某型挖掘機在線虛擬仿真平臺設計與實現

孫志丹，王海濤，趙華琛，翟仕奇

某型挖掘機在線虛擬仿真平臺設計與實現

孫志丹，王海濤，趙華琛，翟仕奇

（陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

以挖掘機為例，講解了在線虛擬仿真平臺系統的設計與實現方法，平臺設計包括訓練內容規劃、基本功能設計、技術實現方案和考核等級劃分四個方面。然后從在線虛擬示教和技能訓練兩個角度規劃訓練內容，并以挖掘機底盤為例進一步說明具體知識點；從課程、資源、運維、統計分析等角度闡述平臺應具有的基本功能；從硬件、軟件等方面講述技術實現方案；通過三個層次劃分考核等級，以及每個等級應具有的水平能力。最后展示平臺實現的部分界面并進行簡要說明。

挖掘機械；虛擬仿真；在線教學

工程機械裝備在建筑、交通等領域發揮著巨大作用，掌握其基本形態、組成、工作原理、維護保養方法、故障分析判斷與排除技巧是相關高校和專業人員必備的技能。但是，工程機械通常體積龐大，不能隨意拆裝用于教學，故障分析、維護保養需要依賴專業知識。因此，將工程機械直接搬進教室展開授課，既不方便，也難以實現。

當前，課堂教學業已成為推進新型技術和教育融合的主戰場[1]。為此，國家推出了MOOC等多種形式的在線教學平臺，通過這些平臺，將實際裝備的學習、訓練等工作移植到網絡上，形成輕量化、方便性、低成本的在線虛擬平臺，并支持虛擬數據的匯總與分析，進而促進課堂教學的飛躍提升[2-3]。文章以國家級虛擬仿真實驗教學中心為依托，以某型挖掘機為例，分析挖掘機在線虛擬仿真平臺的設計，包括訓練內容、基本功能、技術架構和考核方法設計，并開發和實現相應的在線虛擬訓練平臺。

1 挖掘機在線虛擬平臺設計

挖掘機在線虛擬平臺設計包括訓練內容、基本功能、技術架構和考核方法等4個方面，如圖1所示。

圖1 挖掘機在線虛擬平臺設計4個方面

1.1 虛擬訓練內容規劃

訓練內容是開展在線仿真平臺的核心要素。結合挖掘機特點，為了向訓練者提供多角度全方位的在線訓練平臺，訓練內容應該包括在線虛擬示教和虛擬訓練兩部分，涵蓋挖掘機的基礎知識、組成結構、工作原理、維護保養、故障判斷、故障排除等相關內容。

1.1.1 在線虛擬示教

結合圖文、語音、漫游、案例分析、虛擬演示、可控交互等方式，系統、直觀地介紹挖掘機的性能特點、結構原理和維修基礎知識，支持多視角、多方式的虛擬觀察和虛擬演示。以挖掘機輪式底盤為例，虛擬示教內容如圖3所示。

（1）挖掘機基本知識示教：講解其功用、分類、基本組成和主要參數等知識。

（2）挖掘機外部形態與組成結構示教：講解和演示挖掘機發動機、底盤、工作裝置的組成、特點、連接關系及動力傳遞路徑，學生可多角度、自主觀察所屬子系統的外部形態和組成結構。

（3）挖掘機典型部件工作原理示教：講解和演示發動機、底盤、工作裝置、液壓系統的工作原理，學生可多角度、自主觀察工作原理，并能進行工作過程控制[4]。

圖2 虛擬示教參考科目

1.1.2 在線技能訓練

構建虛擬拆裝、保養、維修等多種虛擬教學模塊，支持在線或離線方式，進行零部件分解裝配、總成維護保養、典型故障修理的在線演示、訓練和自主測試。保存訓練過程和相關數據，用于后期查詢、統計和分析[5]。以挖掘機輪式底盤為例，在線訓練內容如圖3所示。

（1）拆裝技能訓練：采取文字提示、虛擬演示、虛擬練習、可控交互等形式，對挖掘機的發動機、液力變矩器、變速器、離合器、傳動軸、轉向器、制動器、驅動橋、工作裝置等部件、總成進行虛擬分解和裝配訓練，使用戶通過反復的交互操作，熟悉部件的拆裝方法，理解部件結構組成及約束關系。

（2）維護保養訓練：根據挖掘機保養規程，運用文字介紹、語音提示、圖片強調、虛擬訓練等形式，對發動機、底盤等檢查保養內容、方法、時機、要求和基本程序進行訓練。用戶通過在線虛擬操作，重點進行檢查、調整、緊定、潤滑、清潔等內容和方法的練習。

（3）故障判斷與排除：通過現象模擬、文字介紹、動畫展示、故障樹推理、虛擬操作等方式，構建多自由度的虛擬訓練過程，開展發動機、傳動系統、轉向系統、制動系統、行駛系統的常見故障現象和故障部件的分析與排除訓練，以及綜合故障的分析與排除訓練，故障分析與排除過程中，能夠體現由外到內、由簡單到復雜、由常見到不常見等技術手段。

圖3 虛擬訓練參考科目

1.2 在線訓練平臺基本功能設計

基本功能是體現在線訓練平臺的應用載體。在線訓練平臺基本功能包括課程管理、資源管理、標準管理、運維管理、統計分析等模塊，形成功能強大、使用方便、結構嚴謹、界面友好、美觀大方的在線平臺。

1.2.1 課程管理

課程管理的目的是為了保證課程建設的適用性、準確性、規范性和高效性，課程信息發布的正確性、合理性和及時性，以及課程運行的穩定性、便利性、交互性，課程質量評估的客觀性。課程管理的主要功能如圖4所示。

圖4 課程管理主要功能

（1）課程上傳與管理

在線課程提供兩種上傳方式，一是基于成熟系統提供的在線課程框架進行內容模塊和方法組織的課程，老師可以通過專用接口上傳、控制課程內容與實施過程，實現網內示范直播、點對點實時輔導等，此類課程稱為“標準課程”；二是鏈接現有課程，課程上傳時只需提供鏈接URL和運行需求即可，此類課程稱為“外掛課程”。上傳完成后，老師可以對所上傳課程進行修改、刪除，也可以根據課程名稱、時間段進行查詢。此外，“標準課程”建設者可通過系統提供課程上傳接口，對課程內容進行更新、升級維護；“外掛課程”由課程建設者自己維護，系統只提供鏈接更新或存儲更新。

（2）課程審核與批準

課程審核是確保課程框架、內容、教學方法等準確、合理、適用、規范及運行穩定、可靠的關鍵環節。該工作由專業管理員完成，他需對上傳課程內容的政治性、專業性、適用性、實用性進行審核，通過審核確定課程是否上線發布、是否需要修改，對于存在問題的課程需提出修改意見或直接拒絕上線。

（3）課程計劃與預約

考慮到教學對象專業、崗位、知識基礎等多樣化，為不同專業、對象和層次的教學對象制定參考教學計劃，特別是針對部分存在老師與學生實時互動教學環節，或課程教學人數、上課條件存在限制的課程，需綜合考慮老師的授課時間和學生的學習時間、學習條件，進行課程預約或節次預約。在確保課程教學系統性的基礎上，提高教學運行的靈活性和合理性。

（4）課程運行與監控

課程運行是系統的核心功能之一，主要為系統內發布和列入課程教學計劃的課程提供技術、資源、設備等全面支撐。按課程上傳類型有所區別。對“外掛課程”只提供鏈接和問題反饋服務，對“標準課程”則提供插件下載、運行環境配置、在線點名、遠程交互控制、網內示范直播、點對點實時輔導、課內協同作業、在線考試等多種功能技術支持。課程運行過程中，相關運行數據被記錄與監控。

（5）課程微博與評估

每一門課程由課程組的主講老師開設一個課程微博，用于老師在線發布課程內容簡介、更新、課程預約、課后作業等信息，以及老師與學生、學生與學生進行在線交流。系統管理員、專業管理員根據課程開課頻率、教學效果、運行穩定性和學生選課率、學習狀態和考試成績，以及微博運行情況，定期對課程進行評估。按優、良、中、差、不合格等五級進行課程等級評定，對優秀課程在首頁開設專欄進行推薦、介紹，優良課程在專業課程目錄內進行標注和靠前排列。對開課少、學生選課少、運行不穩定、內容陳舊、錯誤多、技術和方法不合理的較差或不合格課程，提出修改意見或直接淘汰。

1.2.2 資源管理

資源管理主要用于對挖掘機模型庫進行管理，包括資源的分類、審核、在線創建、設計等功能，如圖5所示。

圖5 資源管理功能模塊

（1）資源分類與管理

按照挖掘機具體組成進行分類，包括發動機、底盤、工作裝置、上裝與輔助裝置，將三維模型進行歸類，形成相應的類別編號，便于查詢、統計和管理。

（2）資源審核與推薦

系統管理對上傳和共享的資源進行審核，包括資源的類型、格式、技術規格、內容正確性與完整性、適用性與合理性等，只有通過審核的資源才可能收納入系統資源庫，并為廣大老師、學生和管理者所用，確保系統內資源的有效性、安全性、實用性。

資源審核通過后，根據其使用頻率和評價情況，由平臺自動嵌入優良等級。對于制作精良、準確有效的資源，在平臺首頁進行資源推薦和簡介，幫助使用者盡可能找到和使用優質課程資源。

（3）資源在線創建與設計

在線資源創建包括構建虛擬教學環境和挖掘機各零件的在線設計兩種功能[6]。其中虛擬教學環境在線定制是指依據特定氣候、地理、環境，構建符合挖掘機駕駛和作業條件的虛擬教學場景，包括教學訓練設施設備、場地、氣候環境、器材、人員等，進而提高虛擬訓練的逼真感與流暢度。在線資源創建是指利用按鈕、圖片等UI元素，構建功能強大的三維模型編輯器，完成挖掘機各部分零件的三維模型設計，且兼容Solidworks、3D Max、Unity 3D等軟件。

1.2.3 運維管理

運維管理實現用戶、角色、權限、日志等管理以及數據維護等功能，如圖6所示。

圖6 運維管理功能模塊

（1）用戶與角色管理

系統對使用與管理人員進行角色與權限分級管理，按學生、老師、系統管理員等三類角色配屬不同的使用功能與權限。

學生：對象為各類課程學習者。學生實名注冊審核通過后，可以在系統內按課程教學計劃選擇、預約課程進行學習、考核，以及在課程微博內與老師、其它學生進行交流，也可在系統留言板內給系統管理員留言。

老師：對象為院校、培訓機構承擔教學任務的老師。老師實名注冊審核通過后，可以查閱相關課程內容體系標準；通過系統課程上傳接口上傳按系統課程內容及技術標準建設的課程，通過課程審核后可在線發布和進行教學；對自己新上線課程進行運行測試；組織課程考核及成績發布；與系統管理員進行交流。

系統管理員：系統管理員為系統建設和管理維護最高權限者，主要權限及職責為包括對老師所建設課程進行最終審核，并發布審核結果或修改意見；掌握和分析所有專業學生選課情況、學習情況、學習效果等；掌握和分析老師建課、開課情況及教學效果；制訂和維護總體課程內容體系及技術標準；建設和維護典型裝備數字模型、通用型虛擬教學資源和在線課程建設技術資源等課程建設資源。

（2）教學日志管理

主要用于記錄老師開課、在線教學、答疑和學生選課、上課、考核等教學相關信息，為進行課程、老師、學生評價提供參考依據，支持查詢、統計、分析等功能。

（3）在線交互管理

建立學生、老師、系統管理員進行溝通的渠道，通過直接交流或者系統留言板上留言等方式，給系統運行、管理和課程與資源建設提出意見和建議。

（4）數據維護管理

為保障系統安全、穩定，建立數據定期備份的軟硬件條件及機制，備份、恢復和修復系統數據。

1.2.4 統計分析

數據分析主要通過地圖、柱狀圖、餅圖、數據等多種形式，進行系統運行數據統計分析，用于幫助職業教育管理部門和系統管理員掌握在線課程建設、運行和課程教學效果等情況，為后續工作開展提供決策依據，統計項目如圖7所示。

圖7 統計分析功能模塊

（1）學生信息分布統計

對注冊、選課、學習的學生專業、崗位、類型、層次、單位分布等數據進行統計分析。

（2）學生選課信息統計

對學生所選課程類型、名稱、數量、時間等進行統計分析，便于掌握不同類型、專業和崗位學生的選課特點及學習興趣。

（3）學生學習情況分析

對學生開展所選課程的學習時間、進度、效果、成績等進行統計分析，為制定和調整課程教學計劃和進行課程評估提供參考依據。

（4）課程教學情況分析

按課程進行學生選課比率、開課情況、在線教學情況、在線互動情況、學生成績分布等進行統計分析，為進行課程評估、老師評估提供參考依據。

1.3 在線訓練平臺技術實現方案

技術架構是運行在線訓練平臺的可靠保障。在線訓練平臺的技術架構應該從硬件、軟件、技術等多角度進行設計和評判，著重考慮系統的穩定性、可靠性、安全性、可維護性、易擴展性以及開源、國產化、通用化、網絡化、體系化等訴求，旨在為構建穩定可靠、維護方便、性能穩定的網絡課程。

1.3.1 系統硬件組成

在線虛擬訓練課程采用BS架構，并利用客戶端VR/AR設備實現離線訓練，因此，系統至少應該包括服務器、客戶機等，典型課程的硬件組成如圖8所示。

圖8 虛擬訓練課程硬件組成

服務器分為三種類型，分別Web服務器、文件服務器和數據庫服務器。Web服務器對外提供網絡服務，用戶可以使用URL直接進行登錄、注冊、訓練等工作；文件服務器用于存儲和管理資源文件和相關課程、資源標準文件，包括課程建設所需的各種素材，如裝備、設備、儀器、工具、自然環境等三維模型、圖像、音頻等；數據庫服務器用于存儲和管理用戶信息和訓練數據，便于后期查詢、統計、分析訓練情況。HTC VR頭盔、愛普生智能眼鏡、華為AR眼鏡、微軟HoloLens頭顯均為虛擬訓練設備，用于較大型訓練項目離線下載后使用。

1.3.2 平臺邏輯結構

在硬件的基礎上，在線虛擬訓練課程平臺應按照的邏輯結構應該按照三個層次的方式組織，分別為基礎設施層、Web服務層、終端層，如圖9所示。

圖9 虛擬訓練課程邏輯結構

基礎設施層提供最基本的公共服務，包括網絡環境、物理服務器和數據庫。終端層包括HoloLens、華為、HTC、愛普生和瀏覽器終端。Web服務層提供網絡后臺服務，同時向網頁和VR/AR終端提供Web服務。隨著國產化和使用開源軟件的需求越來越迫切，在線虛擬訓練課程的應該以開源軟件和國產化為主，Web服務層以Tomcat為Web容器，Nginx為反向代理服務器，Java為主體開發語言，它們具有開源、免費、性能穩定、使用廣泛等特點。

1.3.3 系統軟件體系

從國產化、開源、免費、性能穩定、使用廣泛等要求出發，在線虛擬訓練課程軟件系統采用J2EE軟件體系架構，包括三層架構、MVC設計模式和SSM軟件架構相結合的設計方式。

（1）三層架構一般包括表示層、業務邏輯層與數據訪問層。表示層可采用JSP、HTML、CSS、Javascript、Bootstrap、Easyui、FusionChart、VUE等技術與語言。業務邏輯層由Spring框架進行管理，并通過Spring MVC與表示層進行關聯。數據庫訪問層由MyBatis進行持久化操作，并由MySql、達夢等數據庫進行存儲管理。

（2）MVC模式包括模型Model、視圖View、控制器Control，分別實現業務管理、界面呈現、跳轉控制等目的。其中Model一般可以對應于三層架構的業務邏輯層與數據訪問層，View與表示層基本相同，Control不處理具體業務邏輯，僅實現跳轉，可以由Servlet或Spring Control實現[8]。

（3）SSM，是Spring＋Spring MVC＋MyBatis的簡稱，它是MVC設計模式的一個具體應用和優秀代表[9]。

1.3.4 軟件開發工具

在線虛擬訓練課程以軟件開發為主，依賴于多種產品（工具、平臺和IDE），各種產品的名稱、版本、主要作用如表1所示[10]。

表1 在線虛擬訓練課程應用到的主要產品

1.4 在線訓練平臺考核等級劃分

訓練考核是檢驗和鞏固在線訓練平臺教學效果的鞏固手段?；谔摂M現實技術的支撐，課程考核可以實現多種方式，如理論考試、認知測試、流程性評價和分級分類闖關考核等。例如發動機維修的闖關考核，就可以在一定戰術或游戲背景下，設置多種綜合性關卡，將理論知識、訓練技能、實踐經驗融合在一起，進行綜合性考核評價，旨在通過為學生提供融合了沉浸感、挫敗感和成就感的在線闖關考核方式，提高學生學習的積極性、趣味性和自主性。闖關考核可以分為三個等級進行，一級技師、二級技師和三級技師三個等級，每一級又分入門、進階和提升三個階段。闖關考核的成績作為進入下一階段、更高等級學習的依據。

挖掘機輪式底盤各級考核內容參考如圖10所示。為闖關考核評估中，各級技師的參考考核內容，每級技師對應的入門、進階和提升三個階段的具體內容，可以根據實際情況進行調整，以靈活滿足考核要求。

圖10 闖關考核評估參考內容

2 挖掘機在線虛擬平臺實現案例

根據設計與分析，平臺基本功能，如課程管理、資源管理等，屬網絡開發范疇，與一般在線教學網站差別不大，核心功能為在線虛擬示教和技能訓練，核心功能主頁如圖11所示。主頁上方為功能模塊，左側為導航條，導航鏈接與模塊相一致。

圖12為工作原理模塊對應的子功能，包括發動機和底盤四大系統典型部件的工作原理。點擊“發動機”，進入發動機工作原理示教模塊，如（a）所示。（b）為拆裝訓練模塊的變速器組裝練習初始狀態，該狀態下，變速器殼體位于組裝臺上，其余零件位于工作臺和抽屜中，練習者可以根據提示或經驗裝配變速器。（c）為維護保養模塊中每班保養的檢查連接件狀態截圖。（d）為故障排除模塊的轉向系統故障分析判斷與排除階段狀態。

圖11 某型挖掘機虛擬示教與技能訓練“工作原理”頁

圖12 某型挖掘機虛擬示教與技能訓練部分科目

3 小結

利用虛擬實驗室開展實驗教學能有效降低實驗成本、擴大受益面、實現資源共享[11]。根據《關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2015〕24號）要求，筆者單位對某型挖掘機在線虛擬仿真平臺進行設計和研發[12]，經過相關部門檢驗和測試，本文設計方案和實現平臺均符合國家虛擬仿真實驗教學中心建設要求。

[1]張偉平，陳夢婷，趙曉娜，等. 教育信息化2.0時代課堂教學新生態的構建[J]. 蘇州大學學報（教育科學版），2020，8（1）：9-17.

[2]賀文香，楊毅，付志慧，等. 一種類MOOC課堂在線學習系統方案[J]. 云南民族大學學報（自然科學版），2016，25（5）：447-451.

[3]魏芳芳，魏順平，吳淑蘋. 面向在線教育的學習分析云平臺的構建與應用——以國家開放大學為例[J]. 河北廣播電視大學學報，2018，23（5）：19-25.

[4]馬錚，龔福明. 1+X證書制度下高職院校課程體系重構探析——以汽車檢測與維修技術專業為例[J]. 武漢交通職業學院學報，2019，21（4）：51-57，68.

[5]李雙喜. 對工程訓練實訓示范中心設備管理與維修的幾點思考——以安徽科技學院省級工程實訓示范中心為例[J]. 中國現代教育裝備，2012（23）：24-26.

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[11]周世杰，吉家成，王華. 虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015（9）：5-11.

[12]金忠慶，李立新，韓艾洋. 某型橋梁架設系統維修模擬訓練平臺設計[J]. 機械，2016，43（1）：52-55，76.

Design and Implementation of Online Virtual Simulation Platform for a Certain Excavator

SUN Zhidan，WANG Haitao，ZHAO Huachen，ZHAI Shiqi

(Army University of Engineering, Nanjing 210007, China )

Taking an excavator as an example, the design and implementation method of an online virtual simulation platform system is explained. The platform design includes four aspects: training content planning, basic function design, technical realization plan and assessment level division. The training content is planned from the two perspectives of online virtual teaching and skill training, and the excavator chassis is taken as an example to further explain the specific knowledge points; the basic functions of the platform are explained from the courses, resources, operation and maintenance, statistical analysis and other perspectives; the technical implementation plan is described from the hardware, software and other aspects; the assessment levels and the capabilities that each level is expected to have are divided into three levels. Finally, some parts of the interface of the platform are shown and briefly explained.

excavating machinery；virtual simulation；online teaching；design and implementation

TH17

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.007

1006－0316 (2021) 02－0049－09

2020－08－21

孫志丹（1978－），男，江蘇洪澤人，碩士，講師，主要研究方向為工程機械運用、保障和虛擬仿真等，E-mail：952160378@qq.com。