網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真平臺的開發(fā)與應(yīng)用*

房忠東

（江蘇省邗江中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州225124）

為了解決《網(wǎng)絡(luò)綜合布線技術(shù)》課程實訓(xùn)教學(xué)過程中的一系列問題，我校與上海曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司合作開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真系統(tǒng)。該平臺通過虛擬仿真方式，根據(jù)專業(yè)發(fā)展趨勢與國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了課程與虛擬實訓(xùn)、實踐操作相結(jié)合的教學(xué)體系，讓學(xué)生可以突破時空局限從真實的視角和情境去認(rèn)識和了解網(wǎng)絡(luò)布線所使用到的各種工具、耗材，切身體驗各模塊的完整操作流程，詳細(xì)了解并掌握操作要點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作的習(xí)慣，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析匯總。

一、開發(fā)目的

1.有利于解決工位不足的問題

過去實訓(xùn)時幾個學(xué)生共用一臺設(shè)備，學(xué)生操作的工位嚴(yán)重不足，實訓(xùn)效率大打折扣，教學(xué)效率得不到提高。

采用網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真平臺進(jìn)行教學(xué)時，每位學(xué)生均在計算機(jī)上進(jìn)行模擬實訓(xùn)操作，不受時間、空間的限制，實訓(xùn)效率大大提高。

2.有利于降低實訓(xùn)成本

采用網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真平臺進(jìn)行實訓(xùn)教學(xué)時，無需消耗任何工具和材料，且可以不受時空限制，多次反復(fù)模擬實訓(xùn)，讓學(xué)生充分了解實訓(xùn)內(nèi)容、掌握操作流程、熟悉操作規(guī)范。虛擬仿真實訓(xùn)具有其真實性、豐富性、交互性和易更新性等特點(diǎn)，不需要大量硬件設(shè)備的投入以及硬件設(shè)備的更新?lián)Q代，教學(xué)內(nèi)容可以在虛擬環(huán)境中隨著新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行不斷更新，滿足不斷變化的教學(xué)需求。

3.有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生對簡單機(jī)械、枯燥乏味的實訓(xùn)教學(xué)提不起興趣，絕大多數(shù)學(xué)生不愿意學(xué)、不想學(xué)，沒有學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境可以模擬真實的環(huán)境、形象逼真的三維動畫、豐富的色彩和音樂，有利于提前熟悉實訓(xùn)的真實環(huán)境，熟悉掌握操作技能，了解操作規(guī)范，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.有利于解決安全性問題

綜合布線實操時，在雜亂無章的工地上，仿真“墻上爬高”、“打線”等許多操作，均有一定的危險性。采用仿真教學(xué)時，學(xué)生完全是在計算機(jī)前進(jìn)行操作，有效避免安全事故的發(fā)生。

二、開發(fā)原則

1.高度逼真性原則

平臺內(nèi)的場景、設(shè)備、工具等形象逼真，使用者有身臨其境之感，能夠提高學(xué)生的專業(yè)意識、使用熱情和學(xué)習(xí)興趣。

2.模塊化設(shè)計原則

本平臺框架設(shè)計上遵循模塊化、開放性原則，平臺先期開發(fā)了17個模塊，這些模塊之間有關(guān)聯(lián)也相互獨(dú)立，以保證本仿真系統(tǒng)后期的可擴(kuò)充性，便于軟件后期的增容和維護(hù)。

3.多功能性、易操作性原則

采用恰當(dāng)?shù)墓δ茉O(shè)計，增強(qiáng)用戶的交互操作體驗；用戶操作界面友好，導(dǎo)航簡潔、清晰、明確，學(xué)生可在簡單培訓(xùn)后自主學(xué)習(xí)使用。

4.嚴(yán)格按照國家操作規(guī)范原則

仿真內(nèi)容的實現(xiàn)形式、操作方式、工作流程等，嚴(yán)格遵循國家網(wǎng)絡(luò)綜合布線相關(guān)的操作規(guī)范和專業(yè)技術(shù)要求。學(xué)生通過學(xué)習(xí)即可掌握這些操作規(guī)范，為實際操作打下堅實基礎(chǔ)。

5.切合教學(xué)應(yīng)用原則

軟件設(shè)計貼合教學(xué)實際，可用于教師的演示授課，也可用于學(xué)生的課堂練習(xí)，還可以對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)考核。

三、平臺介紹

1.系統(tǒng)軟件架構(gòu)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR-Virtual Reality）構(gòu)建出一個逼真的三維環(huán)境，學(xué)生通過計算機(jī)輸入輸出設(shè)備跟虛擬世界中的實體進(jìn)行信息交換，產(chǎn)生仿真結(jié)果。讓學(xué)生在三維環(huán)境中學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)綜合布線作業(yè)。按照應(yīng)用軟件的架構(gòu)層級，本系統(tǒng)總體分為 “系統(tǒng)支撐層”、“數(shù)據(jù)庫及模型庫層”、“系統(tǒng)仿真層”和“系統(tǒng)應(yīng)用層”四大層級。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的支撐與保障，包括與系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)體系和運(yùn)行環(huán)境體系兩部分。運(yùn)行環(huán)境體系包括機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施、硬件及網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件、安防及備災(zāi)等。

（2）數(shù)據(jù)庫與模型庫

數(shù)據(jù)庫與模型庫是虛擬仿真實驗項目的基礎(chǔ)，它包括兩部分的內(nèi)容，其中數(shù)據(jù)庫中主要以字段的形式存放相關(guān)屬性信息、用戶信息、模型信息、操作記錄信息等數(shù)據(jù)；模型庫中既包含了虛擬場景中所用到的模型數(shù)據(jù)，模型庫中的信息通常以文件的形式進(jìn)行存儲，通過索引和元數(shù)據(jù)的形式與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。

（3）系統(tǒng)仿真層

系統(tǒng)仿真層是虛擬仿真實驗項目建設(shè)的核心內(nèi)容，它以平臺門戶系統(tǒng)為統(tǒng)一訪問界面，對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能服務(wù)接口。用戶既可以通過支撐平臺所提供的功能完成相關(guān)認(rèn)知、練習(xí)、考核等工作，又可以利用支撐平臺所保留的接口功能，完成數(shù)據(jù)添加、用戶與權(quán)限管理等操作。

（4）系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用平臺建立在數(shù)據(jù)支撐平臺之上，根據(jù)平臺歸納，分為以下功能模塊：

系統(tǒng)應(yīng)用層整體來說可分為跳線制作、模塊端接、配線架端接、測試鏈路制作、永久鏈路制作、大對數(shù)端接、機(jī)柜安裝、管卡安裝、線管制作、線槽制作、穿線操作、底盒安裝、TV同軸線纜操作、大對數(shù)端接、FD-BDCD之間鏈接、光纖冷接、光纖熱熔等17個模塊。

2.使用環(huán)境

通過虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中了解作業(yè)過程中的知識點(diǎn)，查看作業(yè)中所涉及的工具：在練習(xí)模式中體驗17個實驗知識點(diǎn)，掌握作業(yè)的基本技巧；在考核模式中完成整個作業(yè)流程。教師可以通過后臺查看學(xué)生的成績記錄，系統(tǒng)包括兩個版本：PC版和VR頭盔版，其中PC版與平臺管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)⒂脩粜畔⒓俺煽冃畔⒎答伒胶笈_管理系統(tǒng)，老師可查閱分析。

3.系統(tǒng)軟件應(yīng)用

平臺使用時，學(xué)生、老師通過輸入用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。登錄后的主界面，包括了練習(xí)模式、考核模式、認(rèn)知模式三大模塊。

（1）練習(xí)模式

選擇練習(xí)模式后，出現(xiàn)制作跳線、光纖熱熔、大對數(shù)端接、模塊端接、配線架端接等17個訓(xùn)練模塊，如圖2所示，每個訓(xùn)練模塊有一套題目供學(xué)生練習(xí)。

圖2 17個訓(xùn)練模塊

學(xué)生在操作時，平臺中間下方給出操作步驟，平臺左右兩側(cè)給出本模塊所有需要使用到的耗材和工具，供學(xué)生選擇。在每一步操作前，平臺會給出下一步的操作提示，提示內(nèi)容包含使用什么工具、材料或者采用什么方法等信息，幫助初學(xué)者快速掌握操作方法。平臺還顯示當(dāng)前已經(jīng)完成的進(jìn)度狀態(tài)，幫助學(xué)生從整體上掌握操作流程和操作步驟。

如果學(xué)生操作正確，則直接進(jìn)入下一步操作。如學(xué)生操作不正確，系統(tǒng)將給出錯誤操作的提示，重新操作，直到操作正確方可進(jìn)入下一步。如果實在不會操作，還可以求助于“幫助”功能再詳細(xì)學(xué)習(xí)。

對于水晶頭、配線架等立體感較強(qiáng)的設(shè)備或工具，在操作過程中，可以實現(xiàn)對其進(jìn)行放大、上下左右查看、360度空間自由旋轉(zhuǎn)等，查看操作過程中的各種狀態(tài)，使學(xué)生全面、細(xì)致地了解每個操作步驟和過程。

（2）考核模式

在考核模式中，系統(tǒng)設(shè)置了三套考題。考核時系統(tǒng)隨機(jī)抽選一套，學(xué)生會根據(jù)系統(tǒng)給出的施工圖完成流程中的每個步驟，在VR版中也會有UI界面提供給學(xué)生進(jìn)入考核模塊。在考核模式中，學(xué)生每一步操作完成后，不論操作正確與錯誤都直接進(jìn)入下一步操作，操作錯誤將不會再被提示，系統(tǒng)會自動記錄下錯誤的故障點(diǎn)，直到全部操作完成后，才會公布考核成績，PC端老師可以通過后臺了解學(xué)生操作時的錯誤點(diǎn)以及總成績。

（3）認(rèn)知模式

認(rèn)知模式是以三維模型和文字描述的形式呈現(xiàn)實訓(xùn)中所用的工具設(shè)備和所需耗材。學(xué)生可以進(jìn)行文字學(xué)習(xí)，還可360度自由旋轉(zhuǎn)查看,部分工具還可以采用動畫演示。在VR版中，學(xué)生可以通過點(diǎn)擊擺放在陳列柜里的工具，使用手柄交互360度查看工具模型。當(dāng)然學(xué)生在練習(xí)模式下對于還不太熟悉的工具或耗材還可以臨時單擊來學(xué)習(xí)。

4.系統(tǒng)開發(fā)平臺

該系統(tǒng)支持融合三維設(shè)計建模平臺、虛擬協(xié)同設(shè)計平臺在相關(guān)設(shè)備設(shè)計和實訓(xùn)室設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)的完美兼容，解決了多平臺間大數(shù)據(jù)的一體化立體顯示，通過人機(jī)交互解決實訓(xùn)室與設(shè)備之間的運(yùn)作布局、相互關(guān)系等，能夠輔助教學(xué)，支持實時的交互漫游與操作，讓學(xué)生能夠帶上頭盔就達(dá)到親臨現(xiàn)場的效果。

系統(tǒng)軟件部分主要由DVS3D（Design&Virtual Reality&Simulation，協(xié)同設(shè)計仿真交互平臺）解決大數(shù)據(jù)的一體化立體顯示和協(xié)同設(shè)計的交互。DVS3D可直接實時獲取多種3D輔助設(shè)計軟件數(shù)據(jù)內(nèi)容，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，減少數(shù)據(jù)損壞或丟失，可以自由地搭建3D虛擬場景，快速制作顯示效果；結(jié)合3D立體沉浸式投影系統(tǒng)和交互設(shè)備，具備協(xié)同設(shè)計、可視管理、實時交互等特點(diǎn)。

5.虛擬現(xiàn)實頭盔

我們采用的頭盔是HTC Vive。屏幕刷新率為90Hz，搭配兩個無線控制器，并具備手勢追蹤功能。

HTC Vive主要參數(shù)：組合分辨率為2160 x 1200；刷新率為90幀每秒；支持360°移動追蹤；2臺激光定位器；2臺交互控制器；32個頭戴式設(shè)備感應(yīng)器；24個操控手柄感應(yīng)器；支持兩個軸線方向上精確定位頭部旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)精確度可達(dá)1/10度；追蹤物理位置最大為15 X 15英尺。

四、建設(shè)成效

1.學(xué)生在學(xué)習(xí)上取得的成效

（1）采用游戲式的場景，讓學(xué)生能夠身臨其境地進(jìn)入綜合布線場景，并十分投入地完成全程各個環(huán)節(jié)，從而獲得所需知識，形成相應(yīng)技能。

（2）采用仿真系統(tǒng)和虛擬仿真頭盔兩種模式，解決學(xué)生批量實驗實習(xí)的需求和高仿真度的場景模擬。

（3）學(xué)生在仿真實訓(xùn)操作時更有興趣、更容易集中注意力，節(jié)約了學(xué)習(xí)時間，提高了學(xué)習(xí)效率。

2.教師在教學(xué)上取得的成效

（1）真實地展示了實踐操作的全過程，加強(qiáng)了教師駕馭現(xiàn)場教學(xué)的能力。

（2）讓學(xué)生充分掌握操作方法、理解操作規(guī)范，便于教師現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生掌握技能。

（3）17個模塊的建立，真實再現(xiàn)了綜合布線的每一個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生了解了每個環(huán)節(jié)的內(nèi)容及細(xì)節(jié)，讓教學(xué)過程更靈活多樣。

五、平臺展望

下一步，我們將不斷優(yōu)化《網(wǎng)絡(luò)綜合布線技術(shù)》課程虛擬仿真實驗實訓(xùn)平臺，期望加入江蘇省教育廳組織的中等職業(yè)學(xué)校信息化綜合實訓(xùn)平臺建設(shè)，將此平臺作為中等職業(yè)學(xué)校學(xué)業(yè)水平考試計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)技能虛擬仿真考核平臺。另外，我們將努力實現(xiàn)實訓(xùn)平臺的網(wǎng)絡(luò)化在線學(xué)習(xí)、考核，學(xué)生可以在校內(nèi)外、課內(nèi)外進(jìn)行學(xué)習(xí)，突破時間、空間的限制，同時開發(fā)出更多的虛擬工具和場景，引領(lǐng)綜合布線教學(xué)改革和資源建設(shè)，建立教學(xué)和資源融為一體的全面、系統(tǒng)的教學(xué)體系。