基于VR技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

徐媛 崔學(xué)鵬

摘要：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合布線課程的教學(xué)內(nèi)容及技能要求，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)分為機(jī)房布線、樓宇布線和園區(qū)網(wǎng)布線3個(gè)系統(tǒng)和8個(gè)子系統(tǒng)，依托虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)，綜合運(yùn)用3Ds max建模技術(shù)、三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)技術(shù)、flash二維動(dòng)畫技術(shù)、Unity 3D交互設(shè)計(jì)技術(shù)等技術(shù)手段，在每個(gè)子系統(tǒng)下設(shè)置學(xué)習(xí)模式、操作模式和考核模式。平臺(tái)的使用可以節(jié)省耗材損耗、降低實(shí)操風(fēng)險(xiǎn)，有效提升網(wǎng)絡(luò)綜合布線課程的實(shí)踐教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)綜合布線; VR 虛擬實(shí)訓(xùn); 教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）18-0075-02

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用的日益成熟，各種類型的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)豐富和改進(jìn)著高校的課程教學(xué)和實(shí)訓(xùn)環(huán)境。然而，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的課程教學(xué)中，雖然有像GNS3、Cisco Packet Tracer等仿真、模擬軟件，但都是針對(duì)軟件層面的配置模擬。而針對(duì)網(wǎng)絡(luò)搭建中涉及硬件設(shè)備安裝、布線等技能的實(shí)操訓(xùn)練則沒有合適的仿真環(huán)境。結(jié)合VR技術(shù)的高仿真、沉浸式、交互性等特點(diǎn)，本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)可提供真實(shí)感的綜合布線實(shí)訓(xùn)環(huán)境，學(xué)習(xí)者能直觀地觀察、學(xué)習(xí)、訓(xùn)練各個(gè)實(shí)訓(xùn)操作環(huán)節(jié)，有效改善學(xué)習(xí)效果。

1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)綜合布線實(shí)訓(xùn)室概況

目前，國內(nèi)各高職院校常見的網(wǎng)絡(luò)綜合布線實(shí)訓(xùn)室大多引進(jìn)成套的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)墻和部分廠商的虛擬軟件，造價(jià)動(dòng)輒幾十萬乃至上百萬，使用時(shí)還存在一系列問題。例如在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，教師一邊講解一邊操作，會(huì)有一部分注意力不集中的學(xué)生觀察不到老師實(shí)際操作的細(xì)節(jié)，在實(shí)訓(xùn)過程中錯(cuò)誤百出;每次的實(shí)訓(xùn)操作都會(huì)耗費(fèi)大量的光纖、管線、網(wǎng)線、水晶頭等一次性實(shí)訓(xùn)耗材，尤其是在學(xué)生對(duì)設(shè)備操作方法不熟練的情況下，由于錯(cuò)誤操作可能會(huì)造成設(shè)備損壞，甚至出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，很多高職院校的綜合布線實(shí)訓(xùn)室利用率不高，大多只是起到演示或驗(yàn)證作用，課程教學(xué)和實(shí)操訓(xùn)練脫節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)做一體化。

2 網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)整體功能設(shè)計(jì)

綜合布線系統(tǒng)是建筑物內(nèi)或建筑物群之間的模塊化、靈活性極高的信息傳輸通道?！毒C合布線規(guī)范》（GB50311-2016）規(guī)定：綜合布線系統(tǒng)包括建筑群子系統(tǒng)、干線子系統(tǒng)和配線子系統(tǒng)。

根據(jù)綜合布線工程內(nèi)容及技能點(diǎn)訓(xùn)練要求，網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)以機(jī)房布線、教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓布線、數(shù)字校園網(wǎng)絡(luò)搭建三個(gè)學(xué)習(xí)情境為主線，圍繞網(wǎng)絡(luò)綜合布線工程項(xiàng)目的進(jìn)度要求選擇和組織實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)工程整體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上掌握必備知識(shí)和操作要領(lǐng)。平臺(tái)中的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了包括機(jī)房布線、樓宇布線、園區(qū)網(wǎng)布線三個(gè)工程項(xiàng)目。

2.2? 平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)綜合布線課程的教學(xué)內(nèi)容及技能要求，網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)分為三個(gè)系統(tǒng)：機(jī)房布線系統(tǒng)、樓宇布線系統(tǒng)和園區(qū)網(wǎng)布線系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)又細(xì)分為2到3個(gè)子系統(tǒng)，平臺(tái)總體框架如圖1所示。

機(jī)房布線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)線路端接、布線路由設(shè)計(jì)及器件安裝等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，分為端接子系統(tǒng)、布線設(shè)備子系統(tǒng)和工作區(qū)子系統(tǒng)。其中，端接子系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括網(wǎng)線接頭制作、光纖熔接、光纖端子安裝、配線架壓接線等;布線設(shè)備子系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括布線路由設(shè)計(jì)、橋架及管線安裝、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜安裝等;工作區(qū)子系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括信息模塊安裝、跳線制作與測(cè)試、線路標(biāo)簽制作等。

樓宇布線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)綜合布線中水平子系統(tǒng)、垂直子系統(tǒng)和管理間子系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。其中，水平子系統(tǒng)主要包括水平布線路由設(shè)計(jì)、橋架安裝以及布線施工等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容;垂直子系統(tǒng)主要包括垂直布線路由設(shè)計(jì)、布線設(shè)備安裝及布線施工等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容;管理間子系統(tǒng)主要包括配線設(shè)備安裝、線路標(biāo)簽制作等內(nèi)容。

園區(qū)網(wǎng)布線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)建筑物之間的線路設(shè)計(jì)、布線施工等內(nèi)容，分為設(shè)備間子系統(tǒng)和建筑群子系統(tǒng)。其中，設(shè)備間子系統(tǒng)主要包括機(jī)柜選型、設(shè)備間配線設(shè)備安裝等內(nèi)容;建筑群子系統(tǒng)主要包括建筑間布線設(shè)計(jì)、布線設(shè)施安裝、布線施工等內(nèi)容。

2.3平臺(tái)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)綜合布線VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)主要依托虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)。在制作場(chǎng)景、設(shè)備、工具、耗材等組件及實(shí)物模型時(shí)，采用三維制作工具3Ds Max，制作過程嚴(yán)格按實(shí)物的比例、顏色材質(zhì)進(jìn)行三維重構(gòu)，呈現(xiàn)了高仿真的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，讓學(xué)生產(chǎn)生臨場(chǎng)感和沉浸感。平臺(tái)選用Unity 3D實(shí)現(xiàn)虛擬漫游及交互功能，并最終通過Unity 3D發(fā)布到Windows桌面端。良好的用戶界面設(shè)計(jì)和邏輯關(guān)系設(shè)定增強(qiáng)了平臺(tái)的交互性和操縱性，可以給學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，讓學(xué)生在有限的時(shí)空內(nèi)得到無限的虛擬體驗(yàn)，通過反復(fù)操作不斷鞏固和提升技能水平。

3網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

在平臺(tái)的具體制作時(shí)，綜合運(yùn)用3Ds max建模技術(shù)、三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)技術(shù)、flash二維動(dòng)畫技術(shù)、Unity 3D交互設(shè)計(jì)技術(shù)等豐富的技術(shù)手段，使學(xué)生在進(jìn)行真實(shí)的綜合布線操作之前，具備一定的感性和理性認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)。

3.1 虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境建模設(shè)計(jì)

綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境主要包括樓宇建筑室外表現(xiàn)、樓宇室內(nèi)的門、窗、墻面、電腦桌椅及照明設(shè)備等靜態(tài)模型。通過3Ds Max中的編輯多邊形等命令實(shí)現(xiàn)建模，建模過程中遵循VR場(chǎng)景建模要求，盡量降低模型面數(shù)以確保場(chǎng)景文件適合實(shí)時(shí)渲染的需求。通過實(shí)拍照片結(jié)合PS處理作為模型貼圖使用，以提高模型仿真度。將模型場(chǎng)景導(dǎo)出成FBX文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D場(chǎng)景中，進(jìn)一步處理光照效果、材質(zhì)特效及環(huán)境等要素。

3.2 虛擬實(shí)訓(xùn)對(duì)象建模設(shè)計(jì)

綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)對(duì)象即各種布線器材，如線纜、剝線鉗、打線鉗、配線架、機(jī)柜、線管等，數(shù)量多且結(jié)構(gòu)形狀各不相同。在3Ds Max中建模時(shí)，對(duì)于一些表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，盡量創(chuàng)建低精度模型，以實(shí)拍照片做漫反射貼圖并處理成法線貼圖、高光貼圖等，賦到材質(zhì)球相應(yīng)貼圖通道并設(shè)置融合程度，從而實(shí)現(xiàn)高仿真的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，并有效降低場(chǎng)景規(guī)模、提高渲染速度。

3.3 虛擬實(shí)訓(xùn)操作動(dòng)畫設(shè)計(jì)

綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)中的操作性內(nèi)容需要先學(xué)習(xí)其操作流程，適合的學(xué)習(xí)方式是先觀看操作視頻或動(dòng)畫，再實(shí)際操作。因此，平臺(tái)采用3Ds Max的動(dòng)畫制作技術(shù)，將諸如雙絞線制作、光纖熔接、光纖端接、布線等技術(shù)以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)，并導(dǎo)入到Unity 3D場(chǎng)景中作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過設(shè)置GUI交互界面按鈕，學(xué)習(xí)者可以選擇某個(gè)動(dòng)畫并反復(fù)觀看。

3.4 虛擬實(shí)訓(xùn)界面交互設(shè)計(jì)

綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)中的系統(tǒng)切換、場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、交互界面、操作及考核模式等內(nèi)容都需要進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，可采用Unity 3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎制作實(shí)現(xiàn)，通過攝影機(jī)設(shè)置、GUI用戶界面設(shè)置及腳本語言來實(shí)現(xiàn)各種交互控制效果。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)綜合布線虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)以三維模型模擬真實(shí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以反復(fù)練習(xí)而不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)線纜、配件和設(shè)備等器材損耗，節(jié)省大量資源，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，通過本平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)一人一機(jī)，滿足正常教學(xué)和實(shí)訓(xùn)需求;所有學(xué)生可同時(shí)學(xué)習(xí)、獨(dú)立與環(huán)境交互、對(duì)實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)操控、反復(fù)觀看，觀察體驗(yàn)效果更加真實(shí)，有效提升實(shí)踐教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】