基于VR技术的网络综合布线虚拟实训平台的设计研究

徐媛 崔学鹏

摘要：根据网络综合布线课程的教学内容及技能要求，设计了网络综合布线VR虚拟实训教学平台。平台分为机房布线、楼宇布线和园区网布线3个系统和8个子系统，依托虚拟现实开发技术，综合运用3Ds max建模技术、三维动画设计技术、flash二维动画技术、Unity 3D交互设计技术等技术手段，在每个子系统下设置学习模式、操作模式和考核模式。平台的使用可以节省耗材损耗、降低实操风险，有效提升网络綜合布线课程的实践教学效果。

关键词：网络综合布线; VR 虚拟实训; 教学平台

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0075-02

随着虚拟现实技术的飞速发展和应用的日益成熟，各种类型的虚拟实训系统丰富和改进着高校的课程教学和实训环境。然而，在计算机网络技术专业的课程教学中，虽然有像GNS3、Cisco Packet Tracer等仿真、模拟软件，但都是针对软件层面的配置模拟。而针对网络搭建中涉及硬件设备安装、布线等技能的实操训练则没有合适的仿真环境。结合VR技术的高仿真、沉浸式、交互性等特点，本项研究设计实现了网络综合布线VR虚拟实训教学平台。该平台可提供真实感的综合布线实训环境，学习者能直观地观察、学习、训练各个实训操作环节，有效改善学习效果。

1 现有网络综合布线实训室概况

目前，国内各高职院校常见的网络综合布线实训室大多引进成套的网络设备、实验墙和部分厂商的虚拟软件，造价动辄几十万乃至上百万，使用时还存在一系列问题。例如在实训教学过程中，教师一边讲解一边操作，会有一部分注意力不集中的学生观察不到老师实际操作的细节，在实训过程中错误百出;每次的实训操作都会耗费大量的光纤、管线、网线、水晶头等一次性实训耗材，尤其是在学生对设备操作方法不熟练的情况下，由于错误操作可能会造成设备损坏，甚至出现安全风险。因此，很多高职院校的综合布线实训室利用率不高，大多只是起到演示或验证作用，课程教学和实操训练脱节，难以实现教学做一体化。

2 网络综合布线VR虚拟实训教学平台整体设计

2.1 平台整体功能设计

综合布线系统是建筑物内或建筑物群之间的模块化、灵活性极高的信息传输通道。《综合布线规范》（GB50311-2016）规定：综合布线系统包括建筑群子系统、干线子系统和配线子系统。

根据综合布线工程内容及技能点训练要求，网络综合布线VR虚拟实训教学平台以机房布线、教学实训楼布线、数字校园网络搭建三个学习情境为主线，围绕网络综合布线工程项目的进度要求选择和组织实训内容，让学生在网络工程整体方案设计的基础上掌握必备知识和操作要领。平台中的虚拟实训环境，设计了包括机房布线、楼宇布线、园区网布线三个工程项目。

2.2  平台总体框架设计

根据网络综合布线课程的教学内容及技能要求，网络综合布线VR虚拟实训教学平台分为三个系统：机房布线系统、楼宇布线系统和园区网布线系统，每个系统又细分为2到3个子系统，平台总体框架如图1所示。

机房布线系统可以实现网络线路端接、布线路由设计及器件安装等实训内容，分为端接子系统、布线设备子系统和工作区子系统。其中，端接子系统实训内容包括网线接头制作、光纤熔接、光纤端子安装、配线架压接线等;布线设备子系统实训内容包括布线路由设计、桥架及管线安装、网络机柜安装等;工作区子系统实训内容包括信息模块安装、跳线制作与测试、线路标签制作等。

楼宇布线系统可以实现综合布线中水平子系统、垂直子系统和管理间子系统的相关实训内容。其中，水平子系统主要包括水平布线路由设计、桥架安装以及布线施工等实训内容;垂直子系统主要包括垂直布线路由设计、布线设备安装及布线施工等实训内容;管理间子系统主要包括配线设备安装、线路标签制作等内容。

园区网布线系统可以实现建筑物之间的线路设计、布线施工等内容，分为设备间子系统和建筑群子系统。其中，设备间子系统主要包括机柜选型、设备间配线设备安装等内容;建筑群子系统主要包括建筑间布线设计、布线设施安装、布线施工等内容。

2.3平台技术优势

网络综合布线VR实训教学平台主要依托虚拟现实开发技术。在制作场景、设备、工具、耗材等组件及实物模型时，采用三维制作工具3Ds Max，制作过程严格按实物的比例、颜色材质进行三维重构，呈现了高仿真的实训场景，让学生产生临场感和沉浸感。平台选用Unity 3D实现虚拟漫游及交互功能，并最终通过Unity 3D发布到Windows桌面端。良好的用户界面设计和逻辑关系设定增强了平台的交互性和操纵性，可以给学生提供生动、逼真的实训环境，让学生在有限的时空内得到无限的虚拟体验，通过反复操作不断巩固和提升技能水平。

3网络综合布线虚拟实训平台实现技术分析

在平台的具体制作时，综合运用3Ds max建模技术、三维动画设计技术、flash二维动画技术、Unity 3D交互设计技术等丰富的技术手段，使学生在进行真实的综合布线操作之前，具备一定的感性和理性认识，有利于学生的自主学习和探究学习。

3.1 虚拟实训环境建模设计

综合布线虚拟实训环境主要包括楼宇建筑室外表现、楼宇室内的门、窗、墙面、电脑桌椅及照明设备等静态模型。通过3Ds Max中的编辑多边形等命令实现建模，建模过程中遵循VR场景建模要求，尽量降低模型面数以确保场景文件适合实时渲染的需求。通过实拍照片结合PS处理作为模型贴图使用，以提高模型仿真度。将模型场景导出成FBX文件，再导入Unity 3D场景中，进一步处理光照效果、材质特效及环境等要素。

3.2 虚拟实训对象建模设计

综合布线虚拟实训对象即各种布线器材，如线缆、剥线钳、打线钳、配线架、机柜、线管等，数量多且结构形状各不相同。在3Ds Max中建模时，对于一些表面结构复杂的对象，尽量创建低精度模型，以实拍照片做漫反射贴图并处理成法线贴图、高光贴图等，赋到材质球相应贴图通道并设置融合程度，从而实现高仿真的细节结构，并有效降低场景规模、提高渲染速度。

3.3 虚拟实训操作动画设计

综合布线虚拟实训中的操作性内容需要先学习其操作流程，适合的学习方式是先观看操作视频或动画，再实际操作。因此，平台采用3Ds Max的动画制作技术，将诸如双绞线制作、光纤熔接、光纤端接、布线等技术以动画形式呈现，并导入到Unity 3D场景中作为学习内容，通过设置GUI交互界面按钮，学习者可以选择某个动画并反复观看。

3.4 虚拟实训界面交互设计

综合布线虚拟实训中的系统切换、场景转换、交互界面、操作及考核模式等内容都需要进行交互设计，可采用Unity 3D虚拟现实开发引擎制作实现，通过摄影机设置、GUI用户界面设置及脚本语言来实现各种交互控制效果。

4 结束语

本研究设计的网络综合布线虚拟实训教学平台以三维模型模拟真实环境，学习者可以反复练习而不用担心网络线缆、配件和设备等器材损耗，节省大量资源，规避安全风险;同时，通过本平台可以实现一人一机，满足正常教学和实训需求;所有学生可同时学习、独立与环境交互、对实验过程实时操控、反复观看，观察体验效果更加真实，有效提升实践教学效果。

参考文献：

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[4] 陈军，蔡金玲.基于Unity3D三维多媒体课件的设计与制作[J].现代计算机：专业版，2015（34）：64-67.

【通联编辑：光文玲】