基于虛擬仿真技術(shù)的職業(yè)院校專業(yè)建設(shè)研究

周曉杰

遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110023

教育部職業(yè)教育與成人教育司印發(fā)的《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的通知》（教職成司函〔2020〕26號(hào)）強(qiáng)調(diào)：“虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)要以社會(huì)和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，用新思路、新機(jī)制、新模式設(shè)計(jì)基地建設(shè)實(shí)施方案，融合多方資源，探索建立院校主導(dǎo)、企業(yè)協(xié)同、各具特色的實(shí)訓(xùn)基地創(chuàng)新建設(shè)模式，搭建校企合作橋梁?！盵1]在“互聯(lián)網(wǎng)+”職業(yè)教育背景下，虛擬仿真技術(shù)與職業(yè)教育的融合，有助于破解制約職業(yè)教育發(fā)展的資源瓶頸，從而加快職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和教學(xué)方式的變革[2]。近年來(lái)，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)在高職教育中開始得到廣泛應(yīng)用，成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)重要的組成部分和提高教育質(zhì)量的重要手段。

一、虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中應(yīng)用的可行性分析

虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用，可以改變灌輸式的教學(xué)，消除學(xué)生聽課的被動(dòng)性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生積極思考體會(huì)所學(xué)知識(shí)，在參與中完成學(xué)習(xí)[3]。同時(shí)，虛擬仿真下的教學(xué)增加了學(xué)生的參與程度，有利于督促學(xué)生在課下認(rèn)真閱讀及查閱相關(guān)資料，來(lái)滿足課堂上的學(xué)習(xí)需求。

二、虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)院校專業(yè)建設(shè)的應(yīng)用

（一）推進(jìn)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新

學(xué)習(xí)者可以對(duì)學(xué)習(xí)過程中提出的各種假設(shè)進(jìn)行虛擬且直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果。這種探索式的學(xué)習(xí)方式有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)也能促進(jìn)學(xué)生享受虛擬仿真技術(shù)搭建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，完成各種信息交互，感知過去沒有認(rèn)知的物理模型[4]。

（二）優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程體系，打造高水平的教學(xué)團(tuán)隊(duì)

推進(jìn)人才梯隊(duì)建設(shè)，打造高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)。通過對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，培養(yǎng)能科研、能教學(xué)、能生產(chǎn)的高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)；結(jié)合實(shí)訓(xùn)室升級(jí)改造項(xiàng)目的建設(shè)與運(yùn)行，開展專業(yè)教師實(shí)踐技能培訓(xùn)，使專業(yè)教師深度參與實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)，熟練掌握實(shí)訓(xùn)室設(shè)備的運(yùn)行、管理和維護(hù)，全面提升專業(yè)教師實(shí)踐技能和教學(xué)能力，為提高教學(xué)質(zhì)量提供保障[5]。

我院（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院）以“興遼職教金課”活動(dòng)為導(dǎo)向，以行業(yè)企業(yè)人才職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為框架，從基礎(chǔ)認(rèn)知、專業(yè)技能和綜合能力等方面開發(fā)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，合理確定實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)課程體系建設(shè)，優(yōu)化實(shí)訓(xùn)方式；堅(jiān)持科技引領(lǐng)、虛實(shí)結(jié)合、育訓(xùn)結(jié)合、教學(xué)創(chuàng)新，以操作訓(xùn)練為主的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)圍繞企業(yè)工作崗位需要的核心技能，契合虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，按照操作步驟或技能要點(diǎn)設(shè)置若干典型任務(wù)，學(xué)生在虛擬仿真情境下完成操作步驟，掌握技能要點(diǎn)，提高實(shí)操技能。

（三）注重以學(xué)生為中心的復(fù)合型人才的培養(yǎng)

“虛擬仿真技術(shù)能讓學(xué)習(xí)者用感官接受和處理各種身臨其境、栩栩如生的信息，在一種人機(jī)和諧的信息環(huán)境下工作、學(xué)習(xí)與創(chuàng)造，進(jìn)而將信息加工成為對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)?！盵6]搭建校企合作橋梁，利用教學(xué)管理系統(tǒng)對(duì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行整體的管控及資源調(diào)配共享，建成示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，保障各個(gè)專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，使實(shí)訓(xùn)達(dá)到更高的水平。

三、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案

我院虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室總體建設(shè)思路是，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)，建設(shè)一座充分融合虛擬仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)，結(jié)合遼寧地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展需求和技能型人才的社會(huì)需求，以智能制造技術(shù)為核心的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地。其以5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，以邊緣云計(jì)算為架構(gòu)，按照“設(shè)備遠(yuǎn)程化+生產(chǎn)精益化+管理信息化+人工高效化+控制集群化”的構(gòu)建理念，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動(dòng)計(jì)劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，并具備零件數(shù)字化設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃、加工過程實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)跟蹤、加工過程自動(dòng)化等功能，是以多學(xué)科交叉性為特色的復(fù)合型人才培育基地[7]。

（一）基于虛擬仿真技術(shù)，對(duì)接ERP（Enterprise Resource Planning，企 業(yè) 資 源 計(jì) 劃）及MES（Manufacturing Execution System，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)，推進(jìn)綜合性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)

以用于生產(chǎn)計(jì)劃管理和生產(chǎn)過程管理的ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)為核心，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。深度還原現(xiàn)代企業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理活動(dòng)，遵循ERP下對(duì)生產(chǎn)資源的管控流程，遵循MES下對(duì)生產(chǎn)過程的控制過程，將現(xiàn)代企業(yè)管理模式引入到職業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，無(wú)縫對(duì)接職業(yè)教育與社會(huì)用人需求，培養(yǎng)符合社會(huì)需要的技能型人才[8]。

1.集成通訊功能

工控設(shè)備與PC機(jī)之間信息傳遞的紐帶，為整個(gè)生產(chǎn)線平穩(wěn)運(yùn)行提供了保障。我們采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行集成通訊。以太網(wǎng)是當(dāng)前運(yùn)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，不僅具有開放性、低成本以及廣泛的軟硬件支持等特點(diǎn)，而且能夠突破現(xiàn)場(chǎng)總線通信距離和速率的限制。建立計(jì)算機(jī)控制中心，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制中心與實(shí)訓(xùn)基地各類工控設(shè)備的通訊，實(shí)現(xiàn)集群化的軟硬件通訊目標(biāo)。

2.數(shù)據(jù)采集功能

在PC端交互控制軟件中，數(shù)據(jù)采集功能是數(shù)字孿生系統(tǒng)中最基本的一項(xiàng)功能，需要通過設(shè)備廠商提供的應(yīng)用編程接口開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)PC與工控設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)交互。由于可能會(huì)存在多臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集情況，我們采用線程池來(lái)進(jìn)行多任務(wù)并發(fā)處理。同時(shí)，考慮到將來(lái)要新增設(shè)備，我們將PC端設(shè)備采集模塊進(jìn)行插件化開發(fā)，提高了程序的可擴(kuò)展性。

3.信號(hào)配置功能

PC端交互控制軟件需要具有可視化界面，在界面上就能對(duì)物理信號(hào)及虛擬信號(hào)進(jìn)行添加和更改，并通過INI配置文件保存和恢復(fù)配置信息?？紤]到新增設(shè)備及設(shè)備類型的不同，我們將設(shè)備界面插件化開發(fā)，根據(jù)設(shè)備的不同功能需求單獨(dú)設(shè)計(jì)界面，并提高程序的可擴(kuò)展性。

4.虛實(shí)信號(hào)交互功能

PC端交互控制軟件界面上信號(hào)配置完成后，需要將物理信號(hào)與虛擬信號(hào)進(jìn)行交互。信號(hào)數(shù)據(jù)序列化后統(tǒng)一緩存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，物理設(shè)備和虛擬設(shè)備都從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取輸入信號(hào)。這樣既能保證信號(hào)交互的實(shí)時(shí)性，又能實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與虛擬設(shè)備讀寫信號(hào)的分離。

5.虛擬仿真功能

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)線環(huán)境，需要在仿真軟件中搭建相應(yīng)的虛擬工作站。我們通過Socket與外部應(yīng)用程序建立連接，虛擬模型根據(jù)物理設(shè)備傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)運(yùn)行，一方面能夠規(guī)避設(shè)備意外碰撞帶來(lái)的損失和風(fēng)險(xiǎn)，另一方面能夠清晰地看到設(shè)備運(yùn)行的過程，驗(yàn)證程序的邏輯。

（二）依據(jù)實(shí)物建立虛擬3D模型及場(chǎng)景，建立數(shù)字化虛擬車間

基于人工智能物流平臺(tái)、智能數(shù)控生產(chǎn)平臺(tái)、光雕集成產(chǎn)線平臺(tái)，建立虛擬3D設(shè)備模型和虛擬生產(chǎn)線，依據(jù)AGV、倍速鏈、機(jī)械臂、立體庫(kù)、RFID通道、數(shù)控機(jī)床、光雕加工單元等設(shè)備的外形尺寸，等比例建立虛擬模型；通過加工區(qū)域的布局信息，建立數(shù)字化生產(chǎn)線和生產(chǎn)車間，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景可視化、車間機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)過程虛擬化和數(shù)據(jù)可視化[9]。

（三）實(shí)現(xiàn)虛實(shí)設(shè)備間的仿真模擬和雙向控制，布局集群化控制中心

一是將PLC、機(jī)器人控制器、數(shù)控系統(tǒng)等工控設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行集成通訊，使工控設(shè)備與PC機(jī)之間兼容性好、數(shù)據(jù)傳輸速度快，為虛擬調(diào)試的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性提供了保證。

二是根據(jù)所開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)人性化的PC端交互控制軟件，用于工控設(shè)備與虛擬設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。交互控制系統(tǒng)采用插件框架，按照設(shè)備分類，每個(gè)設(shè)備應(yīng)用程序以插件形式獨(dú)立開發(fā)。每個(gè)設(shè)備插件中包括數(shù)據(jù)采集模塊、交互界面模塊以及數(shù)據(jù)緩存模塊。其中交互界面用于觀察設(shè)備數(shù)據(jù)和配置虛實(shí)交互信號(hào)，通過線程池實(shí)現(xiàn)多線程任務(wù)管理，使用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)虛實(shí)設(shè)備信號(hào)進(jìn)行高速緩存。

三是通過三維建模技術(shù)搭建智能制造生產(chǎn)線場(chǎng)景，以數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)交互中心，結(jié)合ERP、MES、PLC、工業(yè)機(jī)器人控制器、數(shù)控系統(tǒng)功能，通過MES系統(tǒng)指令、PLC程序、機(jī)器人程序和代碼協(xié)同控制虛實(shí)環(huán)境中的智能制造產(chǎn)線系統(tǒng)運(yùn)行；同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)還可將連續(xù)的設(shè)備通訊過程進(jìn)行動(dòng)作分解，更加便于進(jìn)行教學(xué)演示。

（四）基于生產(chǎn)設(shè)備和過程控制建立手持端教學(xué)平臺(tái)

手持端教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)置倉(cāng)儲(chǔ)物流數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用三維建模技術(shù)，搭建光雕集成產(chǎn)線和智能制造產(chǎn)線的三維虛擬仿真平臺(tái)，動(dòng)態(tài)加載各個(gè)設(shè)備模型。模型按照1:1的比例和真實(shí)的布局創(chuàng)建。每一個(gè)組成部分和設(shè)備部件均根據(jù)真實(shí)的數(shù)據(jù)、機(jī)械原理、機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)和仿真技術(shù)的要求，創(chuàng)建真實(shí)孿生生產(chǎn)狀態(tài)和物流動(dòng)態(tài)工作過程。

（五）搭建線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理平臺(tái)

以智能物流平臺(tái)過程控制教學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以虛擬仿真技術(shù)針對(duì)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)智能物流平臺(tái)定制化開發(fā)，通過三維建模技術(shù)在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)車間、立體庫(kù)、堆垛機(jī)、AGV小車、物料、電器柜、控制臺(tái)設(shè)備1:1等比例建模，并按照實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作邏輯進(jìn)行數(shù)字模型運(yùn)行動(dòng)作的仿真設(shè)計(jì)。按照智能物流平臺(tái)設(shè)備的基本信息進(jìn)行設(shè)備展示設(shè)計(jì)，參照智能物流平臺(tái)運(yùn)行控制邏輯進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)流程開發(fā)，分別對(duì)立體庫(kù)、堆垛機(jī)、AGV小車進(jìn)行過程控制邏輯編程，并結(jié)合傳感器與執(zhí)行器模組功能，通過虛擬設(shè)備控制面板，對(duì)虛擬智能物流平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)過程控制實(shí)訓(xùn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能物流平臺(tái)的仿真實(shí)訓(xùn)目的[10]。

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用，是遵循職業(yè)教育發(fā)展規(guī)律，推動(dòng)職業(yè)教育與信息技術(shù)深度融合，能夠整合資源、優(yōu)化結(jié)構(gòu)：通過育人環(huán)境的數(shù)字化，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)；通過教育教學(xué)的數(shù)字化，推進(jìn)以學(xué)生為中心的“三教”改革；通過教育管理的數(shù)字化，提升管理服務(wù)水平與效率；通過專業(yè)的數(shù)字化升級(jí)與發(fā)展，培養(yǎng)支撐產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的適應(yīng)性人才。