基于虚拟实验技术的实训系统设计

张 宝，崔晓宁

（1.四川中烟工业有限责任公司绵阳卷烟厂，四川 绵阳 621000；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000）

1 引言

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，令实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。鉴于目前大学教育以注重理论知识为主的现状，企业招聘的员工很难直接上岗，也无法通过相关职业鉴定培训培养出技术骨干，所以依靠自己的培训部门和专家队伍，紧密结合生产实际开发出实用的虚拟技能培训系统显得尤为重要。运用虚拟实验技术建立实训系统，以3D漫游、实时动态演示等方式，提供给学员直观的设备动态运行过程，并实现可根据需要任意模拟拆卸、组装设备的演示功能，提高技能培训的效果。

2 国内外研究现状

虚拟实验系统诞生于虚拟实验室的研究，并以其广阔的应用前景引起了大批科学家的关注和重视。目前，各国都在对其进行大力研究和开发，而且在一些关键技术方面已经取得了显著的成效。国内外有许多研究机构和组织在对虚拟实验系统开展研究和建设工作，特别是在一些著名的大学和虚拟实验室中，已经建成许多虚拟实验系统并应用于各行各业。

美国政府从20世纪90年代起，开始在物理学、分子生物学、海洋学以及核科学等许多科学领域投入巨大财力，以支持建造出各自的虚拟实验系统作为示范性工程，展开了对虚拟实验技术的一系列探索性研究，并取得了许多实质性的进展。美国霍华德·休斯医学研究会（Howard Hughes Medical Institute，简称HHMI）建立的虚拟实验室[1]是完全交互式的模拟生物医学的实验室，HHMI的虚拟实验室包括辨别细菌实验室、心脏病实验室、神经生理学实验室、虚拟的酶连接的免疫吸收剂化验（ELISA）实验室、基因改造昆虫实验室。每个虚拟实验室都有特定的训练目标，当学生在场景中操作虚拟实验时，系统将给出相关指令帮助他们学习不同的课程。新加坡国立大学在远程控制实验方面取得很大的成果，其电子工程系开发的用于工程教育的虚拟实验室[2]，目前已经包含了如2D和3D示波镜实验、带耦合的水槽设备控制实验等六个实验。使用者通过网络操作真实的实验设备，应用视频与音频反馈，通过视频会话系统，可以一边调整实验界面的实验参数，一边观看远程设备运行后的实验结果。澳大利亚塔斯马尼亚大学Christine Booth等人建立了酶动力学自适应虚拟实验平台[3]，以交互方式传授乳酸脱氢酶动力学的相关实验技能，创建了一系列的电子学习方法，实现互动教学以及教学效果评估。

随着虚拟实验技术的不断向前发展，国内许多重点院校和科研机构的专家与学者都积极投入到该领域的研究。四川大学针对生物实验教学建立虚拟实验室[4]，其中包括生理实验室、药理实验室、病生实验室、人体实验室、综合实验室等，整个虚拟实验室共涉及40多个仿真技能学实验，让学生们通过虚拟实验将理论知识应用于实践。浙江大学电气工程学院设计开发的远程虚拟实验系统[5]，利用网络技术，将一系列真实实验设备接入互联网，从而组成一个完整的远程实验系统，实现了远程实验和实验设备共享。国内许多其他著名大学也开展了虚拟训练系统和虚拟实验系统的工作。总之，虚拟实验系统正朝着网络化、专业化、智能化等方向大力发展，并将普及到各个领域。运用当今快速发展的计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术等，将开发出许多更加逼真、交互性更强、实验内容也更加精彩的虚拟实验系统。

对于电气工程师而言，不断接受技能培训能有效提升其业务技能水平，提高团队对设备运行的保障能力。在常规的技能提升过程中，实操训练往往因硬件投入经济成本巨大、实操培训课时较短、培训时间较为固定且不连续等诸多条件的限制，在很大程度上影响实操培训质量。引入虚拟实验技术的实训系统对于培训人员可以突破时间，地域及设备的限制，从而极大的缩减实训成本投入。虚拟环境令培训项目更加直观、生动，学员自己就可以评价自身的培训效果，提高培训效率。同时在虚拟环境下的训练，有效规避了在生产线现场由于操作不当发生安全事故，减少经济损失。本系统融合教学、实验、培训等功能，并且具有完成培训功能所需的软件平台，可适用于电气工程师技能训练和技术更新科研实验。

3 系统组成

本系统以卷烟厂模块化物流生产线实训系统为硬件依托，利用虚拟实验技术模拟烟草模块化物流生产线，实现对电气工程师在生产线上的实训以及技术实验研究等功能，并能最大限度地模拟烟厂实际生产中的制丝、包装、分拣、物流、入库等环节，用于卷烟厂电气工程师技能训练和技术更新科研实验。模块化物流生产线实训系统如图1所示。

图1 模块化物流生产线实训系统

软件系统包括：系统的窗口显示界面，系统静态教学，虚拟设备动态培训，将所有功能整合到一起，形成适用于电气工程师技能培训的虚拟培训系统。软件系统结构如图2所示。

3.1 系统显示界面

系统的窗口显示界面是通过VS软件利用C语言开发系统的运行环境，是整个培训系统的人机交互界面，界面设计追求简洁明了，逻辑分明，人机交互环境友好，如此才能提高用户的虚拟培训体验，同时提高培训效果。

图2 软件系统结构

窗口显示界面设计的主要工作放在用户界面（UI）设计上，一个优质的UI框架能够快速提升软件开发效率。在软件开发过程中没有UI框架容易导致的问题有：多场景反复出现相同的UI窗体将造成在场景中反复加载该UI窗体，无形中增加工作量；各个UI脚本之间数据交互，容易出现紧耦合的情况，导致项目的可复用性降低；当出现多个弹出窗体叠加的现象时，开发人员需要手动维护窗体间的层级关系等等。因此，UI框架设计显得尤为重要，主要包括：UI窗体的自动加载、缓存以及窗体状态管理机制。UI框架设计的主要目的就是尽可能完成一些与具体功能逻辑无关的底层事务性功能。UI窗体的自动加载令这些功能自动或半自动实现，窗体状态管理机制实现对UI窗体自身状态（生成、加载、显示、缓存、销毁等）有机的管理。UI框架的应用使得用户界面层次合理，提高了显示界面设计的效率。

3.2 系统静态教学

系统静态教学是综合了维修电工基础理论知识，通过系统各个模块的三维模型，以文字、声音、视频等形式，实现知识简单易懂，演示效果生动形象，对维修电工进行初级教学，其系统培训包括：

（1）传感器技术培训。传感器技术培训包括电感式传感器、光电式传感器、霍尔传感器、流量及压力、称重传感器、电容式传感器、漫反射型传感器等多种类型传感器的应用实训，能够完成对条码识别器的配置及条码识别器与PLC间通信的训练。

（2）气动技术培训。气动技术培训要完成对多种电控气动阀、气缸、气动夹爪、过滤调压阀、无杆气缸等设备的虚拟应用实训。

（3）PLC技术培训。PLC技术培训包括输入/输出接口接线端子连接，各个站点之间的网络实现连机分布控制，能够完成Allen-Bradley及西门子PLC软件的编程、阅读、应用及训练。

（4）电气控制系统培训。电控部分全部按照工业标准和习惯进行设计，各个传感器接线端口都标号插接式对外连接，能满足电气测绘训练的要求。

（5）机械系统拆装调试培训。系统可以让员工将机械部分进行拆装，也可按照提供的组装图纸和电气图纸进行组装搭建重装，并且调试至系统可正常。本系统机械部份采用移动式设计学员可将移动式模块重新组合成工艺流程各不相同的各种系统。

（6）电机驱动技术培训。系统上配备有变频电机、直流电机、伺服电机等，系统配带有一套变频调速模块及数套伺服驱动模块，可练习各种电机驱动技术。能够完成Danfoss变频器的配置、PLC与变频器的通信、PLC对变频器的远程控制等方面的训练。

3.3 虚拟设备动态培训

虚拟设备动态培训是维修电工的高级技能培训，主要包括各个模块在线操作、PLC编程培训、虚拟PLC仿真系统应用、各接口通信模块配置、机器人控制系统培训等，将Maya制作好的模型导入Unity3D，利用Unity3D软件，添加必要的动作、声音及脚本等，并对模型进行渲染，构建虚拟培训平台。其主要工作包括：

（1）建立系统运行场景（UI界面设计）。Unity作为游戏引擎在虚拟产品市场上的占有率接近80%，它具有优秀的游戏化UI，但是作为物流教学仿真产品的界面展现，更需要业务系统的UI。游戏化的UI适合单独功能展现，而业务系统的UI更侧重数据间的逻辑与分析的展现，所以UI界面的设计需要分成两部分处理：对于一些简单的界面，比如系统的模块选择菜单，静态知识教学界面采用Unity自带UI系统设计实现；对于复杂化的人机交互界面采用业务系统的UI，此UI是利用VS与Unity及Sokcet通信建立起来的界面，符合业务系统的功能要求。

（2）创建模型的动画、声音（U3D动画系统Me-canim的应用）。Mecanim是Unity提供的一个丰富而复杂的动画系统，包括：创建人形角色的简易工作流和动画的能力；Retargeting(运动重定向)功能—即把动画从一个角色模型应用到另一个角色模型上的能力；一个用于管理动画间复杂交互作用的可视化窗口；通过不同逻辑来控制不同身体部位的运动能力等等。整个动画系统的设计遵循Mecanim的工作流程，详情如下：

①资源的准备，主要通过Maya完成三维建模并将其导入使用。

②角色设置，人形角色的建立是Mecanim通过扩展的图形操作界面和动画重定向功能，为人物模型提供了一种特殊的工作流，其中包括Avatar的创建和对肌肉定义的调节。

③角色的运动，其中包括设定动画片段及其相互间的交互作用，也包括建立状态机和混合树、调整动画参数以及通过代码控制动画等。

（3）编写模型与场景交互的脚本（itween设计）。Itween是一款比较成熟的Unity3D动画效果的插件，能够平滑的表现三维模型从一种变化（如平移）到另外一种变化（如旋转）的过程，还可以选择不同的动画曲线，以实现不同的视觉冲击。Itween内部存在许多已经写好的类库，可以轻易的实现物体的旋转、缩放、移动、褪色、上色等，这对于模型与场景的交互开发有很大的帮助。图3是经过Unity处理后截图。

（4）解决系统通信问题。虚拟培训系统的培训界面是在Unity3D开发环境下完成窗口界面开发，软件本身的UI界面与Unity通信通过TCP/IP协议实现，与硬件系统的信息交互要通过OPC协议标准，在OPC服务器Rslinx中建立硬件系统的数据库[6]，将Unity3D的工程当作客户端进行信息交互。硬件平台主要以工业以太网及DeviecNet与底层的硬件建立通信，具体如图4所示。

Unity3D作为开发平台拥有丰富的功能模块，尤其它在图形界面处理方面的优势使得虚拟技术可以很好的融入到培训系统中，使得培训人员可以突破时间、地域及设备的限制，极大的缩减培训成本投入；虚拟实验环境令培训项目更加直观、生动，学员自己就可以评价自身的培训效果，从而提高培训效率；在虚拟实验环境中的训练，有效规避了在生产线现场由于操作不当发生安全事故，降低安全事故发生，减少经济损失。

图3 Unity项目截图

图4 系统网络简图

[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]解丽芳,林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理,2014,31(9):114-115.

[5]葛佳欢,朱善安.基于Modelica的虚拟远程实验室[J].计算机应用,2012,32(2):585-588.

[6]李长安.基于opc的c#与rslinx通信程序设计[J].硅谷,2012,5(14):56-59.