綜合布線虛擬仿真實驗設計

丁晨　劉橋

摘要：針對傳統網絡綜合布線教學實際，分析網絡綜合布線實驗室的現狀以及虛擬仿真實驗系統的優點，設計開發了3D效果直觀、交互性強、具有一定考核作用的3D虛擬仿真系統。網絡綜合布線虛擬仿真實驗系統能結合實訓使學生積累實踐經驗，通過虛實結合提高動手能力，有效地訓練學生創新實驗和解決問題的能力，能夠讓學生更好地完成對項目設計，質量管理和維護管理等一系列的工作。21世紀是一個信息爆炸的時代，也正是一個數字化時代，虛擬仿真技術在現代社會中扮演的角色不僅僅限于娛樂，與教育結合也會突現閃光點。

關鍵詞：Unity3D;虛擬現實;網絡綜合布線;模塊化設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0066-03

隨著計算機技術的發展和應用，《網絡綜合布線》作為一門必修課程，在課程設置過程中，受到時間和空間以及設備的種種限制，隨著教學改革的開展，基于解決以上問題，虛擬仿真技術的應用顯得尤為重要。[3]網絡綜合布線系統的設計和是施工是一個龐大的工程，需要大量的技能型專業人才，網絡綜合布線實驗室就是模擬實際工作環境和工作過程，通過大量的實驗實訓使學生掌握相關的技能，滿足實際工作的需要。[2]

1 開發背景

虛擬與現實是兩個具有相互矛盾含義的詞語，放在一起被科學技術的發展賦予新的含義。虛擬仿真技術的互動和逼真帶給人們身臨其境的感覺，但是就目前為止，擁有核心知識產權，技術過硬的企業不多，優秀品牌更是鳳毛麟角。虛擬仿真技術在城市規劃、地產行業、數字校園、旅游業、娛樂、藝術、教育、工業等領域都有相應的應用。

為貫徹落實習近平總書記關于強化實踐育人工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作會議精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要點》等相關要求，教育部辦公廳發布了關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知。

2 開發目的

2.1 網絡綜合布線實驗室的現狀

綜合布線可服務于多方面的系統應用。它支持數據、語音、音箱等信號的傳輸;也支持多方面的設備;還支持多方面的系統構架，信息技術領域已經意識到精良的網絡布線的重要性，它不僅能使用戶達到傳輸數據的目的，還能串行通信、傳送語音、圖形圖像、視頻影像等。虛擬綜合布線系統是信息時代的必然產物，正以其鮮明的特點和優點逐步取代傳統布線。網絡綜合布線是網絡的基礎，因此，它必須安全可靠有效。[1]

2.2 虛擬仿真實驗系統的優點

第一，有利于解決設備稀缺性問題。以前學生都是幾個人一個組，共用一臺設備，導致設備嚴重不足，這是教學效率不高的一個原因，學生操作過程倉促。采用綜合布線虛擬仿真實驗系統可以不受時間和空間的限制，多次反復模擬實驗，讓學生充分了解實驗內容、掌握操作流程、熟悉操作規范。第二、有利于激發學生學習興趣。虛擬仿真實驗具有真實性、豐富性、交互性和易更新性等特點，教學內容可以在虛擬環境中隨著高科技的發展而不斷更新，滿足教學需求。大多數學生對機械感到枯燥而又乏味，提不起興趣，但是在網絡布線虛擬仿真實驗室系統中可以模擬真實的環境，有利于提前熟悉實驗的真實環境，大大激發了學生的學習興趣。第三、有利于解決安全性問題。綜合布線實時操作時，存在大量安全性問題，采用仿真教學時，學生可有效地避免安全事故的發生。

3 開發流程

本系統選擇了三個場景和五個重要模塊進行設計和開發，主要采用三維工具3dmax和Blender進行場景搭建和模型制作，以及制作過程涉及的動畫。利用PS圖形處理工具進行貼圖的繪制。最后導入Unity3D中，進行交互的設計與實現，編寫腳本代碼，添加UI設計。

3.1 虛擬仿真實驗系統的設計

綜合布線虛擬仿真系統主要有三個場景：實驗室場景、操作臺場景、檢驗臺場景。五個重要模塊：超五類非屏蔽水晶頭制作和檢測、超五類非屏蔽信息模塊制作、超五類非屏蔽信息模塊安裝、簡單和復雜鏈路跳線制作和測試、光纖熔接。因此涉及的模型和貼圖資源內容較多。

為了滿足實訓環節的效果，模型的尺寸要求盡量精確，包括貼紙都是對多個角度進行拍攝的圖片，最后用PS合成。虛擬仿真系統中的模型均為多邊形建模技術，模型制作結束后還還原了各種設備的色彩，采用貼圖加光照貼圖最后再渲染的思路，大大加快了系統的運行效率。

模塊切換部分如下圖1所示，點擊select則可進入模塊場景中，如圖2。

3.2 虛擬仿真系統交互功能的實現

將模型和場景等有關資源導人Unity3D中，再在相應的模型上面進行相關操作時加上相應的交互腳本，來進行相應對象的控制。以第一人稱的視角來實現在場景中的觀察和操作，本系統還設計了相應的動畫控制和整個系統的UI交互腳本，如圖3為壓線鉗的動畫控制。

3.3 虛擬仿真系統的測試與發布

在本系統完成之后我們對本系統進行了調試和優化。使Unity3D發布的系統更流暢，更方便。

綜合布線虛擬仿真實驗客戶端針對學生用戶提供兩種模式：教學模式和自我評測模式。學生用戶可以選擇要進行學習的模式。

1）教學模式。學生用戶進入教學模式會顯示教學課程的所有章節，用戶可以選擇想要學習的章節內容并進入章節學習。在每一章節中，會將內容分為不同的具體的小節，小節分為兩種類型：文字概述和實驗室實驗。學生用戶選擇所期望學習的小節內容進行學習。在實驗室實驗小節學習時，綜合布線虛擬仿真實驗客戶端會提供此實驗對應的教學視頻與教學語音，視頻會根據實驗步驟進行劃分，學生用戶需要跟著教學視頻同時操作視頻講解的實驗步驟，如果用戶在操作過程中有錯誤之處，客戶端會有錯誤提醒并指出錯誤之處，讓學生用戶立刻知道自己實驗步驟中的錯誤。實驗結束后會有“本次實驗成功”結束語，并退出此次教學。在教學過程中，學生用戶在任何時候都可以退出學習，但是實驗不被保留。

2）自我測評模式。學生用戶進入自我測評模式會顯示教學課程的所有章節，用戶可以選擇想要測驗的章節內容并進入章節測驗，每一章節有不同的實驗測驗內容小節。學生用戶選擇所期望測驗的實驗內容進行測試。測驗時，綜合布線虛擬仿真實驗客戶端不會提供任何提示但會提示測試時間，用戶需要在測試時間內完成否則失敗。如果學生用戶在測試過程中操作有錯誤之處，客戶端不會有錯誤提醒。在測試結束后，客戶端會對測試結果進行錯誤統計，列出錯誤的地方，并給出測驗所得分數。綜合布線虛擬仿真實驗客戶端通過以上步驟達到學生用戶自我測評的目的。

功能結構圖如圖4所示。

4 結束語

基于Unity3D技術的綜合布線虛擬仿真實驗系統具有開放性、靈活性、可靠性和模塊化的特點。綜合布線虛擬仿真實驗系統使學生逼真地體驗真實的實訓場景，不存在任何安全隱患，學生也可反復練習，有效地降低了實訓成本。

參考文獻：

[1]李乃振.綜合布線系統的現狀與發展趨勢[J].無線通信技術，2014，23（1）： 52-55.

[2]劉振海.基于虛擬現實技術的網絡綜合布線實驗室設計與研究[J].江蘇科技信息，2017（13）： 49-50.

[3]田明山.綜合布線虛擬仿真實驗室的研究與設計[J].電腦知識與技術，2016（11）： 239-240.

【通聯編輯：謝媛媛】

基金項目：河南大學大學生創新訓練項目（2019102510）;河南大學軟件學院教學信息化項目（R2019JX12）

作者簡介：丁晨，通訊作者。