智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心設(shè)計與建設(shè)

段景山，陳 蘋，凌 翔，林水生，張 進

(電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,四川 成都 611731)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸,被稱為第三次信息革命。我國政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展,2009年,國務(wù)院提出“感知中國”的戰(zhàn)略構(gòu)想,將物聯(lián)網(wǎng)正式列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。2010年,電子科技大學(xué)成為教育部首批“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)”辦學(xué)高校[2]。理論與實踐相結(jié)合是培養(yǎng)我國現(xiàn)代社會物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高素質(zhì)人才的重要途徑與手段,但智慧物聯(lián)是新興專業(yè),實驗室建設(shè)相對薄弱,實體實驗資源積累和環(huán)境建設(shè)短期不易形成規(guī)模,實體實驗室成本高、教學(xué)效率相對較低等特點[3]在一定程度上限制了我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的培養(yǎng)。

為此,通信與信息工程學(xué)院作為智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心(以下簡稱中心)的主體承建單位,確立了“虛仿先行,虛實結(jié)合”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗教學(xué)建設(shè)總體思路。2012年,以 “信息與通信工程”“光學(xué)工程”兩個一級學(xué)科為支撐,以“通信與信息系統(tǒng)國家級實驗教學(xué)示范中心”為主體,聯(lián)合“通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室”、“光纖傳感與通信教育部重點實驗室”的科研、教學(xué)力量,正式成立智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心。通過搭建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,中心將理論教學(xué)與實踐教學(xué)、實體實驗教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)有機結(jié)合,有效解決了實驗教學(xué)資源短缺與學(xué)生需求日益增長的矛盾[4],提高了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1 建設(shè)的必要性

1.1 完善實驗教學(xué)體系，彌補實體實驗教學(xué)的不足

物聯(lián)網(wǎng)工程是一門新興的綜合工程學(xué)科,涉及器件技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工程技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)知識[5]。在應(yīng)用層面,許多場景具有一定的破壞性、危險性,如油氣勘探的地震波、泥石流監(jiān)測等。核心層面的接入和傳輸也是整個系統(tǒng)工程的重要組成部分,需要通過大型電信級設(shè)備或系統(tǒng)相配合,需要相關(guān)技術(shù)人員謹慎、科學(xué)的決策和建設(shè),才能構(gòu)成完整、可靠的系統(tǒng)。這些因素都是制約實體實驗開設(shè)的重要因素。

計算機技術(shù)發(fā)展的日益成熟為虛擬仿真實驗教學(xué)提供了可行性[6-7],其高效率、低成本、可共享、靈活安全等特點正好彌補了傳統(tǒng)實體實驗教學(xué)的不足。因此,構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)中心,彌補部分實體實驗教學(xué)存在的極端環(huán)境、過程不可及不可逆、大型復(fù)雜綜合的現(xiàn)實局限[8],為高素質(zhì)物聯(lián)技術(shù)人才培養(yǎng)提供切實可行的虛擬仿真實驗教學(xué)資源是十分必要的。

1.2 深化教學(xué)改革，培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新型人才

隨著技術(shù)發(fā)展,新工科的涌現(xiàn),為高等本科院校如何有效培養(yǎng)出具有解決復(fù)雜工程問題能力的創(chuàng)新型人才提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式下存在學(xué)生綜合能力較差、創(chuàng)新能力不足等諸多問題,因為實體實驗系統(tǒng)性較弱,上機實操機會少。因此,要科學(xué)合理利用智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心,結(jié)合實體實驗教學(xué),選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒炤d體與實驗環(huán)境,使學(xué)生深入掌握相關(guān)工程知識原理,經(jīng)歷、體驗復(fù)雜工程系統(tǒng)的構(gòu)建,引導(dǎo)其深入考慮問題及解決的方案、方法、途徑、工具,真正培養(yǎng)和提高學(xué)生工程實踐能力、解決復(fù)雜工程問題的能力[9]。

1.3 實現(xiàn)資源共享，優(yōu)化教育資源配置

長期以來,我國實體實驗教學(xué)資源的利用并不充分,主要表現(xiàn)為學(xué)生使用頻率低、學(xué)生覆蓋面窄,大多數(shù)實驗課程只能在上課期間開放使用,且在資源有限的情況下實驗室會設(shè)置優(yōu)先使用權(quán)制度。相比之下,虛擬仿真實驗教學(xué)則可以不受時空條件約束,構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象,使學(xué)生能夠在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗[10],惠及學(xué)校所有相關(guān)專業(yè)和課程的學(xué)生。除進行課程實驗學(xué)習(xí)外,學(xué)生還可利用該平臺自主參與各類科研競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動,有助于進一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究、工程實踐的興趣。與此同時,平臺通過建立面向校內(nèi)、西南乃至國內(nèi)高校,以及面向企業(yè)的共享開放機制,避免了相同實驗的重復(fù)設(shè)計,節(jié)省了國家對實驗教學(xué)資源的投資,資源配置得到有效優(yōu)化。

2 智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)

中心在建設(shè)過程中堅持“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的整體思路,注重內(nèi)容、形式、層次與共享,瞄準“培養(yǎng)基礎(chǔ)知識厚、專業(yè)能力強、綜合素質(zhì)高、具有國際視野和社會責(zé)任感的拔尖創(chuàng)新人才”教學(xué)目標,以物聯(lián)網(wǎng)的“感知、傳輸、應(yīng)用”結(jié)構(gòu)為主線,建設(shè)智慧物聯(lián)虛擬和仿真實驗教學(xué)平臺。平臺在系統(tǒng)全域覆蓋中突出主要和關(guān)鍵技術(shù),如傳感,組網(wǎng)和接入,特色應(yīng)用技術(shù)等；在具有代表性、先進水平方面,強調(diào)轉(zhuǎn)化科研成果以使平臺能夠反映智慧物聯(lián)領(lǐng)域重要進展。目前,形成由傳感器件與網(wǎng)絡(luò)、通信接入與傳輸、物聯(lián)服務(wù)與應(yīng)用3大模塊,無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)、光電傳感與網(wǎng)絡(luò)、泛在接入系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用、車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用6個子平臺的智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗體系,設(shè)計了21個虛擬仿真實驗項目,總共服務(wù)18門課程,涉及12個專業(yè)。整體架構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗中心結(jié)構(gòu)

2.1 無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺

無線識別與感知的實驗教學(xué)難點在于感知原理的掌握和應(yīng)用中感知器件的靜、動態(tài)特征對輸出信號的影響。實驗平臺利用虛仿優(yōu)勢模擬產(chǎn)生壓、熱、振、濕、移、濃等目標的特征物理信息,通過關(guān)鍵元器件的仿真模型,在微觀條件下觀測和分析電采集信號的產(chǎn)生過程、信號特性及變化規(guī)律,以可視化手段建立從形象觀測到抽象思考之間的橋梁。引導(dǎo)學(xué)生搭建虛擬感知電路,建立傳感信息采集、編碼、發(fā)送、接收、解碼的處理模型,在宏觀層面觀測和處理目標特征量,采集信號參數(shù)對,通過靈活、便捷的多次、多態(tài)試驗形成經(jīng)驗,實現(xiàn)設(shè)計和完善調(diào)測。

中心先后與多家企業(yè)合作,開發(fā)出適用本科實驗教學(xué)的“無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真”實驗平臺。該平臺突出層次化,由淺入深地展開實驗,既有針對技術(shù)原理的仿真實驗,也有弱化了傳輸和應(yīng)用兩層技術(shù)細節(jié),但支持系統(tǒng)完整性的綜合設(shè)計型實驗,這也是利用虛仿技術(shù)擺脫實體綜合設(shè)計型實驗常被非關(guān)注目標的繁瑣細節(jié)干擾的弊端。平臺目前設(shè)計的實驗項目和服務(wù)課程如表1所示。

表1 無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)平臺實驗項目

2.2 光電傳感與網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺

光傳感感知準確度高,在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測、安保中應(yīng)用前景廣闊,但涉光器件或系統(tǒng)的實體實驗一向成本較高。虛仿平臺主要針對光纖光柵溫、壓感知和分布式光纖圍欄入侵探測兩種常用技術(shù),開展原理探究和綜合設(shè)計實驗。通過自行設(shè)定相應(yīng)參數(shù),將不可及的抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀、可控的仿真圖形、數(shù)據(jù)等。學(xué)生可進行重復(fù)模擬,全面深刻的認知和理解光電傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。

借助電子科技大學(xué)與某鉆探公司、某電網(wǎng)聯(lián)合開發(fā)的光纖光柵傳感器鉆機井架測試系統(tǒng)、分布式光纖傳感電纜受力測溫分析系統(tǒng)等多個光纖傳感系統(tǒng)及其仿真軟件,實現(xiàn)了科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)的轉(zhuǎn)化。平臺目前主要設(shè)計的虛仿實驗項目和服務(wù)課程如表2所示。

表2 光電傳感與網(wǎng)絡(luò)仿真平臺實驗項目

2.3 泛在接入系統(tǒng)仿真實驗平臺

智慧物聯(lián)架構(gòu)中的傳輸層位于感知前端和應(yīng)用層之間,又可分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。中心選擇了更具物聯(lián)網(wǎng)特色的泛在接入和無線傳輸作為重點建設(shè)對象。其中泛在接入實驗平臺涉及ZigBee、WiFi、LoRa3種技術(shù),關(guān)注接入層在無線多跳、寬帶、長距離3種場景與相關(guān)組網(wǎng)技術(shù)在智慧物聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用,如表3所示。

平臺緊跟技術(shù)前沿,注重全面性。學(xué)生通過虛仿實驗,輕松搭建組網(wǎng)環(huán)境,可直觀觀測到數(shù)據(jù)流向和深入分析數(shù)據(jù)格式,從而深入掌握組網(wǎng)知識,既掌握了物聯(lián)網(wǎng)中各種應(yīng)用場景的接入方案設(shè)計、設(shè)備的配置等工程技術(shù),又加深了對接入技術(shù)中的通信協(xié)議、信號信道特性等原理性知識的理解,大大提高了學(xué)生理論聯(lián)系實際的綜合能力。

表3 泛在接入系統(tǒng)仿真平臺實驗項目

2.4 無線傳輸系統(tǒng)仿真實驗平臺

平臺在理論授課和實際實驗場之間補充了大型系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié),采用虛實結(jié)合的方式,直觀地展示了當(dāng)前商用3G、4G等主流移動通信系統(tǒng)的物理層信號處理過程。從關(guān)鍵技術(shù)到完整的信號處理、再到整體系統(tǒng)安排實驗內(nèi)容,逐步遞進,能使學(xué)生全面地了解整個通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),加深學(xué)生對移動通信系統(tǒng)、軟件無線電、編碼原理等課程的認知程度,提高了學(xué)生專業(yè)興趣和理論聯(lián)系實際的能力。電子科技大學(xué)與某技術(shù)有限公司建立聯(lián)合實驗室,在合作完成國家重大項目以及聯(lián)合建設(shè)的4G/5G實驗場基礎(chǔ)上,設(shè)計了 “無線傳輸系統(tǒng)虛擬仿真”實驗平臺,如表4所示。

表4 無線傳輸系統(tǒng)仿真實驗項目

2.5 環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用仿真實驗平臺

中心每個平臺的實驗項目中均有要求實驗完整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的綜合設(shè)計項目,其目的是促進學(xué)生建立良好的大局觀。各平臺技術(shù)側(cè)重點不同,應(yīng)用層實驗項目更強調(diào)數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用的呈現(xiàn)形式。同時,以具體需求為引領(lǐng),完成系統(tǒng)整體設(shè)計。中心從案例規(guī)模、涉及技術(shù)復(fù)雜度和種類、應(yīng)用前景和影響力等方面綜合比較,選擇了比較典型的“環(huán)境監(jiān)測”和“車聯(lián)網(wǎng)”兩個方向。

實驗平臺主要基于電子科大與某石化石油物探技術(shù)研究院、某山地所合作的科研項目成果轉(zhuǎn)化形成。平臺將整個系統(tǒng)的各個部分進行虛擬化建模,從環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、獲取、傳輸、信號處理到特征提取、研判、命令下達、執(zhí)行的全過程綜合型實驗,如表5所示。

表5 環(huán)境監(jiān)測仿真實驗平臺實驗項目

2.6 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仿真實驗平臺

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仿真平臺通過采用軟件仿真的方法,運用專業(yè)的傳播建模軟件仿真城市傳播環(huán)境的無線信道,運用開源的車輛行為仿真軟件以及自研開發(fā)的基于事件驅(qū)動的仿真軟件,在模擬的城市傳播環(huán)境下設(shè)計車聯(lián)網(wǎng)方案并完成調(diào)測,學(xué)生在實驗中既掌握專業(yè)軟件的使用方法并能進行二次開發(fā),具有較高的靈活性與開放性。實驗項目如表6所示。

表6 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仿真實驗平臺

3 特色與創(chuàng)新

通過多年建設(shè),“智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”在虛擬仿真實驗教學(xué)方面形成了“以信息化平臺為支撐,依托學(xué)科優(yōu)勢,科研引導(dǎo)實驗教學(xué)轉(zhuǎn)化,企業(yè)促進實驗教學(xué)建設(shè)”的高水平網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)體系,具體來說,有以下兩大特色。

1)構(gòu)建了完整覆蓋“智慧物聯(lián)”相關(guān)專業(yè)知識領(lǐng)域的綜合性虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

在傳感技術(shù)層面:通過“傳感器件與網(wǎng)絡(luò)”模塊,囊括了光電傳感與網(wǎng)絡(luò)、無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)兩個仿真平臺,涵蓋了有源、無源傳感器件類型,包括了有線、無線傳感網(wǎng)絡(luò)組織方式。

在傳輸層面:“信息接入與傳輸”模塊包含了泛在接入系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)兩個仿真平臺,其中,泛在接入系統(tǒng)虛仿平臺覆蓋了LoRa、ZigBee、WiFi等主流長、短距接入方式,無線傳輸系統(tǒng)虛仿平臺涵蓋了算法級、鏈路級、系統(tǒng)級移動通信仿真實驗；而Internet等傳統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)則由實驗教學(xué)示范中心的實體實驗來開展教學(xué)。

在應(yīng)用層面:“物聯(lián)服務(wù)與應(yīng)用”模塊呈現(xiàn)了減災(zāi)防災(zāi)、油氣勘探、車聯(lián)網(wǎng)等多種典型應(yīng)用。這些平臺的建設(shè)為學(xué)生提供了多層次的綜合訓(xùn)練,增強了學(xué)生對知識系統(tǒng)性、全面性的理解。

2)形成了“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的虛擬仿真實驗建設(shè)理念。

中心注重從科研成果中開發(fā)實驗項目,依托國家級和省部級重點實驗室,在本科虛擬仿真實驗教學(xué)工作中按照 “科研成果引入—教學(xué)實驗項目改造—本科教學(xué)實驗實踐”的建設(shè)思路,不斷將科研成果向教學(xué)實驗轉(zhuǎn)化。如將“通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室”承擔(dān)的多個“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”國家重大專項科研成果進行轉(zhuǎn)換,逐步構(gòu)建了“無線傳輸系統(tǒng)虛擬仿真平臺” “車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用虛擬仿真平臺”的各個實驗項目。

堅持產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合,實驗教學(xué)離不開企業(yè)的深度參與。中心先后與十幾家知名企業(yè)合作,轉(zhuǎn)化企業(yè)需求和應(yīng)用為實驗教學(xué)案例,將實用技術(shù)轉(zhuǎn)化到虛仿模塊、模型中。

智慧物聯(lián)是以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為牽引,學(xué)生不僅僅要學(xué)習(xí)技術(shù)知識,更要從應(yīng)用層面進行宏觀理解。中心虛仿實驗平臺的相互關(guān)系也充分體現(xiàn)了“點面綜合”特點,在每個虛擬仿真平臺的實驗安排上,遵循點面綜合、層次遞進。如無線識別感知與網(wǎng)絡(luò)虛仿實驗平臺就是從信息特性到感知器件,從器件到感知網(wǎng)絡(luò),從點到面的方式組織仿真實驗。

虛擬仿真實驗教學(xué)作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種有效補充,已經(jīng)成為加強實踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[11]。同時,還要注意的是,“虛實結(jié)合,能實不虛”也是實驗教學(xué)的一項基本原則[12]。在建設(shè)中心的同時,仍然要始終重視實體實驗的建設(shè)工作。智慧物聯(lián)虛仿中心依托實驗教學(xué)示范中心的力量,利用已有實物資源,學(xué)生對真實器件、真實設(shè)備、真實網(wǎng)絡(luò)的操作,可以獲得直觀認知,在此基礎(chǔ)上疊加虛擬仿真教學(xué),對難以進行的極端、復(fù)雜、綜合實驗進行深入學(xué)習(xí),有助于學(xué)生深入透徹地掌握相關(guān)知識。虛仿實驗和實體實驗相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題,通過獨立思考與團隊合作,讓學(xué)生體驗認知過程,從而激發(fā)學(xué)術(shù)興趣,啟迪學(xué)術(shù)思維[13]。

4 結(jié)束語

電子科技大學(xué) “智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗中心”依托學(xué)科優(yōu)勢,堅持以學(xué)生為本,人才培養(yǎng)為核心,形成了“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的建設(shè)思路,所構(gòu)建的“3模塊6平臺”的實驗體系,服務(wù)學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)工程、通信工程、光電信息科學(xué)與工程、環(huán)境工程等12個本科專業(yè),學(xué)生通過利用這些資源,取得了一系列高水平成果,效果顯著。今后,中心將繼續(xù)利用學(xué)校在全國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的優(yōu)勢資源,不斷完善實驗資源庫,逐步擴大實驗項目規(guī)模,提高共享效果和水平,創(chuàng)造更好的社會和經(jīng)濟效益。