某型挖掘机在线虚拟仿真平台设计与实现

孙志丹，王海涛，赵华琛，翟仕奇

某型挖掘机在线虚拟仿真平台设计与实现

孙志丹，王海涛，赵华琛，翟仕奇

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

以挖掘机为例，讲解了在线虚拟仿真平台系统的设计与实现方法，平台设计包括训练内容规划、基本功能设计、技术实现方案和考核等级划分四个方面。然后从在线虚拟示教和技能训练两个角度规划训练内容，并以挖掘机底盘为例进一步说明具体知识点；从课程、资源、运维、统计分析等角度阐述平台应具有的基本功能；从硬件、软件等方面讲述技术实现方案；通过三个层次划分考核等级，以及每个等级应具有的水平能力。最后展示平台实现的部分界面并进行简要说明。

挖掘机械；虚拟仿真；在线教学

工程机械装备在建筑、交通等领域发挥着巨大作用，掌握其基本形态、组成、工作原理、维护保养方法、故障分析判断与排除技巧是相关高校和专业人员必备的技能。但是，工程机械通常体积庞大，不能随意拆装用于教学，故障分析、维护保养需要依赖专业知识。因此，将工程机械直接搬进教室展开授课，既不方便，也难以实现。

当前，课堂教学业已成为推进新型技术和教育融合的主战场[1]。为此，国家推出了MOOC等多种形式的在线教学平台，通过这些平台，将实际装备的学习、训练等工作移植到网络上，形成轻量化、方便性、低成本的在线虚拟平台，并支持虚拟数据的汇总与分析，进而促进课堂教学的飞跃提升[2-3]。文章以国家级虚拟仿真实验教学中心为依托，以某型挖掘机为例，分析挖掘机在线虚拟仿真平台的设计，包括训练内容、基本功能、技术架构和考核方法设计，并开发和实现相应的在线虚拟训练平台。

1 挖掘机在线虚拟平台设计

挖掘机在线虚拟平台设计包括训练内容、基本功能、技术架构和考核方法等4个方面，如图1所示。

图1 挖掘机在线虚拟平台设计4个方面

1.1 虚拟训练内容规划

训练内容是开展在线仿真平台的核心要素。结合挖掘机特点，为了向训练者提供多角度全方位的在线训练平台，训练内容应该包括在线虚拟示教和虚拟训练两部分，涵盖挖掘机的基础知识、组成结构、工作原理、维护保养、故障判断、故障排除等相关内容。

1.1.1 在线虚拟示教

结合图文、语音、漫游、案例分析、虚拟演示、可控交互等方式，系统、直观地介绍挖掘机的性能特点、结构原理和维修基础知识，支持多视角、多方式的虚拟观察和虚拟演示。以挖掘机轮式底盘为例，虚拟示教内容如图3所示。

（1）挖掘机基本知识示教：讲解其功用、分类、基本组成和主要参数等知识。

（2）挖掘机外部形态与组成结构示教：讲解和演示挖掘机发动机、底盘、工作装置的组成、特点、连接关系及动力传递路径，学生可多角度、自主观察所属子系统的外部形态和组成结构。

（3）挖掘机典型部件工作原理示教：讲解和演示发动机、底盘、工作装置、液压系统的工作原理，学生可多角度、自主观察工作原理，并能进行工作过程控制[4]。

图2 虚拟示教参考科目

1.1.2 在线技能训练

构建虚拟拆装、保养、维修等多种虚拟教学模块，支持在线或离线方式，进行零部件分解装配、总成维护保养、典型故障修理的在线演示、训练和自主测试。保存训练过程和相关数据，用于后期查询、统计和分析[5]。以挖掘机轮式底盘为例，在线训练内容如图3所示。

（1）拆装技能训练：采取文字提示、虚拟演示、虚拟练习、可控交互等形式，对挖掘机的发动机、液力变矩器、变速器、离合器、传动轴、转向器、制动器、驱动桥、工作装置等部件、总成进行虚拟分解和装配训练，使用户通过反复的交互操作，熟悉部件的拆装方法，理解部件结构组成及约束关系。

（2）维护保养训练：根据挖掘机保养规程，运用文字介绍、语音提示、图片强调、虚拟训练等形式，对发动机、底盘等检查保养内容、方法、时机、要求和基本程序进行训练。用户通过在线虚拟操作，重点进行检查、调整、紧定、润滑、清洁等内容和方法的练习。

（3）故障判断与排除：通过现象模拟、文字介绍、动画展示、故障树推理、虚拟操作等方式，构建多自由度的虚拟训练过程，开展发动机、传动系统、转向系统、制动系统、行驶系统的常见故障现象和故障部件的分析与排除训练，以及综合故障的分析与排除训练，故障分析与排除过程中，能够体现由外到内、由简单到复杂、由常见到不常见等技术手段。

图3 虚拟训练参考科目

1.2 在线训练平台基本功能设计

基本功能是体现在线训练平台的应用载体。在线训练平台基本功能包括课程管理、资源管理、标准管理、运维管理、统计分析等模块，形成功能强大、使用方便、结构严谨、界面友好、美观大方的在线平台。

1.2.1 课程管理

课程管理的目的是为了保证课程建设的适用性、准确性、规范性和高效性，课程信息发布的正确性、合理性和及时性，以及课程运行的稳定性、便利性、交互性，课程质量评估的客观性。课程管理的主要功能如图4所示。

图4 课程管理主要功能

（1）课程上传与管理

在线课程提供两种上传方式，一是基于成熟系统提供的在线课程框架进行内容模块和方法组织的课程，老师可以通过专用接口上传、控制课程内容与实施过程，实现网内示范直播、点对点实时辅导等，此类课程称为“标准课程”；二是链接现有课程，课程上传时只需提供链接URL和运行需求即可，此类课程称为“外挂课程”。上传完成后，老师可以对所上传课程进行修改、删除，也可以根据课程名称、时间段进行查询。此外，“标准课程”建设者可通过系统提供课程上传接口，对课程内容进行更新、升级维护；“外挂课程”由课程建设者自己维护，系统只提供链接更新或存储更新。

（2）课程审核与批准

课程审核是确保课程框架、内容、教学方法等准确、合理、适用、规范及运行稳定、可靠的关键环节。该工作由专业管理员完成，他需对上传课程内容的政治性、专业性、适用性、实用性进行审核，通过审核确定课程是否上线发布、是否需要修改，对于存在问题的课程需提出修改意见或直接拒绝上线。

（3）课程计划与预约

考虑到教学对象专业、岗位、知识基础等多样化，为不同专业、对象和层次的教学对象制定参考教学计划，特别是针对部分存在老师与学生实时互动教学环节，或课程教学人数、上课条件存在限制的课程，需综合考虑老师的授课时间和学生的学习时间、学习条件，进行课程预约或节次预约。在确保课程教学系统性的基础上，提高教学运行的灵活性和合理性。

（4）课程运行与监控

课程运行是系统的核心功能之一，主要为系统内发布和列入课程教学计划的课程提供技术、资源、设备等全面支撑。按课程上传类型有所区别。对“外挂课程”只提供链接和问题反馈服务，对“标准课程”则提供插件下载、运行环境配置、在线点名、远程交互控制、网内示范直播、点对点实时辅导、课内协同作业、在线考试等多种功能技术支持。课程运行过程中，相关运行数据被记录与监控。

（5）课程微博与评估

每一门课程由课程组的主讲老师开设一个课程微博，用于老师在线发布课程内容简介、更新、课程预约、课后作业等信息，以及老师与学生、学生与学生进行在线交流。系统管理员、专业管理员根据课程开课频率、教学效果、运行稳定性和学生选课率、学习状态和考试成绩，以及微博运行情况，定期对课程进行评估。按优、良、中、差、不合格等五级进行课程等级评定，对优秀课程在首页开设专栏进行推荐、介绍，优良课程在专业课程目录内进行标注和靠前排列。对开课少、学生选课少、运行不稳定、内容陈旧、错误多、技术和方法不合理的较差或不合格课程，提出修改意见或直接淘汰。

1.2.2 资源管理

资源管理主要用于对挖掘机模型库进行管理，包括资源的分类、审核、在线创建、设计等功能，如图5所示。

图5 资源管理功能模块

（1）资源分类与管理

按照挖掘机具体组成进行分类，包括发动机、底盘、工作装置、上装与辅助装置，将三维模型进行归类，形成相应的类别编号，便于查询、统计和管理。

（2）资源审核与推荐

系统管理对上传和共享的资源进行审核，包括资源的类型、格式、技术规格、内容正确性与完整性、适用性与合理性等，只有通过审核的资源才可能收纳入系统资源库，并为广大老师、学生和管理者所用，确保系统内资源的有效性、安全性、实用性。

资源审核通过后，根据其使用频率和评价情况，由平台自动嵌入优良等级。对于制作精良、准确有效的资源，在平台首页进行资源推荐和简介，帮助使用者尽可能找到和使用优质课程资源。

（3）资源在线创建与设计

在线资源创建包括构建虚拟教学环境和挖掘机各零件的在线设计两种功能[6]。其中虚拟教学环境在线定制是指依据特定气候、地理、环境，构建符合挖掘机驾驶和作业条件的虚拟教学场景，包括教学训练设施设备、场地、气候环境、器材、人员等，进而提高虚拟训练的逼真感与流畅度。在线资源创建是指利用按钮、图片等UI元素，构建功能强大的三维模型编辑器，完成挖掘机各部分零件的三维模型设计，且兼容Solidworks、3D Max、Unity 3D等软件。

1.2.3 运维管理

运维管理实现用户、角色、权限、日志等管理以及数据维护等功能，如图6所示。

图6 运维管理功能模块

（1）用户与角色管理

系统对使用与管理人员进行角色与权限分级管理，按学生、老师、系统管理员等三类角色配属不同的使用功能与权限。

学生：对象为各类课程学习者。学生实名注册审核通过后，可以在系统内按课程教学计划选择、预约课程进行学习、考核，以及在课程微博内与老师、其它学生进行交流，也可在系统留言板内给系统管理员留言。

老师：对象为院校、培训机构承担教学任务的老师。老师实名注册审核通过后，可以查阅相关课程内容体系标准；通过系统课程上传接口上传按系统课程内容及技术标准建设的课程，通过课程审核后可在线发布和进行教学；对自己新上线课程进行运行测试；组织课程考核及成绩发布；与系统管理员进行交流。

系统管理员：系统管理员为系统建设和管理维护最高权限者，主要权限及职责为包括对老师所建设课程进行最终审核，并发布审核结果或修改意见；掌握和分析所有专业学生选课情况、学习情况、学习效果等；掌握和分析老师建课、开课情况及教学效果；制订和维护总体课程内容体系及技术标准；建设和维护典型装备数字模型、通用型虚拟教学资源和在线课程建设技术资源等课程建设资源。

（2）教学日志管理

主要用于记录老师开课、在线教学、答疑和学生选课、上课、考核等教学相关信息，为进行课程、老师、学生评价提供参考依据，支持查询、统计、分析等功能。

（3）在线交互管理

建立学生、老师、系统管理员进行沟通的渠道，通过直接交流或者系统留言板上留言等方式，给系统运行、管理和课程与资源建设提出意见和建议。

（4）数据维护管理

为保障系统安全、稳定，建立数据定期备份的软硬件条件及机制，备份、恢复和修复系统数据。

1.2.4 统计分析

数据分析主要通过地图、柱状图、饼图、数据等多种形式，进行系统运行数据统计分析，用于帮助职业教育管理部门和系统管理员掌握在线课程建设、运行和课程教学效果等情况，为后续工作开展提供决策依据，统计项目如图7所示。

图7 统计分析功能模块

（1）学生信息分布统计

对注册、选课、学习的学生专业、岗位、类型、层次、单位分布等数据进行统计分析。

（2）学生选课信息统计

对学生所选课程类型、名称、数量、时间等进行统计分析，便于掌握不同类型、专业和岗位学生的选课特点及学习兴趣。

（3）学生学习情况分析

对学生开展所选课程的学习时间、进度、效果、成绩等进行统计分析，为制定和调整课程教学计划和进行课程评估提供参考依据。

（4）课程教学情况分析

按课程进行学生选课比率、开课情况、在线教学情况、在线互动情况、学生成绩分布等进行统计分析，为进行课程评估、老师评估提供参考依据。

1.3 在线训练平台技术实现方案

技术架构是运行在线训练平台的可靠保障。在线训练平台的技术架构应该从硬件、软件、技术等多角度进行设计和评判，着重考虑系统的稳定性、可靠性、安全性、可维护性、易扩展性以及开源、国产化、通用化、网络化、体系化等诉求，旨在为构建稳定可靠、维护方便、性能稳定的网络课程。

1.3.1 系统硬件组成

在线虚拟训练课程采用BS架构，并利用客户端VR/AR设备实现离线训练，因此，系统至少应该包括服务器、客户机等，典型课程的硬件组成如图8所示。

图8 虚拟训练课程硬件组成

服务器分为三种类型，分别Web服务器、文件服务器和数据库服务器。Web服务器对外提供网络服务，用户可以使用URL直接进行登录、注册、训练等工作；文件服务器用于存储和管理资源文件和相关课程、资源标准文件，包括课程建设所需的各种素材，如装备、设备、仪器、工具、自然环境等三维模型、图像、音频等；数据库服务器用于存储和管理用户信息和训练数据，便于后期查询、统计、分析训练情况。HTC VR头盔、爱普生智能眼镜、华为AR眼镜、微软HoloLens头显均为虚拟训练设备，用于较大型训练项目离线下载后使用。

1.3.2 平台逻辑结构

在硬件的基础上，在线虚拟训练课程平台应按照的逻辑结构应该按照三个层次的方式组织，分别为基础设施层、Web服务层、终端层，如图9所示。

图9 虚拟训练课程逻辑结构

基础设施层提供最基本的公共服务，包括网络环境、物理服务器和数据库。终端层包括HoloLens、华为、HTC、爱普生和浏览器终端。Web服务层提供网络后台服务，同时向网页和VR/AR终端提供Web服务。随着国产化和使用开源软件的需求越来越迫切，在线虚拟训练课程的应该以开源软件和国产化为主，Web服务层以Tomcat为Web容器，Nginx为反向代理服务器，Java为主体开发语言，它们具有开源、免费、性能稳定、使用广泛等特点。

1.3.3 系统软件体系

从国产化、开源、免费、性能稳定、使用广泛等要求出发，在线虚拟训练课程软件系统采用J2EE软件体系架构，包括三层架构、MVC设计模式和SSM软件架构相结合的设计方式。

（1）三层架构一般包括表示层、业务逻辑层与数据访问层。表示层可采用JSP、HTML、CSS、Javascript、Bootstrap、Easyui、FusionChart、VUE等技术与语言。业务逻辑层由Spring框架进行管理，并通过Spring MVC与表示层进行关联。数据库访问层由MyBatis进行持久化操作，并由MySql、达梦等数据库进行存储管理。

（2）MVC模式包括模型Model、视图View、控制器Control，分别实现业务管理、界面呈现、跳转控制等目的。其中Model一般可以对应于三层架构的业务逻辑层与数据访问层，View与表示层基本相同，Control不处理具体业务逻辑，仅实现跳转，可以由Servlet或Spring Control实现[8]。

（3）SSM，是Spring＋Spring MVC＋MyBatis的简称，它是MVC设计模式的一个具体应用和优秀代表[9]。

1.3.4 软件开发工具

在线虚拟训练课程以软件开发为主，依赖于多种产品（工具、平台和IDE），各种产品的名称、版本、主要作用如表1所示[10]。

表1 在线虚拟训练课程应用到的主要产品

1.4 在线训练平台考核等级划分

训练考核是检验和巩固在线训练平台教学效果的巩固手段。基于虚拟现实技术的支撑，课程考核可以实现多种方式，如理论考试、认知测试、流程性评价和分级分类闯关考核等。例如发动机维修的闯关考核，就可以在一定战术或游戏背景下，设置多种综合性关卡，将理论知识、训练技能、实践经验融合在一起，进行综合性考核评价，旨在通过为学生提供融合了沉浸感、挫败感和成就感的在线闯关考核方式，提高学生学习的积极性、趣味性和自主性。闯关考核可以分为三个等级进行，一级技师、二级技师和三级技师三个等级，每一级又分入门、进阶和提升三个阶段。闯关考核的成绩作为进入下一阶段、更高等级学习的依据。

挖掘机轮式底盘各级考核内容参考如图10所示。为闯关考核评估中，各级技师的参考考核内容，每级技师对应的入门、进阶和提升三个阶段的具体内容，可以根据实际情况进行调整，以灵活满足考核要求。

图10 闯关考核评估参考内容

2 挖掘机在线虚拟平台实现案例

根据设计与分析，平台基本功能，如课程管理、资源管理等，属网络开发范畴，与一般在线教学网站差别不大，核心功能为在线虚拟示教和技能训练，核心功能主页如图11所示。主页上方为功能模块，左侧为导航条，导航链接与模块相一致。

图12为工作原理模块对应的子功能，包括发动机和底盘四大系统典型部件的工作原理。点击“发动机”，进入发动机工作原理示教模块，如（a）所示。（b）为拆装训练模块的变速器组装练习初始状态，该状态下，变速器壳体位于组装台上，其余零件位于工作台和抽屉中，练习者可以根据提示或经验装配变速器。（c）为维护保养模块中每班保养的检查连接件状态截图。（d）为故障排除模块的转向系统故障分析判断与排除阶段状态。

图11 某型挖掘机虚拟示教与技能训练“工作原理”页

图12 某型挖掘机虚拟示教与技能训练部分科目

3 小结

利用虚拟实验室开展实验教学能有效降低实验成本、扩大受益面、实现资源共享[11]。根据《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2015〕24号）要求，笔者单位对某型挖掘机在线虚拟仿真平台进行设计和研发[12]，经过相关部门检验和测试，本文设计方案和实现平台均符合国家虚拟仿真实验教学中心建设要求。

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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

孙志丹（1978－），男，江苏洪泽人，硕士，讲师，主要研究方向为工程机械运用、保障和虚拟仿真等，E-mail：952160378@qq.com。