流，其中包括Avatar的創建和對肌肉定義的調節。

③角色的運動，其中包括設定動畫片段及其相互間的交互作用，也包括建立狀態機和混合樹、調整動畫參數以及通過代碼控制動畫等。

（3）編寫模型與場景交互的腳本（itween設計）。Itween是一款比較成熟的Unity3D動畫效果的插件，能夠平滑的表現三維模型從一種變化（如平移）到另外一種變化（如旋轉）的過程，還可以選擇不同的動畫曲線，以實現不同的視覺沖擊。Itween內部存在許多已經寫好的類庫，可以輕易的實現物體的旋轉、縮放、移動、褪色、上色等，這對于模型與場景的交互開發有很大的幫助。圖3是經過Unity處理后截圖。

（4）解決系統通信問題。虛擬培訓系統的培訓界面是在Unity3D開發環境下完成窗口界面開發，軟件本身的UI界面與Unity通信通過TCP/IP協議實現，與硬件系統的信息交互要通過OPC協議標準，在OPC服務器Rslinx中建立硬件系統的數據庫[6]，將Unity3D的工程當作客戶端進行信息交互。硬件平臺主要以工業以太網及DeviecNet與底層的硬件建立通信，具體如圖4所示。

Unity3D作為開發平臺擁有豐富的功能模塊，尤其它在圖形界面處理方面的優勢使得虛擬技術可以很好的融入到培訓系統中，使得培訓人員可以突破時間、地域及設備的限制，極大的縮減培訓成本投入；虛擬實驗環境令培訓項目更加直觀、生動，學員自己就可以評價自身的培訓效果，從而提高培訓效率；在虛擬實驗環境中的訓練，有效規避了在生產線現場由于操作不當發生安全事故，降低安全事故發生，減少經濟損失。

圖3 Unity項目截圖

圖4 系統網絡簡圖

[1]HHMI.BioInteractive virtual labs[EB/OL].http://www.hhmi.org/biointeractive/vlabs/.2005-11-11.

[2]National University of Singapore.NUS Internet Remote Experimention[EB/OL].＜http://vlab.ee.nus.edu.sg/vlab.2005-11-13.

[3]Christine Booth,RajkumarCheluvappa,ZackBellinson,DanniMaguire,CraigZimitat,JoyceAbraham,RajaramanEri.Empirical evaluation of a virtual laboratory approach to teach lactate dehydrogenase enzyme kinetics[J].Annals of Medicine and Surgery,2016,(8).

[4]解麗芳,林宏輝.虛擬實驗室在本科生物實驗教學中的作用[J].實驗技術與管理,2014,31(9):114-115.

[5]葛佳歡,朱善安.基于Modelica的虛擬遠程實驗室[J].計算機應用,2012,32(2):585-588.

[6]李長安.基于opc的c#與rslinx通信程序設計[J].硅谷,2012,5(14):56-59.