機電專業虛擬仿真實驗平臺建設

周偉彬 汪楓 唐文輝 張琳 任磊

摘?要：針對機電專業傳統實驗教學模式存在的問題，空軍預警學院深入開展虛擬仿真實驗教學研究，構建機電專業虛擬仿真實驗平臺，實現了多媒體技術、虛擬仿真技術的深度融合。實踐效果表明，該虛擬仿真實驗平臺能夠充分調動學生的積極性，提高教學實訓效率。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗平臺;機電專業

中圖分類號：G647?文獻標識碼：A

近些年我國經濟快速發展，制造業規模已成為全球第一，逐步建立起種類齊全、相對完整的制造業體系，但與發達國家相比仍有較大差距，尤其是自主創新能力弱、核心技術與尖端裝備對外依賴程度高。要成為制造業強國，就需要一大批高技能的機電一體化復合型人才，如何培養出滿足社會要求的人才是高校建設過程中很重要的問題。人才培養的核心是課程體系建設，其中實驗教學是重要的一環[1-2]。

實驗教學作為學生實踐能力和創新能力培養的重要載體，需要有相應的實驗教學平臺作為支撐[3]。傳統實驗教學以實體設備為對象，采用實物展示或動手操作的形式，具有直觀、真實、簡捷的優點，但存在著操作空間受限、運行成本過高、開放共享困難等不足。虛擬仿真實驗教學能夠減少場地對實驗結果的影響、降低實驗成本、避免實驗危險，豐富實體教學的體驗，拓展學生視野;同時極大地調動學生對實驗課程的積極性，引導學生主動思考、主動探索，有利于學生掌握和理解相關知識重點[4-7]。

虛擬仿真實驗畢竟不是真實實驗，其本身存在局限性，模擬實驗軟件的功能也可能不盡如人意，導致學生對結果真實性持懷疑態度[8]。因此，本文的研究采取實際教學與虛擬教學相互補充的策略，大力開發完善虛擬仿真軟件，增強軟件的操作性和趣味性，培養學生科研興趣，提高學生的自主探究能力。本文討論了虛擬仿真實驗建設的思路，分析了平臺建設的具體措施，為其他平臺的建設提供借鑒與參考。

1 平臺建設基本要求

1.1 建設內容

機電類專業信息化教學需要構建軟件模型庫，本文采用三維軟件開發電機關鍵部件，具備實現電機工作原理、典型電機拆裝與維護的虛擬演示等功能。其中電機三維模型庫是平臺建設的基礎，主要包括電機的三維立體模型及動畫。考慮到實際教學需要，電機上明顯的細小部件、管線、螺母均進行建模，電機模型與實際電機相似度90%以上。針對教學實際應用場景進行分析，制作燈光渲染和烘焙材質光影，更高層次地體現虛擬場景美觀度和真實性。

結合機械實驗教學的特點，按照實驗教學虛實互補的原則，構建“三平臺、八模塊”的機電專業虛擬仿真實驗教學體系，如圖1所示。三平臺為基礎性實驗虛擬仿真平臺、工程型實驗仿真平臺和創新性實驗虛擬仿真平臺，包含了原理類實驗模塊、認知類實驗模塊、設計類實驗模塊、制造類實驗模塊、專業實習模塊、工程訓練模塊、綜合創新類實驗模塊、競賽創新類實驗模塊等8個模塊的虛擬仿真實驗教學內容。該體系涵蓋空軍預警學院機電工程學科的所有實驗教學，可滿足士官、本科及研究生等不同階段的人才培養需求。

1.2 研發標準

系統平臺采用Microsoft Windows 7及以上版本操作系統，系統應具備較強的擴展能力且向下兼容，支持未來的發展和升級，并且能夠有效防止因系統資源消耗過多而導致系統異常崩潰。所有的軟硬件設計開發符合國家標準及技術規范。充分利用現有硬件設備，以減少不必要的資源浪費。任何一個模塊維護更新不應影響其他模塊，在升級過程中不影響系統的性能與正常運行，保證系統可以穩定、平滑過渡。系統應具有良好的操作界面、詳細的幫助信息。具備安全管理機制，保證信息存儲安全和處理安全，保證系統能夠正常運行，不被非授權訪問，不被攻擊破壞。

2 平臺總體設計

2.1 技術架構

該平臺利用計算機仿真各種物理工程技術，構造一種以訓練和教學為目的仿真培訓系統，在某種程度上再現一個真實行為。本文的設計思路是通過對電機關鍵設備裝配工藝流程、設備結構原理等內容進行深入分析，搭建一套電機關鍵部件仿真平臺，可將設備模型系統載入并實現虛擬交互功能，可精確演示電機設備機構及特性，提供交互組成結構教學、虛擬拆裝、使用維護、工作原理教學。系統功能框架如圖2所示。

其中，框架圖中的各層描述如下：

（1）應用層：包含業務處理的邏輯，包括用戶認證、登錄、授權、組成結構、設備組裝、設備拆卸、設備維護、工作原理仿真教學等基本功能;

（2）支撐層：包括整個系統的網絡協議、軟件技術及模型支撐，可以保證大數據量的吞吐;

（3）數據層：用于存儲和管理各種數據，包括設備、工器具精確模型、場景數據庫、規范、標準資料數據、學院信息數據及考試數據等。

2.2 仿真機理

本系統平臺具有真實物理屬性的仿真能力，在精確模型載入后，系統平臺應可以針對模型物理特性進行正確呈現，包括：

（1）能夠支撐大數據量模型的展現，能夠同時對環境、產品、現場設備、操作人員等真實產品及環境情況進行展示。

（2）在物體遇到干涉情況時，能夠根據操作施力方向，使物體沿著干涉表面形成劃動或被擠壓的運動過程，使零部件能夠真實反映在物體接觸條件下的運動狀態。

（3）在動態干涉檢測過程中，能夠根據操作方向及加速度，給予明確的碰撞提示。

（4）具備裝配位置自動捕獲的功能，當通過交互設備拖拽零部件接近最終裝配位置時，可根據周圍零部件位置及形狀自動提前判斷是否能夠裝配成功，并且通過不同顏色的預裝配區域進行提示。

（5）在對運動進行描述的同時，該虛擬仿真系統能夠對機構的復雜運動進行仿真，通過定義運動機構的物理約束，模擬機構發生的形狀及位置變化[9-10]。

2.3 仿真與建模實現

模擬與場景設計主要應用3Dmax、Photoshop和zbrush等軟件。3Dmax主要解決3D模型的設計制作問題，Photoshop主要解決圖片處理問題，zbrush主要解決人物模型貼圖的處理問題。

幾何數據采集內容主要包括電機設備的高度、長度、基地形狀及尺寸、立面形狀及尺寸、頂面形狀及尺寸、斷面形狀及尺寸、斷面尺寸等實物的幾何外觀框架尺寸以及內部部件的尺寸數據。幾何數據采集的方式包括從圖紙資料中提取、近景拍攝測量、三維激光掃描、全站儀測量。

紋理數據采集內容主要包括電力設備設施的外立面或表面的完整影響信息、局部影響信息、材質視覺顏色信息等。紋理數據采集的方式包括攝影和計算機模擬制作，攝影所獲取的圖像、視頻資料是其主要采集方式，也是最真實有效的方式，簡單的模型紋理可通過計算機模擬制作來獲取。

屬性數據采集信息內容主要包括電力設備設施建模所需的固有內容采集，如電力設備的設備編號、名稱、電壓等級、型號及材質。屬性數據采集通過電力設備出廠資料、圖紙資料、生產管理信息、實地調查等方式來獲取。

2.4 平臺集成

將仿真教學設計到的靜態模型和動畫過程沉入虛擬仿真支撐平臺，包括：模型開發、組合裝配、模型優化、模型輕量化處理、場景渲染、設備渲染、設備邏輯流程組合等。為了實現基于虛擬仿真教學的場景化應用，將3D精確模型進行技術處理和轉化，作為虛擬仿真教學的場景模型數據，實現模型的逼真呈現。

3 平臺的教學實踐

機電專業虛擬仿真實驗教學中心于2018年正式組建，自建立以來，開設線上線下教學模式改革課程7門、實驗項目27個、實驗涉及9部教材。各實驗課程教學秩序良好，平臺運行平穩。教師通過虛擬仿真系統指導近百名學員完成課程設計，指導二十余名學員參加院校學科競賽并獲獎。該綜合實驗平臺使用后的統計（如下表所示）表明，士官及本科學員應用平臺開展基礎性和工程性實驗較多，研究生學員應用平臺開展創新性實驗較多，體現了該平臺對不同層次學員、不同課程具有很好適應性。

經過一年多的建設實踐，我院機電實驗室虛擬仿真實驗教學中心已經初具規模，師生反映良好，其在促進學生工程實踐能力培養中的角色得到了廣泛認同，學生工程實踐能力提升效果明顯。在后續建設中，虛擬仿真中心會覆蓋更多實驗項目，并實現與兄弟院校的開放共享。

4 結語

虛擬仿真實驗教學中心建設工作順應了高等教育的發展趨勢，是高等院校實驗教學信息化的最新舉措，必將對我國高等教育的質量提高產生積極而重要的作用[11-12]。目前，我院的模擬系統仍處于起步階段，未來需要根據教學過程出現的問題做適當完善。主要從以下兩方面進行完善：一方面以學生發展為中心，立足學生創新精神、綜合素質與實踐能力的協調發展，促進其自主學習與個性化學習;另一方面，以解決問題為中心，結合實際問題中的相關項目案例，構建虛擬實體互補的新型教學模式。

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基金項目：湖北省自然科學基金項目（2019CFB263）

作者簡介：周偉彬（1991—?），男，山東煙臺人，碩士，講師，主要從事機電傳動控制方面的教學科研工作。