3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室的構(gòu)建與系統(tǒng)實現(xiàn)

陳增艷，張維石

（大連海事大學(xué)，大連 116026）

3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室的構(gòu)建與系統(tǒng)實現(xiàn)

陳增艷，張維石

（大連海事大學(xué)，大連 116026）

在教育部大力開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的大背景下，虛擬仿真實驗室已成為中心建設(shè)的重要內(nèi)容之一。針對于傳統(tǒng)高校實驗教學(xué)的高危環(huán)境、高成本、高消耗、條件不具備等一系列問題，建設(shè)能夠依托虛擬現(xiàn)實、多媒體和人機(jī)交互的虛擬仿真實驗平臺迫在眉睫。出以電力載波技術(shù)、Web和Unity 3D技術(shù)為開發(fā)平臺，融合水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)相關(guān)理論知識，采用B/S架構(gòu)研發(fā)的一站式水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室，實現(xiàn)學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗的目的，解決傳統(tǒng)實驗室所面臨的一系列問題，達(dá)到寓教于樂，虛實結(jié)合，結(jié)構(gòu)完善的一站式智能教學(xué)目的。

3D交互；虛擬仿真；水產(chǎn)養(yǎng)殖

0 引言

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以提高高等學(xué)校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，持續(xù)推進(jìn)高等學(xué)校實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)改革與發(fā)展。目前，大多數(shù)高校都有針對課程使用實驗教學(xué)軟件，但由于每個專業(yè)或課程的情況不同，購買的軟件所采用的工作環(huán)境、體系結(jié)構(gòu)、編程語言、開發(fā)方法等也各不相同。由于學(xué)校管理工作的復(fù)雜性，各校乃至校內(nèi)各專業(yè)的實驗教學(xué)建設(shè)大都自成體系，各自為政，形成了“信息孤島”。主要面臨如下問題：

（1）管理混亂，各種實驗教學(xué)軟件缺乏統(tǒng)一的集中管理；

（2）使用不規(guī)范，缺乏統(tǒng)一的操作模式和管理方式；

（3）可擴(kuò)展性差，無法支持課程和相應(yīng)實驗的擴(kuò)展；

（4）各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無法共享，容易形成“信息孤島”；

（5）缺乏足夠的開放性。

針對于以上現(xiàn)狀，本文提供的3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室在管理上設(shè)置門禁控制，學(xué)生只需通過權(quán)限審核便可以進(jìn)行實驗室自助預(yù)約，開設(shè)資源共享系統(tǒng)，提供統(tǒng)一的操作規(guī)范，學(xué)生從需求學(xué)習(xí)到實踐操作均可自主完成，采用B/S架構(gòu)，支持后臺服務(wù)器動態(tài)添加實驗課程，采用基于TCP/IP協(xié)議的通行，方便客戶端和服務(wù)器之間的通信，在一定程度上緩解了當(dāng)前傳統(tǒng)教學(xué)軟件的困境，有效地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)，參考了國內(nèi)外多個高校如北京大學(xué)的考古虛擬仿真實驗教學(xué)中心（2批注）、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的水利與土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心（1批注）等，該系統(tǒng)集實驗室管理系統(tǒng)、共享資源系統(tǒng)、3D交互實踐操作系統(tǒng)和實驗室操作控制端為一體。用戶可以根據(jù)域名登錄資源共享系統(tǒng)，進(jìn)入中心概況，查詢到水產(chǎn)養(yǎng)殖實驗室的相關(guān)信息，下載有關(guān)文檔；在共享資源中，學(xué)生可以查看相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，瀏覽知識圖片等，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)文檔后，可以登錄實驗室管理系統(tǒng)進(jìn)行注冊和預(yù)約，管理人員在后臺對學(xué)生信息進(jìn)行審核之后授予學(xué)生登錄權(quán)限，學(xué)生在操作之前對實驗室進(jìn)行預(yù)約。實驗控制終端后臺可以對實驗室所有裝有3D交互實驗操作系統(tǒng)的電腦進(jìn)行實時監(jiān)控和電源管理。總體結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1 3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3D交互實踐操作系統(tǒng)中的虛擬仿真實驗采用目前炙手可熱的Unity3D應(yīng)用程序開發(fā)引擎，建模技術(shù)則使用3d Max建模引擎，結(jié)合兩者開發(fā)出最接近真實的實驗環(huán)境，實驗的目標(biāo)在于沉浸性：讓學(xué)生如同置身于真實的實驗環(huán)境當(dāng)中，為學(xué)生感官上認(rèn)知操作環(huán)境提供幫助；交互性：為學(xué)生提供形象生動的交互體驗，使學(xué)生實際操作水平得到有效提升；構(gòu)想性：為使用者提供深層次的理性認(rèn)識，彌補書本或者平面資料在三維實體上的認(rèn)知不足，為學(xué)生提供更多的想象力和創(chuàng)造力。試驗具備較強的交互性和較完善的步驟說明解釋，畫面鮮活靈動，逼近真實場景，學(xué)生在進(jìn)行試驗過程中的每個步驟都會生成實驗報告，在實驗結(jié)束后可進(jìn)行自主查看，與此同時，實驗結(jié)果也會以實驗報告的形式傳遞到后臺，教師通過登錄實驗室管理系統(tǒng)后臺可對學(xué)生的操作進(jìn)行查看。

實驗室控制終端的通信方式使用電力載波系統(tǒng)，電力載波通訊是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，最大的特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，速度快。該系統(tǒng)采用HL-PLC嵌入式電力線載波模塊，模塊采用FSK通訊方式，相比于485光和KJ101N基帶通信方式，F(xiàn)SK通訊的可靠阻大于30歐姆，串聯(lián)電阻高達(dá)數(shù)百歐姆都可以工作，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強。比較適合實驗室的網(wǎng)狀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也能夠在段時間內(nèi)迅速進(jìn)行通信。

表1 電力載波模塊通信參數(shù)對比

在總系統(tǒng)中，每個實驗室為一個基本單位，有一套實驗控制終端以及若干電腦和刷卡器。實驗室內(nèi)設(shè)置一臺電力載波模塊為電力載波信號發(fā)射器，與工作室控制終端通過USB連接，網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議不依賴于任何特定的計算機(jī)硬件或操作系統(tǒng)，提供開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；不依賴于特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件，相對于UDP/IP協(xié)議，TCP/IP面向連接，具備更可靠的傳輸性，能在不同的場合傳輸大量數(shù)據(jù)，雖然傳輸速度相對于無連接的UDP較慢，但因為使用了FSK通訊方式，在傳輸速度上基本沒有影響。

實驗室管理系統(tǒng)分為學(xué)生、指導(dǎo)教師和系統(tǒng)管理員等三級權(quán)限。學(xué)生的權(quán)限包括門禁系統(tǒng)、實驗室及試驗臺預(yù)約、3D交互實踐操作、報告查詢等；指導(dǎo)教師權(quán)限包括門禁系統(tǒng)、報告查詢和學(xué)生信息管理等三類；系統(tǒng)管理員級權(quán)限包括門禁系統(tǒng)、項目組權(quán)限設(shè)置、預(yù)約審核、控制終端管理。實驗室管理系統(tǒng)權(quán)限分類，如圖4所示。

圖2 3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬實驗部分操作圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議流程圖

圖4 系統(tǒng)功能圖

資源共享系統(tǒng)包括學(xué)習(xí)園地，資料下載，圖片瀏覽等，學(xué)生在實驗前可進(jìn)入資源共享系統(tǒng)對所進(jìn)行的實驗進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，也可以通過瀏覽中心簡介和實驗流程加強對實驗規(guī)范性的操作等。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)流程

3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室的主要受眾群體為開設(shè)相關(guān)實驗課程的高校，該系統(tǒng)設(shè)計獨立的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入端口。為了符合實驗室復(fù)雜的圖形結(jié)構(gòu)權(quán)限，系統(tǒng)采用了一對多和動態(tài)讀取配置文件的方式，實現(xiàn)不同實驗室不同實驗工具的權(quán)限配置，在通信方面采用了效率最高的串口通信方式，避免多個信號同時發(fā)出時出現(xiàn)信號阻塞和通訊延遲的不友好情況，增開程序池分次處理。在處理信號時，采用字符串解析，和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一系列的交互，識別不同權(quán)限，便于對學(xué)生和管理員等進(jìn)行統(tǒng)一管理，本系統(tǒng)及終端還創(chuàng)建了日志輸出語句，便于在調(diào)試及日常運行維護(hù)中及時發(fā)現(xiàn)問題，增加系統(tǒng)的魯棒性。

學(xué)生入學(xué)后，會默認(rèn)在本系統(tǒng)中進(jìn)行注冊，學(xué)生在進(jìn)行實驗之前可先提交預(yù)約申請，包括預(yù)約時間，預(yù)約試驗臺，預(yù)約信息以DAO的方式將學(xué)生信息存入數(shù)據(jù)庫，預(yù)約成功與否及時發(fā)出反饋（前臺通過界面反饋，后臺通過日志輸出），學(xué)生在進(jìn)入實驗室門禁系統(tǒng)前需要刷卡,信息以十六進(jìn)制字符串的方式傳入后臺,后臺程序開啟線程池對在傳字符串信息進(jìn)行解析,截取對應(yīng)字符范圍,最終轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制字符串,字符串依次被解析為權(quán)限、學(xué)號信息、預(yù)約時間信息等，和數(shù)據(jù)庫已有的預(yù)約信息進(jìn)行核對，進(jìn)行智能開關(guān)門。實驗室智能控制終端軟件分為兩個權(quán)限：管理員模式和非管理員模式，管理員登錄后，能對實驗室所有試驗臺進(jìn)行開關(guān)及操作，并且可以瀏覽當(dāng)前實驗室所有試驗臺的預(yù)約情況，而非管理員登陸后，只能瀏覽當(dāng)前實驗室的預(yù)約情況沒有對試驗臺操作的權(quán)限。管理員進(jìn)行一鍵開機(jī)操作，主要通過給端口發(fā)送信息實現(xiàn)，而一鍵開關(guān)機(jī)則是通過循環(huán)遍歷的方式分別給當(dāng)前實驗室所有試驗臺發(fā)送字符串響應(yīng)開關(guān)機(jī)，學(xué)生在試驗臺登錄進(jìn)行3D虛擬操作實驗，與此同時監(jiān)控系統(tǒng)也正常啟動來記錄學(xué)生的實驗情況，方便教師進(jìn)行管理。

控制終端的流程圖如圖5-圖6。

3 結(jié)語

3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室將現(xiàn)有的傳統(tǒng)實驗室管理系統(tǒng)模式與創(chuàng)新型的3D虛擬仿真操作相結(jié)合，在一定程度上實現(xiàn)了新型的實驗教學(xué)模式，該實驗室系統(tǒng)現(xiàn)已被試用于大連海洋大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖中心，解決了水產(chǎn)養(yǎng)殖教育學(xué)院以往的高危環(huán)境，高消耗和試驗管理不集中等一系列的問題。實現(xiàn)了統(tǒng)一管理，智能操作和仿真實驗的模式，增加了學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，也減少了教師和管理員的負(fù)擔(dān)?？傮w來講，實驗室實現(xiàn)了以下功能：

（1）任何在教務(wù)處有過注冊的學(xué)生，不論在校外還是校內(nèi)，可隨時通過電腦瀏覽器或管理系統(tǒng)，對實驗室工作臺和相關(guān)實驗進(jìn)行預(yù)約。

（2）預(yù)約通過的學(xué)生可通過刷卡信息核對進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗操作，實驗室管理員可通過管理系統(tǒng)及預(yù)約情況對工作臺進(jìn)行開關(guān)機(jī)管理，并對學(xué)生在實驗室的情況進(jìn)行監(jiān)控（監(jiān)控多用于考試操作）。

（3）教師可通過學(xué)生管理系統(tǒng)對學(xué)生操作后的生成的實驗報告進(jìn)行測評。

3D水產(chǎn)養(yǎng)殖虛擬仿真實驗室改變了傳統(tǒng)的實驗室模式，在智能系統(tǒng)管理環(huán)境下運行的工作室更加合理、規(guī)范、高效，更符合實際需求且具有科學(xué)性。

圖5 控制終端操作流程圖

圖6 系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

[1]劉林濤，蔡瑜珩.基于Web技術(shù)的開放式實驗室管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2014,17（4）：187-192．

[2]張晨亮，蘇學(xué)軍，畢濤，等.基于電力線載波的開放實驗室電源控制系統(tǒng)[J].電測與儀表，2015,52（9）：103-107．

[3]吳文華，楊慶，沈新元，等.智能實驗室管理系統(tǒng)下的實驗室開放管理[J].實驗技術(shù)與管理，2011,28（2）：172-176．

[4]吳良，鄒志宏，吳文華，等.實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)與實踐[J].實驗室研究與探索，2012,31（5）：169-172．

[5]劉林濤，蔡瑜珩.基于Web技術(shù)的開放式實驗室管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2014,17（4）：187-192．

[6]吳良，鄒志宏，吳文華，等.實驗室管理系統(tǒng)的開發(fā)與實踐[J].實驗室研究與探索，2012,31（5）：169-172．

[7]戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010,34（5）：161-172．

[8]Rotem A,Garraway L,Su M J,et al.Miniaturizing 3D Assay for High-Throughput Drug and Genetic Screens for Small Patient-Derived Tumor Samples（Conference Presentation）[C].SPIE BiOS.International Society for Optics and Photonics,2017：100460H-100460H-1.

Construction and Implementation of 3D Aquaculture Virtual Simulation Experiment System

CHEN Zeng-yan，ZHANG Wei-shi
（Dalian Maritime University,Dalian 116026）

The virtual simulation laboratory has become one of the important contents of the central construction in the background of the construction of the national virtual simulation experiment teaching center.However,it is urgent to construct a virtual simulation platform which can rely on virtual reality,multimedia and human-computer interaction for the high-risk environment,high cost,high consumption and condition of traditional college experiment teaching.Proposes a simulation system based on power carrier technology,Web and Unity 3D technology,and integrates the theoretical knowledge of aquaculture.It uses the B/S architecture to develop a one-stop virtual simulation experiment system of aquaculture,which enables students to experiment in virtual environment The purpose of the traditional laboratory to solve a series of problems faced by the realization of the entertaining,the actual situation combined with the structure of the completion of one-stop intelligent teaching purposes.

3D Interaction;Virtual Simulation;Aquaculturer

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金（No.3132016308）

1007-1423（2017）31-0061-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.016

陳增艷（1991-），女，河南平頂山人，研究方向為軟件技術(shù)與方法

2017-09-05

2017-10-20