工程机械虚拟仿真实验教学平台设计

王龙庭，石永军，姜 浩，徐兴平，盖永革，陆富荣

工程机械虚拟仿真实验教学平台设计

王龙庭，石永军，姜 浩，徐兴平，盖永革，陆富荣

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580）

设计了一种基于计算机网络和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台。该平台的硬件部分由仿真虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真机械运动平台、信号感应模块和LED显示模块等部分构成；软件部分涵盖系统时域数据信号的分析及频域特征的研究。该平台可以实现用户操作、场景虚拟及场景选择等多种实验教学功能，并且采用了功能性更强的UGNX虚拟仿真技术，以提高虚拟教学平台的功能性和数据共享性。该平台的功能性表现优于传统实验教学平台，数据处理的响应值变动更小、效率更高。

工程机械；虚拟仿真；实验教学平台；UGNX

互联网与计算机虚拟仿真技术的发展，为工程机械类专业的教育教学提供了一个全新的途径，也使基于网络的虚拟实验教学和远程教育得以实现[1-4]。为满足工程机械类专业的教育教学与科技创新的需要，实现教育资源平台化共享，本文设计了一种基于互联网的虚拟仿真实验教学平台，利用网络实验设备的联通性，建立计算机网络与工程机械实验设备之间的关联，基于互联网实现教学平台与实验设备的资源共享，提高工程机械实验教学平台的可拓展性和可维护性[5-7]。

1 工程机械虚拟仿真实验教学平台的总体架构

本文设计的基于互联网和计算机虚拟仿真技术的实验教学平台，将理论分析与实验教学融合于一身，能够从理论和实践的双重视角分析工程机械运动的原理，利用虚拟仿真实验平台实现工程机械理论与实践的统一，为工程机械专业教学活动提供了一个动态化、智能化、交互性的教学与实验环境[8-9]。该虚拟仿真实验教学平台能够通过视频、图像等方式将机械设备的工作过程进行动态化展现，产生更加直观和生动的教学效果，使学生更容易掌握工程机械运动的原理。

依托于互联网和大数据的计算机仿真平台的突出特点是智能化，可以提供更多种类的教学模式和实验模式；在交互性的表现方面具有强大的AI性能[10-11]，易于教师与学生的互动和交流，学生在选择性学习方面有了更大的自主性。由于虚拟仿真实验教学平台的教学资源由网络和大数据平台提供，一方面可以保证所提供的工程机械模型的科学性、时效性和多样化，能够应对不同方向的教育教学任务；另一方面也提高了教学资源网络的共享性和开放性，节约了教育教学成本。

本文设计的基于网络与计算机虚拟仿真技术的工程机械实验教学平台，是在工程机械设计与机械运动原理的基础上，结合计算机仿真技术和多媒体技术，以更为直观和透彻的方式展现工程机械设备的工作原理。它改变传统实验教学平台中过于抽象和单一的表现方式，具有更好的交互性和实验教学效果。计算机虚拟仿真实验教学平台作为一种新型教育教学系统和媒介，为工程机械实验教学提供了一个高效、稳定和经济的教学方式。该虚拟仿真实验教学平台的最大特点是以虚拟3D的方式呈现，可以在虚拟与现实之间进行转换，是多媒体VR技术在教学中应用价值的体现[12]。学生和教师都可以以用户的身份登录该平台，基于输入/输出设备向虚拟实验平台传达指令并获取相关的结果，反馈的结果包括视频输出、图形输出和文字输出等不同的形式。平台还能够依据登录者的要求提供更加完整的实验数据、实验图形及工程机械各种参数变化曲线拟合等。工程机械虚拟仿真的实验教学平台总体框架设计如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学平台的总体框架设计

工程机械虚拟仿真实验教学平台总体框架主要由平台信息导入模块、实验教学虚拟交互系统和平台信息导出界面等3部分构成。工程机械虚拟仿真指令从输入界面导入，用户的指令需要转换为虚拟的计算机语言并进入虚拟仿真实验教学系统。虚拟交互系统是虚拟仿真实验教学平台的核心模块，按照用户的指令提供平台控制功能、场景虚拟功能、场景选择功能及各种指令操控功能。平台信息导出模块将实验教学虚拟交互系统模块计算和处理过的数据信息、仿真模型以图像或视频的模式显示出来，从理论和实践两个视角展现工程机械运动的过程和基本原理。

2 虚拟仿真实验教学平台的基础硬件设计

工程机械虚拟仿真实验教学平台由硬件系统和软件系统两个部分构成，其中硬件部分是实现虚拟仿真系统基础功能的前提和保证，也是软件功能得以实施的实物载体。虚拟仿真实验教学平台的硬件模块结构设计如图2所示。

图2 工程机械虚拟仿真平台的核心硬件模块设计

用于工程机械虚拟仿真的实验教学平台核心硬件模块包括虚拟上位机、信号控制模块、信号驱动模块、仿真运动平台、信号感应模块和LED显示模块。当用户开始操作平台时，信号模块会将用户的要求和信息以控制信号的模式导入驱动模块，同时虚拟上位机系统参与协同控制，共同控制虚拟仿真平台的工作与运行。虚拟仿真实验教学平台除了具有必要的电机结构、联轴器结构、台体结构、电控装置及运动结构之外，还通过编码器、光栅尺、传感器等与上位机系统连接，以虚拟现实技术为依托，实现工程机械实验教学平台系统的更新与变革。工程机械虚拟平台系统依靠编码器、传感器等读取用户的指令信息，再利用信息控制模块及平台的电控装置，传导信号、输出指令和导出实验教学用的相关数据和虚拟模型。

3 实现流程与关键技术

工程机械虚拟仿真实验教学平台的系统软件程序设计，与系统整体框架设计及硬件模块设计相匹配，平台的各软件模块都围绕着工程机械设计的基本理论展开。平台软件的实现流程包括系统用户时域信号的分析和系统频域特征的分析，最终通过对用户需求的分析和平台虚拟程序的运转，输出各类工程机械工作原理视频或图片，以达到提高教育、教学效果的最终目的。

平台启动后，用户按照自己的教学需求和平台使用规则载入原始数据，并开始进行数据转换，提取符合工程机械标准的性能指标值及相关数字信号的空间坐标值。系统的软件模块和软件实现流程能够以程序的方式写入平台系统，也可以按照用户的需求及工程机械的基本原理进行修正，以呈现出不同的信号频域特征和工程机械模型，用于工程机械虚拟仿真实验教学平台的软件系统工作流程（见图3）。

图3 工程机械虚拟仿真平台软件实现流程

在工程机械虚拟仿真实验教学平台的实际应用中，本文采用的UGNX虚拟技术，能够导入各种3D模型制作软件，具有更加良好的适配性和兼容性。在虚拟仿真实验教学中，软件程序的设计主要基于UGNX虚拟技术来实现，包括3D建模、3D渲染和仿真教学模型的优化。利用UGNX虚拟技术进行工程机械仿真实验教学，基于UGNX技术优化虚拟仿真实验教学平台的系统属性和软件实现流程，并按照用户的需求模拟真实的工程机械设备进行场景的选择与设定，添加各种属性和行为。

虚拟仿真软件程序在UGNX内创建并内嵌于虚拟仿真实验教学平台之中，实现工程机械的3D建模。创建仿真程序需要对原始的数据信号进行标准化处理及虚拟场景的交互，导入机械设备模型的三维数据，其中工程机械设备的格式是以系统插件的形式完成的，在数据信号格式的转换中，基于网络和校园内部浏览器向平台输出相关的实验教学数据，确定虚拟仿真实验教学的实施路径，并将最终的虚拟仿真结果以视频或图像的形式更为直观地展现出来。

在工程机械虚拟仿真实验教学中，为了提高三维展示的直观性，工程机械内部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技术将不同的零件辅以不同的颜色，在实验教学中有助于使用者更为细致地观察工程机械的运行原理，认识各个内部零件之间及与设备整体的逻辑关系。与传统的工程机械类实验平台相比，本文设计的仿真实验平台，在仿真的直观性、准确性、交互性及实验课堂教学效果方面都具有较大的优势。特别是在平台系统交互性能方面，利用UGNX技术平衡虚拟仿真平台总体的架构与节点安排，使工程机械设备结构的各种特性都能够全面地展示出来，显著提高教育教学的交互性与智能性。

4 实证结果与分析

4.1 虚拟平台的功能性验证

首先验证虚拟仿真实验平台的功能性。采用问卷调查的方式对使用了平台的师生进行问卷调查，对于文中提出平台设计的满意度问卷调查统计情况如表1所示。

表1 虚拟仿真平台功能性问卷调查分析

问卷调查结果显示，各专业教师和学生对于虚拟仿真平台的满意度均在95%以上，说明文中提出的虚拟仿真平台相对于传统平台具有良好的功能性和实用性，能够获得更好的实验教学效果。

4.2 虚拟仿真平台的性能验证

教学实验平台的信号响应值是衡量系统平台性能的重要指标，信号响应值越小则证明实验平台的信号响应越快速、性能越强。本文以车辆工程专业教学中的底盘设计为例，分析传统实验教学平台和虚拟仿真实验平台的信号传输响应值分布情况。系统运行环境及相关的参数设定如表2所示。

表2 平台运行环境及相关参数设定

在表2的实验条件下，验证了工程机械虚拟仿真实验教学平台在车辆底盘设计模拟过程中的信号传输响应值分布，如图4所示。

从图4工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值变化曲线能够分析出，该基于互联网和大数据的工程机械虚拟仿真实验教学平台的信号响应值被控制在±1.0之内，最高值和最低值分别为0.65和–0.65。从实验结果可知：本文设计的虚拟仿真实验教学平台在系统响应时间上更有优势，尤其是在复杂三维建模中可以提高仿真教学的效率和效果。

图4 文中虚拟仿真实验平台的信号响应值变化情况

5 结语

为实现教学资源的整合与资源共享，基于VR技术、UGNX技术和网络大数据建立虚拟仿真实验教学平台具有重要的现实意义。工程机械虚拟仿真实验教学平台为实验教学提供了一种全新的途径，在专业课程实验教学中发挥了重要作用。在未来虚拟仿真教学平台的设计与发展过程中，要使平台的功能性更加趋于完善，使软件操作更为便捷，在信号处理及数据处理算法设计等方面加以完善，从而提高视频图像的精确性和直观性，强化学生群体对于抽象工程机械运动原理的理解和运用。

[1] 刘军，施晓秋，金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学，2017(1): 74–78.

[2] 马勇，查国翔，王聪.电力电子教学虚拟仿真实验平台的搭建与研究[J].现代电子技术，2017, 40(12): 63–65.

[3] 马哲明，安鹏.基于社会化网络资源的网络营销教学信息平台构建研究[J].情报科学，2017, 35(12): 90–95.

[4] 王德利，汤海峰，孟威，等.数字化实验教学平台的构建[J].实验技术与管理，2014, 31(12): 152–154.

[5] 郑钰馨，奚鹰，袁浪，等. RV减速器动力性能综合检测试验平台设计[J].中国工程机械学报，2017，15(6): 536–541.

[6] 万一品，贾洁，宋绪丁.装载机工作装置动力学仿真与试验研究[J].计算机仿真，2017, 34(7): 184–187, 268.

[7] 魏亮，李蓉，吴正东，等.基于SDN/NFV的未来网络实验平台[J].电信科学，2017, 33(4): 39–47.

[8] 蒋文贤，周雅琴，吴晶晶.异构无线传感器网络测试平台研究综述[J].信息与控制，2018, 47(4): 428–436, 447.

[9] 王荣，王建新，陈向，等.面向异构资源集成的数字图像实验平台[J].计算机工程与应用，2018, 54(15): 185–191.

[10] 梁童，赵培，胡凯，等.深度覆盖网络智能设计审核平台研发与应用[J].电信科学，2018（增刊1）: 196–205.

[11] 刘佑达，王雪，崔粟晋，等.基于分布式传感网络的在线智能用电谐波源定位[J].仪器仪表学报，2017, 38(1): 1–7.

[12] 钟正，陈卫东.基于VR技术的体验式学习环境设计策略与案例实现[J].中国电化教育，2018(2): 51–58.

Design of experimental teaching platform for virtual simulation of engineering machinery

WANG Longting, SHI Yongjun, JIANG Hao, XU Xingping, Gai Yongge, LU Furong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

A virtual simulation experimental teaching platform for engineering machinery based on computer network and big data is designed. The hardware part of the platform consists of simulation virtual host computer, signal control module, signal drive module, simulation mechanical motion platform, signal induction module and LED display module. This platform can realize the user operation, scene virtualization and scene selection and other experimental teaching functions. It also uses UGNX virtual simulation technology with stronger functions to improve the functionality and data sharing of the virtual teaching platform. The functional performance of the platform is better than that of the traditional experimental teaching platform, and thee response value of data processing changes less with higher efficiency.

engineering machinery; virtual simulation; experimental teaching platform, UGNX

G647

A

1002-4956(2019)09-0116-04

2019-02-18

中央高校基本科研业务费专项资金项目（19CX02025A）；中国石油大学（华东）校级重大教学改革项目（JY-A201803）；中国石油大学（华东）教学实验技术改革项目（SZ201811）；中国石油大学（华东）校级教学改革项目（JY-B201830）

王龙庭（1983—），男，江西吉安，硕士，实验师，主要从事油气装备工程、油气安全实验教学与科研工作。

姜浩（1977—），男，黑龙江哈尔滨，博士，副教授，主要从事计算机测控、机电液控制领域的教学及研究工作。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.029