電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現

趙凱輝 童玲 李祥飛

摘 要：分析了電氣工程專業采用虛擬仿真技術進行實驗教學的必要性，提出了虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現方案，探討了電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發思路。首先對虛擬仿真實驗教學平臺進行了需求分析，并對平臺的功能模塊進行了說明。然后描述了虛擬仿真實驗教學平臺的網絡拓撲和系統結構模型。最后提出了電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發思路。通過電氣工程虛擬仿真實驗平臺的建設與實踐，實現了真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，提高了學生工程實踐能力和科研創新能力。

關鍵詞：電氣工程 虛擬仿真 實驗教學平臺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0202-03

Abstract： The necessity of applying virtual simulation technology to practice teaching in electrical engineering is analyzed. The design and realization scheme of practical teaching platform of electrical engineering virtual simulation is proposed. Firstly， the requirement of virtual simulation teaching platform is analyzed， and the function module of the platform is described. Then， the network topology and system structure model of virtual simulation practice teaching platform are described. Finally， the developing ideas of the teaching resources of the virtual simulation experiment of electrical engineering are put forward. Through the construction and practice of virtual simulation experiment platform of electrical engineering， the experiment teaching function which is not available or difficult to be completed in real experiment is realized， and the students' engineering practical ability and scientific research innovation ability are improved.

Key Words： Electrical engineering； Virtual simulation； Experimental teaching platform

虛擬仿真技術作為一種新的科學研究方法，對高等學校的教學和科研發揮的作用越來越重要[1-3]。基于虛擬仿真的實驗教學是綜合應用計算機應用技術、計算機網絡技術和虛擬現實等技術[4-6]，通過構建逼真的實驗環境，達到、甚至超過真實實驗的效果[7]。

虛擬仿真技術對傳統的實驗教學產生的影響越來越大。虛擬仿真可應用到危險性極高、操作不可逆以及高成本、高消耗的實驗項目和實驗教學中，以提高實驗環境的安全性，彌補實驗成本的不足，突破安全、成本、儀器設備的限制，解決實驗教學面臨資金不足等問題[8-10]。

我校的電氣工程及其自動化專業，分為電力系統及其自動化專業方向和電力電子與電機控制專業方向。電氣工程專業主要側重于電力系統一次系統操作和運行，以及電力系統二次系統操作和運行、電力電子與電機控制領域相關技術的研究[11]。由于電力系統龐大、復雜，且高電壓、大電流，電力設備種類多、價格昂貴等特點，在實驗室很能建立和現場完全一樣的電力實驗系統[12-14]。因此，有必要采用虛擬仿真技術，建設電氣工程專業的實驗教學平臺，開發電氣工程專業的虛擬仿真實驗教學資源，提高學生的工程實踐能力和科研創新能力[15]。

1 虛擬仿真實驗教學平臺的功能模塊

1.1 需求分析

虛擬仿真實驗教學平臺的參與者可分為3類。

（1）系統管理員：主要負責虛擬仿真實驗教學平臺基礎數據的維護，擁有平臺的所有操作權限。具體來說，可進行用戶管理、實驗管理、實驗操作、修改密碼、發布信息等模塊的管理和操作。

（2）實驗指導教師：管理每門課程實驗的教師，主要負責實驗管理、實驗操作、實驗演示、實驗指導、實驗測評等模塊的管理和操作。實驗指導教師一般由任課老師擔任。

（3）一般用戶：虛擬仿真實驗教學平臺的使用人，可進行實驗演示、實驗操作、密碼修改以及信息反饋、培訓學習等操作。普通用戶包括在校師生和校外用戶。

1.2 虛擬仿真實驗教學平臺的功能模塊

虛擬仿真實驗教學平臺的系統功能模塊如圖1所示。

（1）用戶管理模塊：該模塊主要管理用戶的信息。系統管理員擁有對所有用戶賬號進行操作的權限，可以進行賬號查詢、激活、修改或禁止等操作。實驗指導老師和一般用戶只能對自身的賬號進行操作。

（2）實驗管理模塊：該模塊可對用戶所進行的實驗類型、實驗內容和實驗成績進行管理。用戶可選擇實驗的類別，如選擇進入實驗操作模塊、實驗演示模塊或實驗測評模塊。

（3）實驗指導模塊：學生在進行實驗操作時，實驗指導教師通過該模塊可以在線指導學生，實現兩者的實時交流。

（4）實驗測評模塊：學生進行實驗操作時，通過該模塊可將進行實驗的名稱及實驗過程存儲于服務器中。實驗指導教師可以隨時從服務器查看學生實驗操作過程并評閱，結果存儲到服務器。

（5）實驗演示模塊：通過該模塊，實驗指導教師能進行實驗的演示，并存儲到服務器。學生通過該模塊，可隨時查看實驗演示過程。

（6）實驗操作模塊：通過該模塊，學生可選擇相應實驗項目并存儲，以后還可以繼續未完成的實驗。

（7）培訓學習模塊：主要對一般用戶提供操作和相關的管理制度說明。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的構建

2.1 系統的體系結構

C/S（Client/Serve，客戶機/服務器）體系結構適合于小規模、單一數據庫的局域網環境，而B/S（browser/server，瀏覽器/服務器）體系結構的客戶端只需要瀏覽器，具有較高的安全性和通用性。如圖2所示，本虛擬仿真實驗教學平臺擬采用典型的B/S三層體系結構，其中三層分別為Web表示層、業務邏輯層、數據訪問層[16]。

2.2 網絡拓撲結構

我校虛擬仿真實驗教學平臺系統網絡拓撲結構如圖3所示。

（1）Web瀏覽器：虛擬仿真實驗教學平臺采用Web瀏覽器作為客戶端。Web瀏覽器與實驗服務器交互是通過HTTP協議實現，下載網頁并獲取各種動態數據信息，并將用戶行為的信息提交到web服務器。

（2）服務器：服務器包括Web服務器、實驗服務器、仿真軟件服務器、RT-LAB系統服務器等。

Web服務器是虛擬仿真實驗教學平臺的核心，使用SQL Server 2012數據庫來管理全部教學資源，如實驗服務器、仿真軟件服務器、RT-Lab系統服務器等，并通過程序檢測這些資源的運行狀態。Web服務器負責多個用戶同時訪問某一實驗設備的調度。

實驗服務器負責與實驗室的實驗臺交互。在實驗室進行實時控制實驗臺時，程序自動選取最佳實驗服務器，實驗服務器直接向遠程用戶提供實時監控服務，這樣可以縮短監控數據的傳輸路徑，提高監控的實時性，同時增強了系統的可擴展性，避免了實驗負載過度集中在Web服務器上。

RT-LAB是一種模塊化的實時仿真平臺，可實現硬件在環真仿真（hardware-in-the-loop simulation， HILS）和快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）。RT-LAB的提供了良好的人機界面，這將使HILS和RCP變得更輕松。建立RT-LAB系統服務器，用戶可進行遠程的HILS和RCP操作。

軟件服務器可以安裝電氣工程相關仿真軟件，使用戶可以進行遠程軟件虛擬仿真。例如LabVIEW、Matlab/Simulink。軟件服務器接收用戶的命令和參數并解釋執行，且把執行結果反饋給用戶。

（3）實驗臺：實驗臺由2部分組成：網絡化控制器和實驗設備。網絡化控制器是為實驗設備連接到實驗服務器而開發的前端控制器。目前，我校的虛擬仿真實驗教學平臺己連入多臺實驗設備，如DCS過程控制仿真、PLC工業過程控制仿真、Proteus EDA設計仿真、基于LabVIEW和Multisim仿真等平臺。

3 電氣工程虛擬仿真實驗教學資源的開發

（1）虛擬仿真軟件實驗教學資源的開發。建立仿真軟件服務器，安裝LabVIEW、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD/EMTDC、PSIM等電氣工程仿真軟件。基于電氣工程專業仿真軟件，可以進行電路理論、電子技術電路、電力電子、電力系統的仿真，結合友好的圖形化界面，使用可操作的相應的虛擬實驗儀器，可以在計算機上建立起虛擬實驗室環境，并可實時顯示仿真波形，方便直觀。

（2）虛擬仿真硬件實驗教學資源的開發。采用虛擬仿真技術對現有實驗室進行改造，將相關實驗室的實驗臺通過網絡化控制器連接到實驗服務器，學生在校園網就可以進行有限的軟硬件結合的實驗。

（3）電氣工程專業虛擬仿真實驗教學的改革。基于虛擬仿真技術，進行電氣工程專業實驗教學的改革，優化電氣工程專業實驗教學體系，構建模塊化、遞進式、多層次的電氣工程專業優質虛擬仿真教學資源，研究電氣工程專業“虛實結合”的實驗教學模式，培養學生的工程實驗能力和創新能力。

4 結語

目前，我校的電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺已初步建成并初見成效。電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺雖然已經建成，但需進一步完善、推廣和應用，同時需要進行電氣工程專業實驗教學的改革，構建模塊化、遞進式、多層次的電氣工程專業優質虛擬仿真教學資源。充分發揮電氣工程學科專業優勢，整合和拓展學校電氣工程實驗教學資源，豐富電氣工程實驗教學內容，可以降低實驗教學成本和風險，實現真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，提高了學生工程實踐能力和科研創新能力。

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