復(fù)雜工程系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建探索

史 靖， 呂順利， 曾 云， 錢 晶

（昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的熱點(diǎn)話題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以信息技術(shù)應(yīng)用為本質(zhì)特征，包括單一信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式和多種技術(shù)融合的實(shí)現(xiàn)等多種形式［1-2］。近年來虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)由于其獨(dú)特的場(chǎng)景互動(dòng)特性，在虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)中取得越來越多的應(yīng)用，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從二維逐步向三維發(fā)展［3-5］。然而，由于基于VR的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)成本較高，尤其是對(duì)于復(fù)雜工程系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)大多不具備通用性，屬于針對(duì)性較強(qiáng)的單項(xiàng)開發(fā)項(xiàng)目，其費(fèi)用不是一般高校能夠承受的。而一些大型企業(yè)開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)［5］，高校很難免費(fèi)獲取。盡管從國(guó)家層面布局了一些國(guó)家級(jí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，在各高校起到引領(lǐng)示范的作用［6-8］，但是，對(duì)于大多數(shù)專業(yè)尚需探索新的實(shí)踐教學(xué)途徑。文獻(xiàn)［9］中在分析國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出從學(xué)校層面構(gòu)建特色鮮明的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路。

復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)大多采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，其核心工具就是控制組態(tài)軟件。借助于控制組態(tài)軟件的界面設(shè)計(jì)工具開發(fā)運(yùn)行模擬和工作原理演示用于實(shí)踐教學(xué)已有許多成功的實(shí)例［10-13］?；诠I(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的虛擬控制操作和運(yùn)行模擬系統(tǒng)具有良好的開放性，可在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生自主進(jìn)行局部修改等操作，提高實(shí)驗(yàn)參與度、增加實(shí)踐教學(xué)的挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性，符合“金課”建設(shè)的指導(dǎo)思想［14-15］。

基于上述思路，在本科水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控課程教學(xué)中，以紫金橋工業(yè)組態(tài)軟件為開發(fā)工具，構(gòu)建水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)虛擬教學(xué)的相關(guān)問題進(jìn)行了探索。采用的示例內(nèi)容選自我校水電站動(dòng)力設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)項(xiàng)目的部分內(nèi)容。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)核心要素的內(nèi)容

工科專業(yè)課教學(xué)中關(guān)鍵的問題是學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際裝備的認(rèn)識(shí)，對(duì)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)整體運(yùn)行及其多個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)了解更少。為此，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)中設(shè)定以下4個(gè)核心要素。

（1）系統(tǒng)的完備性。我國(guó)的工程教育體系是參照前蘇聯(lián)的模式按行業(yè)設(shè)置的，課程體系是針對(duì)行業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)詳細(xì)分類設(shè)置，特別是專業(yè)課一般以設(shè)備為主體來設(shè)置。近年來開展的壓縮專業(yè)課學(xué)時(shí)、拓寬專業(yè)口徑等改革舉措成效顯著，但是專業(yè)課教材的建設(shè)和改革滯后明顯，且很大程度上仍然保留了工科專業(yè)課的這種設(shè)備化特性。這就造成學(xué)生知識(shí)體系的局部密集和整體松散的現(xiàn)狀。

為解決這一問題，在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先給出系統(tǒng)的整體概貌，反映系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)和協(xié)同工作情況，將松散的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)聚合構(gòu)成一個(gè)完整的知識(shí)系統(tǒng)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的完備性是達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的核心要素之一。

（2）局部系統(tǒng)的多樣性。局部系統(tǒng)是指局部設(shè)備或子系統(tǒng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中通?？蓪?duì)設(shè)備或子系統(tǒng)基本工作原理等內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)畫演示或模擬。另一方面，工科專業(yè)課教材內(nèi)容嚴(yán)重滯后新技術(shù)和裝備的發(fā)展是較為普遍的現(xiàn)象。有些專業(yè)課示例的工業(yè)設(shè)備甚至落后30年以上，遠(yuǎn)不能滿足目前新工科建設(shè)的需求。為此，可利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)局部設(shè)備或子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程、最新裝備、不同結(jié)構(gòu)形式、原理演變、工程實(shí)際應(yīng)用等情況進(jìn)行全面展示。在實(shí)現(xiàn)方式上，可采用音頻、視頻、二維、三維等多種方式。

（3）互動(dòng)性和參與度?；?dòng)性和參與度是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)涵，只有在互動(dòng)和參與過程中，才能獲得更為深刻的實(shí)踐認(rèn)知及其與理論知識(shí)的融合。這也是復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)開展虛擬實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)。

在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)中，吸收本科生參與項(xiàng)目開發(fā)，從學(xué)生對(duì)工程問題的理解和學(xué)習(xí)視角進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)思維習(xí)慣和可能存在的知識(shí)盲點(diǎn)和誤區(qū)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)環(huán)節(jié)，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)性和參與度。

（4）高階性和挑戰(zhàn)度。高階性和挑戰(zhàn)度是“金課”建設(shè)的主要目標(biāo)，是激發(fā)學(xué)生積極思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力的有效方式。在正常理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)“高階性和挑戰(zhàn)度”環(huán)節(jié)有一定的困難。而在虛擬實(shí)驗(yàn)，尤其是以工業(yè)組態(tài)軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)中相對(duì)容易一些。

本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)4個(gè)要素融合到虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題進(jìn)行了分析研究。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的完備性

以水電站輔助設(shè)備子系統(tǒng)——透平油系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，水電站透平油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模擬界面如圖1所示。

圖1 水電站透平油子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模擬

從教學(xué)角度來看，需要對(duì)整個(gè)透平油系統(tǒng)的工作情況及其與用油設(shè)備（軸承）之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)的分析和展示，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)運(yùn)行控制的整體概念。因此，根據(jù)教學(xué)要求，給出透平油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖、供排油管路動(dòng)畫、油處理系統(tǒng)與用油設(shè)備（軸承、調(diào)速器）之間的動(dòng)態(tài)連接和動(dòng)畫展示、子系統(tǒng)工作狀態(tài)變化等內(nèi)容。該系統(tǒng)的構(gòu)建按照虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完備性原則進(jìn)行搭建。

水電站透平油系統(tǒng)涉及多門專業(yè)課程的分散知識(shí)點(diǎn)，制作過程中查閱相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)資料，實(shí)現(xiàn)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的匯聚和合理表達(dá)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用組態(tài)軟件單機(jī)版，學(xué)生可自由操作控制，學(xué)習(xí)研究整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制、各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)同等問題。

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生能夠迅速、全面地了解水電站透平油系統(tǒng)的工作情況、相關(guān)設(shè)備的作用和地位、子系統(tǒng)之間的協(xié)同工作等問題，較好地達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

3 局部系統(tǒng)的深化

3.1 局部工作原理的運(yùn)行模擬

為了使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近生產(chǎn)實(shí)際，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中以實(shí)際水電站的工作系統(tǒng)為例，對(duì)設(shè)備和子系統(tǒng)的局部工作原理等內(nèi)容設(shè)置了完整的運(yùn)行模擬。運(yùn)行模擬以操作按鈕的方式觸發(fā)，啟動(dòng)相應(yīng)系統(tǒng)單元的工作流程和信號(hào)流的動(dòng)態(tài)展示。

設(shè)計(jì)中以“如何讓低年級(jí)學(xué)生方便容易學(xué)習(xí)”作為基本原則，讓參與虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的學(xué)生假想自己學(xué)習(xí)中可能出現(xiàn)的困惑和誤區(qū)，自主思考界面控制操作和動(dòng)畫設(shè)計(jì)問題。解決“教”與“學(xué)”之間可能不一致的學(xué)習(xí)思維障礙。

圖1中，頂部的操作按鈕“接受新油”“新油過濾”“新油注入”“向設(shè)備充油”等按鈕就是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)思維習(xí)慣設(shè)置的。這種形式的操作模擬學(xué)生更易接受和學(xué)習(xí)。

例如點(diǎn)擊“接受新油”按鈕，啟動(dòng)小車向各油罐加油流程，如圖2所示。

圖2 “接受新油”流程

例如點(diǎn)擊“壓力濾油機(jī)”按鈕，則顯示壓力濾油機(jī)油路流向和動(dòng)作原理，如圖3所示。

圖3 壓力濾油機(jī)工作流程

例如點(diǎn)擊“向設(shè)備充油”按鈕，啟動(dòng)向各用油設(shè)備充油的流程，如圖4所示。

圖4 “向設(shè)備充油”流程

這種形式的分解操作和原理展示，形象、直觀，更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)思維習(xí)慣，加深了理論與實(shí)踐的結(jié)合度。

3.2 局部設(shè)備結(jié)構(gòu)展示

圖1中，水輪發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)是組態(tài)軟件中沒有的圖形元件。以實(shí)際水輪發(fā)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增減相應(yīng)結(jié)構(gòu)元件得到適用于控制組態(tài)表達(dá)的基本圖形。在該圖形上修改圖形局部元素（包括以CAD圖為底圖的彩色圖像繪制）實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接，增加制動(dòng)閘、主閥等局部元器件及其動(dòng)畫連接。采用這種方式，可保持復(fù)雜工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)上的相似性。

圖1中的水輪發(fā)電機(jī)組是平面圖形，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、大軸的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)可采用多圖元交替顯示／隱藏的方式來模擬。從表現(xiàn)形式上看，雖然不如3D動(dòng)態(tài)類的表現(xiàn)方式，但是也基本能滿足教學(xué)要求。

此外，還可將設(shè)備實(shí)物照片、視頻等資料嵌入到系統(tǒng)中。

3.3 融入新技術(shù)

在設(shè)備局部展示中，可引入產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展演變歷史、實(shí)際生產(chǎn)中最新應(yīng)用的技術(shù)裝備相關(guān)數(shù)據(jù)資料和圖片、視頻等材料，以擴(kuò)展學(xué)生視野。

3.4 故障設(shè)置與模擬

故障模擬是通過組態(tài)軟件人為預(yù)設(shè)可能的設(shè)備故障，以及故障下相應(yīng)控制單元需進(jìn)行的控制操作、報(bào)警提示等。故障設(shè)置和模擬對(duì)于學(xué)習(xí)掌握系統(tǒng)整體工作流程、多個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)、以及設(shè)備狀態(tài)對(duì)機(jī)組運(yùn)行控制的影響等更具有系統(tǒng)性。

圖5所示為故障設(shè)置的示例。該圖中設(shè)置的3類故障，每一類故障下又可設(shè)置多個(gè)故障條件。

圖5 故障設(shè)置示例

點(diǎn)擊界面上的故障模擬按鈕，相應(yīng)設(shè)備工作狀態(tài)變位為故障狀態(tài)。故障響應(yīng)包括兩方面，一是彈出提示信息框，二是影響相應(yīng)控制流程（單一流程或多流程）的執(zhí)行。3類故障中均選取較為典型的局部影響、全局影響設(shè)備狀態(tài)為例進(jìn)行模擬，這種方式有助于學(xué)生掌握子設(shè)備與系統(tǒng)整體運(yùn)行控制之間的關(guān)系。

4 自主創(chuàng)新性學(xué)習(xí)

采用組態(tài)軟件制作虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì)就在于可靈活增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容。主要體現(xiàn)在以下4方面。

（1）基于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)。組態(tài)軟件學(xué)習(xí)使用簡(jiǎn)單，在涉及控制的相關(guān)專業(yè)課教學(xué)中使用，可有效促進(jìn)理論教學(xué)和工程實(shí)踐的結(jié)合。

學(xué)生可在已有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，進(jìn)入組態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境，對(duì)程序和界面進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)自己預(yù)期設(shè)定控制操作，增加實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)性和參與度，提高學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（2）故障推演學(xué)習(xí)。故障推演需要全面、系統(tǒng)地掌握設(shè)備狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)工作的影響，尤其是關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)信息所產(chǎn)生的多種關(guān)聯(lián)影響。因此，關(guān)鍵點(diǎn)故障推演對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析和學(xué)習(xí)工程實(shí)際系統(tǒng)及其主輔設(shè)備之間的控制邏輯等問題，培養(yǎng)積極思考和獨(dú)立解決工程問題具有重要的作用。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中已給出部分設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)的故障設(shè)置和運(yùn)行模擬示例。在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生從安全性、可靠性等多角度思考生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情形，預(yù)設(shè)事故故障進(jìn)行推演和編程，將學(xué)生設(shè)計(jì)較好的故障推演加入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

（3）創(chuàng)新工作環(huán)境。基于組態(tài)軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)，也是學(xué)生可參與設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)開放的系統(tǒng)。學(xué)生在熟悉已有工程系統(tǒng)運(yùn)行原理、控制邏輯的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步思考和改進(jìn)系統(tǒng)。例如：如何提高系統(tǒng)安全性、可靠性、閉鎖條件設(shè)置等。可有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力。

（4）學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性和高階性。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)吸引學(xué)生參與開發(fā)，逐步完善。“逐步完善”給予學(xué)生想象空間，合理的改進(jìn)經(jīng)過師生研討之后可加入系統(tǒng)，來自學(xué)生的新思路、新方法經(jīng)論證后也可加入系統(tǒng)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生查閱文獻(xiàn)收集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)技術(shù)問題及其處理方法，新技術(shù)裝備應(yīng)用情況等內(nèi)容，將其以恰當(dāng)?shù)姆绞角度雽?shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這種教學(xué)互動(dòng)方式可有效激發(fā)學(xué)生深度參與、深度學(xué)習(xí)的積極性，充分體現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)的挑戰(zhàn)性和高階性。

5 結(jié) 語

充分利用工業(yè)組態(tài)軟件易學(xué)易用、界面表達(dá)清晰的特性，融合虛擬實(shí)驗(yàn)的核心要素構(gòu)建復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是一種低成本的虛擬實(shí)驗(yàn)解決方案。其虛擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)達(dá)成度主要取決于對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的精心設(shè)計(jì)和教學(xué)理念的與時(shí)俱進(jìn)。透平油系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過3年的本科教學(xué)和實(shí)踐檢驗(yàn)，表明教學(xué)效果良好。