某型挖掘機在線虛擬仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)

孫志丹，王海濤，趙華琛，翟仕奇

某型挖掘機在線虛擬仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)

孫志丹，王海濤，趙華琛，翟仕奇

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

以挖掘機為例，講解了在線虛擬仿真平臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，平臺設(shè)計包括訓(xùn)練內(nèi)容規(guī)劃、基本功能設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)方案和考核等級劃分四個方面。然后從在線虛擬示教和技能訓(xùn)練兩個角度規(guī)劃訓(xùn)練內(nèi)容，并以挖掘機底盤為例進一步說明具體知識點；從課程、資源、運維、統(tǒng)計分析等角度闡述平臺應(yīng)具有的基本功能；從硬件、軟件等方面講述技術(shù)實現(xiàn)方案；通過三個層次劃分考核等級，以及每個等級應(yīng)具有的水平能力。最后展示平臺實現(xiàn)的部分界面并進行簡要說明。

挖掘機械；虛擬仿真；在線教學(xué)

工程機械裝備在建筑、交通等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，掌握其基本形態(tài)、組成、工作原理、維護保養(yǎng)方法、故障分析判斷與排除技巧是相關(guān)高校和專業(yè)人員必備的技能。但是，工程機械通常體積龐大，不能隨意拆裝用于教學(xué)，故障分析、維護保養(yǎng)需要依賴專業(yè)知識。因此，將工程機械直接搬進教室展開授課，既不方便，也難以實現(xiàn)。

當(dāng)前，課堂教學(xué)業(yè)已成為推進新型技術(shù)和教育融合的主戰(zhàn)場[1]。為此，國家推出了MOOC等多種形式的在線教學(xué)平臺，通過這些平臺，將實際裝備的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練等工作移植到網(wǎng)絡(luò)上，形成輕量化、方便性、低成本的在線虛擬平臺，并支持虛擬數(shù)據(jù)的匯總與分析，進而促進課堂教學(xué)的飛躍提升[2-3]。文章以國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心為依托，以某型挖掘機為例，分析挖掘機在線虛擬仿真平臺的設(shè)計，包括訓(xùn)練內(nèi)容、基本功能、技術(shù)架構(gòu)和考核方法設(shè)計，并開發(fā)和實現(xiàn)相應(yīng)的在線虛擬訓(xùn)練平臺。

1 挖掘機在線虛擬平臺設(shè)計

挖掘機在線虛擬平臺設(shè)計包括訓(xùn)練內(nèi)容、基本功能、技術(shù)架構(gòu)和考核方法等4個方面，如圖1所示。

圖1 挖掘機在線虛擬平臺設(shè)計4個方面

1.1 虛擬訓(xùn)練內(nèi)容規(guī)劃

訓(xùn)練內(nèi)容是開展在線仿真平臺的核心要素。結(jié)合挖掘機特點，為了向訓(xùn)練者提供多角度全方位的在線訓(xùn)練平臺，訓(xùn)練內(nèi)容應(yīng)該包括在線虛擬示教和虛擬訓(xùn)練兩部分，涵蓋挖掘機的基礎(chǔ)知識、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、維護保養(yǎng)、故障判斷、故障排除等相關(guān)內(nèi)容。

1.1.1 在線虛擬示教

結(jié)合圖文、語音、漫游、案例分析、虛擬演示、可控交互等方式，系統(tǒng)、直觀地介紹挖掘機的性能特點、結(jié)構(gòu)原理和維修基礎(chǔ)知識，支持多視角、多方式的虛擬觀察和虛擬演示。以挖掘機輪式底盤為例，虛擬示教內(nèi)容如圖3所示。

（1）挖掘機基本知識示教：講解其功用、分類、基本組成和主要參數(shù)等知識。

（2）挖掘機外部形態(tài)與組成結(jié)構(gòu)示教：講解和演示挖掘機發(fā)動機、底盤、工作裝置的組成、特點、連接關(guān)系及動力傳遞路徑，學(xué)生可多角度、自主觀察所屬子系統(tǒng)的外部形態(tài)和組成結(jié)構(gòu)。

（3）挖掘機典型部件工作原理示教：講解和演示發(fā)動機、底盤、工作裝置、液壓系統(tǒng)的工作原理，學(xué)生可多角度、自主觀察工作原理，并能進行工作過程控制[4]。

圖2 虛擬示教參考科目

1.1.2 在線技能訓(xùn)練

構(gòu)建虛擬拆裝、保養(yǎng)、維修等多種虛擬教學(xué)模塊，支持在線或離線方式，進行零部件分解裝配、總成維護保養(yǎng)、典型故障修理的在線演示、訓(xùn)練和自主測試。保存訓(xùn)練過程和相關(guān)數(shù)據(jù)，用于后期查詢、統(tǒng)計和分析[5]。以挖掘機輪式底盤為例，在線訓(xùn)練內(nèi)容如圖3所示。

（1）拆裝技能訓(xùn)練：采取文字提示、虛擬演示、虛擬練習(xí)、可控交互等形式，對挖掘機的發(fā)動機、液力變矩器、變速器、離合器、傳動軸、轉(zhuǎn)向器、制動器、驅(qū)動橋、工作裝置等部件、總成進行虛擬分解和裝配訓(xùn)練，使用戶通過反復(fù)的交互操作，熟悉部件的拆裝方法，理解部件結(jié)構(gòu)組成及約束關(guān)系。

（2）維護保養(yǎng)訓(xùn)練：根據(jù)挖掘機保養(yǎng)規(guī)程，運用文字介紹、語音提示、圖片強調(diào)、虛擬訓(xùn)練等形式，對發(fā)動機、底盤等檢查保養(yǎng)內(nèi)容、方法、時機、要求和基本程序進行訓(xùn)練。用戶通過在線虛擬操作，重點進行檢查、調(diào)整、緊定、潤滑、清潔等內(nèi)容和方法的練習(xí)。

（3）故障判斷與排除：通過現(xiàn)象模擬、文字介紹、動畫展示、故障樹推理、虛擬操作等方式，構(gòu)建多自由度的虛擬訓(xùn)練過程，開展發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)的常見故障現(xiàn)象和故障部件的分析與排除訓(xùn)練，以及綜合故障的分析與排除訓(xùn)練，故障分析與排除過程中，能夠體現(xiàn)由外到內(nèi)、由簡單到復(fù)雜、由常見到不常見等技術(shù)手段。

圖3 虛擬訓(xùn)練參考科目

1.2 在線訓(xùn)練平臺基本功能設(shè)計

基本功能是體現(xiàn)在線訓(xùn)練平臺的應(yīng)用載體。在線訓(xùn)練平臺基本功能包括課程管理、資源管理、標(biāo)準(zhǔn)管理、運維管理、統(tǒng)計分析等模塊，形成功能強大、使用方便、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、界面友好、美觀大方的在線平臺。

1.2.1 課程管理

課程管理的目的是為了保證課程建設(shè)的適用性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性和高效性，課程信息發(fā)布的正確性、合理性和及時性，以及課程運行的穩(wěn)定性、便利性、交互性，課程質(zhì)量評估的客觀性。課程管理的主要功能如圖4所示。

圖4 課程管理主要功能

（1）課程上傳與管理

在線課程提供兩種上傳方式，一是基于成熟系統(tǒng)提供的在線課程框架進行內(nèi)容模塊和方法組織的課程，老師可以通過專用接口上傳、控制課程內(nèi)容與實施過程，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)示范直播、點對點實時輔導(dǎo)等，此類課程稱為“標(biāo)準(zhǔn)課程”；二是鏈接現(xiàn)有課程，課程上傳時只需提供鏈接URL和運行需求即可，此類課程稱為“外掛課程”。上傳完成后，老師可以對所上傳課程進行修改、刪除，也可以根據(jù)課程名稱、時間段進行查詢。此外，“標(biāo)準(zhǔn)課程”建設(shè)者可通過系統(tǒng)提供課程上傳接口，對課程內(nèi)容進行更新、升級維護；“外掛課程”由課程建設(shè)者自己維護，系統(tǒng)只提供鏈接更新或存儲更新。

（2）課程審核與批準(zhǔn)

課程審核是確保課程框架、內(nèi)容、教學(xué)方法等準(zhǔn)確、合理、適用、規(guī)范及運行穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該工作由專業(yè)管理員完成，他需對上傳課程內(nèi)容的政治性、專業(yè)性、適用性、實用性進行審核，通過審核確定課程是否上線發(fā)布、是否需要修改，對于存在問題的課程需提出修改意見或直接拒絕上線。

（3）課程計劃與預(yù)約

考慮到教學(xué)對象專業(yè)、崗位、知識基礎(chǔ)等多樣化，為不同專業(yè)、對象和層次的教學(xué)對象制定參考教學(xué)計劃，特別是針對部分存在老師與學(xué)生實時互動教學(xué)環(huán)節(jié)，或課程教學(xué)人數(shù)、上課條件存在限制的課程，需綜合考慮老師的授課時間和學(xué)生的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)條件，進行課程預(yù)約或節(jié)次預(yù)約。在確保課程教學(xué)系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上，提高教學(xué)運行的靈活性和合理性。

（4）課程運行與監(jiān)控

課程運行是系統(tǒng)的核心功能之一，主要為系統(tǒng)內(nèi)發(fā)布和列入課程教學(xué)計劃的課程提供技術(shù)、資源、設(shè)備等全面支撐。按課程上傳類型有所區(qū)別。對“外掛課程”只提供鏈接和問題反饋服務(wù)，對“標(biāo)準(zhǔn)課程”則提供插件下載、運行環(huán)境配置、在線點名、遠程交互控制、網(wǎng)內(nèi)示范直播、點對點實時輔導(dǎo)、課內(nèi)協(xié)同作業(yè)、在線考試等多種功能技術(shù)支持。課程運行過程中，相關(guān)運行數(shù)據(jù)被記錄與監(jiān)控。

（5）課程微博與評估

每一門課程由課程組的主講老師開設(shè)一個課程微博，用于老師在線發(fā)布課程內(nèi)容簡介、更新、課程預(yù)約、課后作業(yè)等信息，以及老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生進行在線交流。系統(tǒng)管理員、專業(yè)管理員根據(jù)課程開課頻率、教學(xué)效果、運行穩(wěn)定性和學(xué)生選課率、學(xué)習(xí)狀態(tài)和考試成績，以及微博運行情況，定期對課程進行評估。按優(yōu)、良、中、差、不合格等五級進行課程等級評定，對優(yōu)秀課程在首頁開設(shè)專欄進行推薦、介紹，優(yōu)良課程在專業(yè)課程目錄內(nèi)進行標(biāo)注和靠前排列。對開課少、學(xué)生選課少、運行不穩(wěn)定、內(nèi)容陳舊、錯誤多、技術(shù)和方法不合理的較差或不合格課程，提出修改意見或直接淘汰。

1.2.2 資源管理

資源管理主要用于對挖掘機模型庫進行管理，包括資源的分類、審核、在線創(chuàng)建、設(shè)計等功能，如圖5所示。

圖5 資源管理功能模塊

（1）資源分類與管理

按照挖掘機具體組成進行分類，包括發(fā)動機、底盤、工作裝置、上裝與輔助裝置，將三維模型進行歸類，形成相應(yīng)的類別編號，便于查詢、統(tǒng)計和管理。

（2）資源審核與推薦

系統(tǒng)管理對上傳和共享的資源進行審核，包括資源的類型、格式、技術(shù)規(guī)格、內(nèi)容正確性與完整性、適用性與合理性等，只有通過審核的資源才可能收納入系統(tǒng)資源庫，并為廣大老師、學(xué)生和管理者所用，確保系統(tǒng)內(nèi)資源的有效性、安全性、實用性。

資源審核通過后，根據(jù)其使用頻率和評價情況，由平臺自動嵌入優(yōu)良等級。對于制作精良、準(zhǔn)確有效的資源，在平臺首頁進行資源推薦和簡介，幫助使用者盡可能找到和使用優(yōu)質(zhì)課程資源。

（3）資源在線創(chuàng)建與設(shè)計

在線資源創(chuàng)建包括構(gòu)建虛擬教學(xué)環(huán)境和挖掘機各零件的在線設(shè)計兩種功能[6]。其中虛擬教學(xué)環(huán)境在線定制是指依據(jù)特定氣候、地理、環(huán)境，構(gòu)建符合挖掘機駕駛和作業(yè)條件的虛擬教學(xué)場景，包括教學(xué)訓(xùn)練設(shè)施設(shè)備、場地、氣候環(huán)境、器材、人員等，進而提高虛擬訓(xùn)練的逼真感與流暢度。在線資源創(chuàng)建是指利用按鈕、圖片等UI元素，構(gòu)建功能強大的三維模型編輯器，完成挖掘機各部分零件的三維模型設(shè)計，且兼容Solidworks、3D Max、Unity 3D等軟件。

1.2.3 運維管理

運維管理實現(xiàn)用戶、角色、權(quán)限、日志等管理以及數(shù)據(jù)維護等功能，如圖6所示。

圖6 運維管理功能模塊

（1）用戶與角色管理

系統(tǒng)對使用與管理人員進行角色與權(quán)限分級管理，按學(xué)生、老師、系統(tǒng)管理員等三類角色配屬不同的使用功能與權(quán)限。

學(xué)生：對象為各類課程學(xué)習(xí)者。學(xué)生實名注冊審核通過后，可以在系統(tǒng)內(nèi)按課程教學(xué)計劃選擇、預(yù)約課程進行學(xué)習(xí)、考核，以及在課程微博內(nèi)與老師、其它學(xué)生進行交流，也可在系統(tǒng)留言板內(nèi)給系統(tǒng)管理員留言。

老師：對象為院校、培訓(xùn)機構(gòu)承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的老師。老師實名注冊審核通過后，可以查閱相關(guān)課程內(nèi)容體系標(biāo)準(zhǔn)；通過系統(tǒng)課程上傳接口上傳按系統(tǒng)課程內(nèi)容及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的課程，通過課程審核后可在線發(fā)布和進行教學(xué)；對自己新上線課程進行運行測試；組織課程考核及成績發(fā)布；與系統(tǒng)管理員進行交流。

系統(tǒng)管理員：系統(tǒng)管理員為系統(tǒng)建設(shè)和管理維護最高權(quán)限者，主要權(quán)限及職責(zé)為包括對老師所建設(shè)課程進行最終審核，并發(fā)布審核結(jié)果或修改意見；掌握和分析所有專業(yè)學(xué)生選課情況、學(xué)習(xí)情況、學(xué)習(xí)效果等；掌握和分析老師建課、開課情況及教學(xué)效果；制訂和維護總體課程內(nèi)容體系及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；建設(shè)和維護典型裝備數(shù)字模型、通用型虛擬教學(xué)資源和在線課程建設(shè)技術(shù)資源等課程建設(shè)資源。

（2）教學(xué)日志管理

主要用于記錄老師開課、在線教學(xué)、答疑和學(xué)生選課、上課、考核等教學(xué)相關(guān)信息，為進行課程、老師、學(xué)生評價提供參考依據(jù)，支持查詢、統(tǒng)計、分析等功能。

（3）在線交互管理

建立學(xué)生、老師、系統(tǒng)管理員進行溝通的渠道，通過直接交流或者系統(tǒng)留言板上留言等方式，給系統(tǒng)運行、管理和課程與資源建設(shè)提出意見和建議。

（4）數(shù)據(jù)維護管理

為保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，建立數(shù)據(jù)定期備份的軟硬件條件及機制，備份、恢復(fù)和修復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

1.2.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析主要通過地圖、柱狀圖、餅圖、數(shù)據(jù)等多種形式，進行系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用于幫助職業(yè)教育管理部門和系統(tǒng)管理員掌握在線課程建設(shè)、運行和課程教學(xué)效果等情況，為后續(xù)工作開展提供決策依據(jù)，統(tǒng)計項目如圖7所示。

圖7 統(tǒng)計分析功能模塊

（1）學(xué)生信息分布統(tǒng)計

對注冊、選課、學(xué)習(xí)的學(xué)生專業(yè)、崗位、類型、層次、單位分布等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

（2）學(xué)生選課信息統(tǒng)計

對學(xué)生所選課程類型、名稱、數(shù)量、時間等進行統(tǒng)計分析，便于掌握不同類型、專業(yè)和崗位學(xué)生的選課特點及學(xué)習(xí)興趣。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

對學(xué)生開展所選課程的學(xué)習(xí)時間、進度、效果、成績等進行統(tǒng)計分析，為制定和調(diào)整課程教學(xué)計劃和進行課程評估提供參考依據(jù)。

（4）課程教學(xué)情況分析

按課程進行學(xué)生選課比率、開課情況、在線教學(xué)情況、在線互動情況、學(xué)生成績分布等進行統(tǒng)計分析，為進行課程評估、老師評估提供參考依據(jù)。

1.3 在線訓(xùn)練平臺技術(shù)實現(xiàn)方案

技術(shù)架構(gòu)是運行在線訓(xùn)練平臺的可靠保障。在線訓(xùn)練平臺的技術(shù)架構(gòu)應(yīng)該從硬件、軟件、技術(shù)等多角度進行設(shè)計和評判，著重考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可維護性、易擴展性以及開源、國產(chǎn)化、通用化、網(wǎng)絡(luò)化、體系化等訴求，旨在為構(gòu)建穩(wěn)定可靠、維護方便、性能穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)課程。

1.3.1 系統(tǒng)硬件組成

在線虛擬訓(xùn)練課程采用BS架構(gòu)，并利用客戶端VR/AR設(shè)備實現(xiàn)離線訓(xùn)練，因此，系統(tǒng)至少應(yīng)該包括服務(wù)器、客戶機等，典型課程的硬件組成如圖8所示。

圖8 虛擬訓(xùn)練課程硬件組成

服務(wù)器分為三種類型，分別Web服務(wù)器、文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web服務(wù)器對外提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用戶可以使用URL直接進行登錄、注冊、訓(xùn)練等工作；文件服務(wù)器用于存儲和管理資源文件和相關(guān)課程、資源標(biāo)準(zhǔn)文件，包括課程建設(shè)所需的各種素材，如裝備、設(shè)備、儀器、工具、自然環(huán)境等三維模型、圖像、音頻等；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲和管理用戶信息和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，便于后期查詢、統(tǒng)計、分析訓(xùn)練情況。HTC VR頭盔、愛普生智能眼鏡、華為AR眼鏡、微軟HoloLens頭顯均為虛擬訓(xùn)練設(shè)備，用于較大型訓(xùn)練項目離線下載后使用。

1.3.2 平臺邏輯結(jié)構(gòu)

在硬件的基礎(chǔ)上，在線虛擬訓(xùn)練課程平臺應(yīng)按照的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)該按照三個層次的方式組織，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、Web服務(wù)層、終端層，如圖9所示。

圖9 虛擬訓(xùn)練課程邏輯結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層提供最基本的公共服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、物理服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。終端層包括HoloLens、華為、HTC、愛普生和瀏覽器終端。Web服務(wù)層提供網(wǎng)絡(luò)后臺服務(wù)，同時向網(wǎng)頁和VR/AR終端提供Web服務(wù)。隨著國產(chǎn)化和使用開源軟件的需求越來越迫切，在線虛擬訓(xùn)練課程的應(yīng)該以開源軟件和國產(chǎn)化為主，Web服務(wù)層以Tomcat為Web容器，Nginx為反向代理服務(wù)器，Java為主體開發(fā)語言，它們具有開源、免費、性能穩(wěn)定、使用廣泛等特點。

1.3.3 系統(tǒng)軟件體系

從國產(chǎn)化、開源、免費、性能穩(wěn)定、使用廣泛等要求出發(fā)，在線虛擬訓(xùn)練課程軟件系統(tǒng)采用J2EE軟件體系架構(gòu)，包括三層架構(gòu)、MVC設(shè)計模式和SSM軟件架構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方式。

（1）三層架構(gòu)一般包括表示層、業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)訪問層。表示層可采用JSP、HTML、CSS、Javascript、Bootstrap、Easyui、FusionChart、VUE等技術(shù)與語言。業(yè)務(wù)邏輯層由Spring框架進行管理，并通過Spring MVC與表示層進行關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)庫訪問層由MyBatis進行持久化操作，并由MySql、達夢等數(shù)據(jù)庫進行存儲管理。

（2）MVC模式包括模型Model、視圖View、控制器Control，分別實現(xiàn)業(yè)務(wù)管理、界面呈現(xiàn)、跳轉(zhuǎn)控制等目的。其中Model一般可以對應(yīng)于三層架構(gòu)的業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)訪問層，View與表示層基本相同，Control不處理具體業(yè)務(wù)邏輯，僅實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，可以由Servlet或Spring Control實現(xiàn)[8]。

（3）SSM，是Spring＋Spring MVC＋MyBatis的簡稱，它是MVC設(shè)計模式的一個具體應(yīng)用和優(yōu)秀代表[9]。

1.3.4 軟件開發(fā)工具

在線虛擬訓(xùn)練課程以軟件開發(fā)為主，依賴于多種產(chǎn)品（工具、平臺和IDE），各種產(chǎn)品的名稱、版本、主要作用如表1所示[10]。

表1 在線虛擬訓(xùn)練課程應(yīng)用到的主要產(chǎn)品

1.4 在線訓(xùn)練平臺考核等級劃分

訓(xùn)練考核是檢驗和鞏固在線訓(xùn)練平臺教學(xué)效果的鞏固手段?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的支撐，課程考核可以實現(xiàn)多種方式，如理論考試、認知測試、流程性評價和分級分類闖關(guān)考核等。例如發(fā)動機維修的闖關(guān)考核，就可以在一定戰(zhàn)術(shù)或游戲背景下，設(shè)置多種綜合性關(guān)卡，將理論知識、訓(xùn)練技能、實踐經(jīng)驗融合在一起，進行綜合性考核評價，旨在通過為學(xué)生提供融合了沉浸感、挫敗感和成就感的在線闖關(guān)考核方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、趣味性和自主性。闖關(guān)考核可以分為三個等級進行，一級技師、二級技師和三級技師三個等級，每一級又分入門、進階和提升三個階段。闖關(guān)考核的成績作為進入下一階段、更高等級學(xué)習(xí)的依據(jù)。

挖掘機輪式底盤各級考核內(nèi)容參考如圖10所示。為闖關(guān)考核評估中，各級技師的參考考核內(nèi)容，每級技師對應(yīng)的入門、進階和提升三個階段的具體內(nèi)容，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以靈活滿足考核要求。

圖10 闖關(guān)考核評估參考內(nèi)容

2 挖掘機在線虛擬平臺實現(xiàn)案例

根據(jù)設(shè)計與分析，平臺基本功能，如課程管理、資源管理等，屬網(wǎng)絡(luò)開發(fā)范疇，與一般在線教學(xué)網(wǎng)站差別不大，核心功能為在線虛擬示教和技能訓(xùn)練，核心功能主頁如圖11所示。主頁上方為功能模塊，左側(cè)為導(dǎo)航條，導(dǎo)航鏈接與模塊相一致。

圖12為工作原理模塊對應(yīng)的子功能，包括發(fā)動機和底盤四大系統(tǒng)典型部件的工作原理。點擊“發(fā)動機”，進入發(fā)動機工作原理示教模塊，如（a）所示。（b）為拆裝訓(xùn)練模塊的變速器組裝練習(xí)初始狀態(tài)，該狀態(tài)下，變速器殼體位于組裝臺上，其余零件位于工作臺和抽屜中，練習(xí)者可以根據(jù)提示或經(jīng)驗裝配變速器。（c）為維護保養(yǎng)模塊中每班保養(yǎng)的檢查連接件狀態(tài)截圖。（d）為故障排除模塊的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障分析判斷與排除階段狀態(tài)。

圖11 某型挖掘機虛擬示教與技能訓(xùn)練“工作原理”頁

圖12 某型挖掘機虛擬示教與技能訓(xùn)練部分科目

3 小結(jié)

利用虛擬實驗室開展實驗教學(xué)能有效降低實驗成本、擴大受益面、實現(xiàn)資源共享[11]。根據(jù)《關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2015〕24號）要求，筆者單位對某型挖掘機在線虛擬仿真平臺進行設(shè)計和研發(fā)[12]，經(jīng)過相關(guān)部門檢驗和測試，本文設(shè)計方案和實現(xiàn)平臺均符合國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)要求。

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Design and Implementation of Online Virtual Simulation Platform for a Certain Excavator

SUN Zhidan，WANG Haitao，ZHAO Huachen，ZHAI Shiqi

(Army University of Engineering, Nanjing 210007, China )

Taking an excavator as an example, the design and implementation method of an online virtual simulation platform system is explained. The platform design includes four aspects: training content planning, basic function design, technical realization plan and assessment level division. The training content is planned from the two perspectives of online virtual teaching and skill training, and the excavator chassis is taken as an example to further explain the specific knowledge points; the basic functions of the platform are explained from the courses, resources, operation and maintenance, statistical analysis and other perspectives; the technical implementation plan is described from the hardware, software and other aspects; the assessment levels and the capabilities that each level is expected to have are divided into three levels. Finally, some parts of the interface of the platform are shown and briefly explained.

excavating machinery；virtual simulation；online teaching；design and implementation

TH17

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.02.007

1006－0316 (2021) 02－0049－09

2020－08－21

孫志丹（1978－），男，江蘇洪澤人，碩士，講師，主要研究方向為工程機械運用、保障和虛擬仿真等，E-mail：952160378@qq.com。