“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬精餾實驗室設(shè)計實現(xiàn)

李廣慶，李 瑩，陳鴻宇

1吉林醫(yī)藥學(xué)院管理學(xué)院；2吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬精餾實驗室設(shè)計實現(xiàn)

李廣慶1，李 瑩2，陳鴻宇2

1吉林醫(yī)藥學(xué)院管理學(xué)院；2吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

利用3DS Max+Virtools+Java Web等技術(shù)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬精餾實驗室,解決高?；ぴ韺嶒炚n程硬件條件不足。虛擬實驗結(jié)果與實際實驗結(jié)果吻合。基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室建設(shè)，提高了實驗室使用率與機動性；減少了化工原料對實驗人員的直接或間接傷害，增強實驗安全性；節(jié)約實驗室場地；為工業(yè)化應(yīng)用提供設(shè)計思路。

互聯(lián)網(wǎng)+；化工原理；虛擬實驗室；精餾實驗

1.引言

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)科研、教學(xué)實驗質(zhì)量要求的不斷提高，各高校逐漸加強學(xué)生實驗課程的動手能力、操作能力和科研能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用人才滿足社會需求。而化工原理課程的精餾實驗，需要大型的精餾設(shè)備，非專業(yè)性高校無法滿足。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，互聯(lián)網(wǎng)+虛擬實驗室為解決上述問題提供了可行的方案。

2.虛擬實驗室建設(shè)

眾多學(xué)者和大量文獻(xiàn)中都有提出過虛擬現(xiàn)實,中山大學(xué)開發(fā)的虛擬化工實驗系統(tǒng)[1],采用了平面開發(fā)技術(shù)，對其他化工軟件的開發(fā)帶來了一定的啟示，交互功能薄弱。吉林大學(xué)高等教育研究所的虛擬實驗室[2],三維效果理想，交互效果不足。綜合前人技術(shù)和資料，3DS+Virtools+Java Web技術(shù)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬精餾實驗室，場景式架構(gòu)以提高臨場感，與現(xiàn)實匹配，操作符合人類思維。

2.1 開發(fā)流程及技術(shù)路線

3DS+Virtools+javaWeb作為開發(fā)平臺，主要分為五個階段：數(shù)據(jù)收集，建立模型；交互開發(fā)；Java Web搭建；實驗測試。數(shù)據(jù)收集主要包括建模所需設(shè)備規(guī)格、紋理照片、工藝流程以及實驗數(shù)據(jù)整理；利用3ds Max建立精餾設(shè)備模型并賦予材質(zhì)、貼圖；利用3ds Max導(dǎo)出.nmo文件提供給Virtools，用BB、VSL語言交互開發(fā)；Java Web搭建階段將Virtools發(fā)布虛擬實驗室掛接Internet，將實驗室網(wǎng)絡(luò)化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室的實現(xiàn)

虛擬實驗室建設(shè)過程中，虛擬的大型實驗設(shè)備是重點，是虛擬實驗室實驗過程中交互操作是核心部件，使用3dsMax設(shè)計的三維設(shè)備模型是Virtools設(shè)計交互操作的對象。

2.2.1 設(shè)備模型建立

設(shè)備主要包括分離裝置、檢測裝置，及虛擬現(xiàn)實的靜態(tài)物質(zhì)。之前的數(shù)據(jù)收集為設(shè)備的模型建立提供了數(shù)據(jù)。模型建立之后，在保證圖像質(zhì)量的前提下，使用技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到良好運行速度，如減少使用平滑點減少多邊形的生成，運行流暢；非主要設(shè)備使用的低分辨率貼圖；透明貼圖使用PNG格式以保證Virtools自動解析。

2.2.2 界面及交互設(shè)計

虛擬實驗室人機交互設(shè)計是整個實驗室設(shè)計重中之重。界面、流暢的導(dǎo)航系統(tǒng)是熟練使用虛擬實驗室的保證。采用Windows化多場景的操作界面，非線性完全交互的模式。設(shè)計過程中使用了“多場景-半景”模式，攝像機可沿x，y軸線移動并旋轉(zhuǎn)，即以攝像機為軸心，120度為視角，3場景模式實現(xiàn)實驗室全景圖；實驗設(shè)備操作均以操作部件完成，如旋轉(zhuǎn)軸、閥，縮小與實際實驗操作中感覺的差距，增強臨場感。與數(shù)據(jù)相關(guān)的實驗操作使用VSL編寫關(guān)聯(lián)[3]，3D拾取檢測操，將操作系數(shù)實時傳遞，以控制數(shù)學(xué)模型中的數(shù)據(jù)。通過旋轉(zhuǎn)閥門的次數(shù)改變粒子系統(tǒng)參數(shù)、通過BB模塊實現(xiàn)頁面升降控制，實現(xiàn)仿真效果[4]。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)平臺搭建

將Virtools開發(fā)完畢虛擬實驗室發(fā)布后掛接到Web Server，實現(xiàn)PC客戶端網(wǎng)絡(luò)訪問，通過Java腳本為保證系統(tǒng)安全，內(nèi)部使用人員擁有獨自的用戶，其他使用人員必須提出申請，系統(tǒng)管理員審核批復(fù)后方可使用。Web Server開發(fā)了后臺維護(hù)端，主要用于維護(hù)實驗數(shù)據(jù)以及理論實驗數(shù)據(jù)的錄入整理。

3.虛擬實驗室測試

采用正戊烷-正己烷溶液進(jìn)行分離，進(jìn)料溫度為tF= __D_DdxF=__D_Dd_____xn=0.95,tF=__D_Dd____xw=_______R=1.6，自動計算提餾段方程為y=1.5-0.0249。

為驗證模擬實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過多次實驗，把獲得的部分回流和全回流情況下的模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，綜合評定，其結(jié)果如表1所示。

表1 實際實驗數(shù)據(jù)與虛擬實驗數(shù)據(jù)結(jié)果比較表

從比較結(jié)果可以看出，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合，數(shù)據(jù)相對誤差控制在5%之內(nèi)，虛擬精餾實驗室達(dá)到了設(shè)計初衷，臨場感強、微觀操作與過程逼真，滿足教學(xué)科研需求、準(zhǔn)確度達(dá)到了化工原理實驗教學(xué)、科研仿真的要求。

4.總結(jié)

本文在對精餾理論分析轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)之上，利用計算機技術(shù)建立了網(wǎng)絡(luò)化三維交互式精餾虛擬實驗室，能夠完成實驗操作的仿真、模擬計算，自動繪圖等功能。虛擬實驗室的建設(shè)彌補了現(xiàn)階段教學(xué)科研多方面的不足，有效的避免實際實驗或操作對人身所產(chǎn)生的傷害，超越了時間界限，利用網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備隨時隨地可以進(jìn)行實驗，提高了虛擬實驗室的靈活性和實用性。同時，互聯(lián)網(wǎng)+虛擬實驗室的建設(shè)方案為相關(guān)領(lǐng)域難題提供了參考。

[1]周愛東,王慶,楊紅曉.仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實驗教學(xué)的創(chuàng)新實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2007,24(3):84-86.

[2]劉英杰,楊雪,闡寶朋.基于3ds Max和Virtools的大學(xué)物理虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008,18(6):88-92.

[3]Hiroshi Matsuda.Design and implementation of Cyber assistant professor:CAP[C].Washington,DC,USA:IEEE Computer Society, 2005:297-301.

[4]裴鋒,楊萬生.完全互溶雙液系平衡相圖的計算機繪制[J].實驗室研究與探索,2004,23(5):26-28.

2015年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

李廣慶(1982-)，男，吉林大安人，碩士，講師，研究方向為信息系統(tǒng)分析與集成。