基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺在性能上的不足，文章提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的新型平臺設(shè)計方案。該平臺通過引入Jacinto信息處理器與Infineon存儲芯片，構(gòu)建了堅實且高效的硬件基礎(chǔ)。同時，文章運用了數(shù)字孿生技術(shù)，創(chuàng)建了高度仿真的虛擬實訓(xùn)環(huán)境，實現(xiàn)了高效的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互。經(jīng)過測試，該平臺具有一定的穩(wěn)定性，能夠有效地滿足軟件技術(shù)專業(yè)的教學(xué)需求，為學(xué)生提供高效、真實的實訓(xùn)體驗，顯著提升教學(xué)質(zhì)量，為軟件技術(shù)教育的發(fā)展注入了新的活力，提供了強有力的支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；軟件技術(shù)；虛擬交互；實訓(xùn)平臺

中圖分類號：TP391.9" 文獻標志碼：A

基金項目：海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院項目；項目名稱：數(shù)字孿生體開發(fā)技術(shù)研究；項目編號：hnjmk2022302。

作者簡介：郭鵬（1979— ），男，副教授，碩士；研究方向：數(shù)字孿生。

0" 引言

軟件技術(shù)專業(yè)是一門研究軟件開發(fā)、編程的基礎(chǔ)專業(yè)，對培養(yǎng)計算機領(lǐng)域人才十分重要。研究表明，軟件技術(shù)專業(yè)的常見課程較多，包含內(nèi)容較廣泛，例如：“程序設(shè)計”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等［1］。虛擬交互實訓(xùn)平臺主要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）及增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)環(huán)境，創(chuàng)建模擬真實的教學(xué)場景完成相關(guān)操作，實現(xiàn)沉浸式互動學(xué)習(xí)［2］。相關(guān)研究人員針對軟件技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)特點設(shè)計了幾種常規(guī)的虛擬交互實訓(xùn)平臺。譚超健等［3］考慮服務(wù)器配置與管理還原真實的實訓(xùn)環(huán)境，運用Unity 3D技術(shù)進行任務(wù)制作處理，實現(xiàn)多終端訪問，但其吞吐效果不佳。陸寒熹等［4］基于負荷管理應(yīng)用場景生成數(shù)據(jù)服務(wù)控制框架，實現(xiàn)有效交互，但其實訓(xùn)效果一般。為提高軟件技術(shù)專業(yè)綜合實訓(xùn)效果，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計了一種有效的虛擬交互實訓(xùn)平臺。

1" 硬件設(shè)計

1.1" Jacinto信息處理器

為避免交互實訓(xùn)平臺運行過程中的卡頓問題，本文選取Jacinto信息處理器作為核心處理器。該處理器使用GetSystemInfo函數(shù)進行信息分類，編譯成ARM執(zhí)行檔［5］，在實訓(xùn)程序中嵌入生成碼，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該信息處理器選用增強型處理中心實現(xiàn)浮點運算處理，由高速串行接口完成輔助擴展，存儲大量的虛擬交互實驗數(shù)據(jù)。

1.2" Infineon存儲芯片

為提高虛擬交互實訓(xùn)平臺的綜合性能，本文選取Infineon存儲芯片存儲實訓(xùn)用戶數(shù)據(jù)。該存儲芯片的" 整體功耗較低，可以實時進行存儲映射匹配，滿足多體系存儲調(diào)用要求，其參數(shù)如表1所示。

由表1可知，該存儲芯片符合多陣列并行存儲要求，能實時進行存儲編譯，提高綜合存儲效率，最大程度上提高了實訓(xùn)平臺的運行流暢性。

2" 軟件設(shè)計

2.1" 基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬交互實訓(xùn)模型

數(shù)字孿生技術(shù)是一種數(shù)字模型同步更新技術(shù)，可以通過數(shù)據(jù)采集處理等多個環(huán)節(jié)調(diào)整更新參數(shù)，實現(xiàn)仿真優(yōu)化，因此，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬交互實訓(xùn)模型，創(chuàng)建實訓(xùn)對象物理場景PS，如式（1）所示。

PS=｛EO，IoT｝（1）

其中，EO代表交互設(shè)備等要素，IoT代表交互電源、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫?。根?jù)交互引擎可以模擬虛擬交互實訓(xùn)場景VS，如式（2）所示。

VS=｛DM，MM｝（2）

其中，DM代表數(shù)據(jù)映射，MM代表模型映射。在交互管理過程中產(chǎn)生的孿生數(shù)據(jù)DM如式（3）所示。

DM=｛G，P，B，R，C｝（3）

其中，G代表實訓(xùn)幾何模型，P代表實訓(xùn)物理參數(shù)，B代表行為參數(shù)，R代表規(guī)則參數(shù)，C代表實訓(xùn)能力參數(shù)。實訓(xùn)模型提供的服務(wù)S如式（4）所示。

S=｛TS，UT，F(xiàn)A｝（4）

其中，TS代表內(nèi)部實訓(xùn)技術(shù)服務(wù)集合，UT代表多維信息服務(wù)支持，F(xiàn)A代表重構(gòu)參量。構(gòu)建最終的數(shù)字孿生虛擬交互實訓(xùn)模型LD［6］，如式（5）所示。

LD=｛S，A，R，P｝（5）

其中，S代表環(huán)境觀測值，A代表實訓(xùn)任務(wù)執(zhí)行策略，R代表離散動作參量，P代表懲罰系數(shù)。使用該實訓(xùn)模型可以有效優(yōu)化實訓(xùn)機制，生成最優(yōu)實訓(xùn)處理指令，提高了交互平臺的綜合交互效果。

2.2" 設(shè)計軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)架構(gòu)

本文利用Web服務(wù)器設(shè)計虛擬交互實訓(xùn)架構(gòu)，由表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層組成，有效完成實訓(xùn)業(yè)務(wù)管理與部署。該交互實訓(xùn)架構(gòu)如圖2所示。

表示層主要由ASPX頁面組成，可以接收用戶輸入結(jié)果，通過交互接口完成邏輯處理。該交互實訓(xùn)架構(gòu)可以將業(yè)務(wù)邏輯層劃分成邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層，將" 應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，從而保存實體數(shù)據(jù)，使其滿足多重業(yè)務(wù)邏輯要求。除此之外，上述虛擬交互實訓(xùn)架構(gòu)可以在數(shù)據(jù)庫中添加實訓(xùn)記錄，將實訓(xùn)結(jié)果返回到原本的調(diào)用程序中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫更新。由此可見，該交互實訓(xùn)架構(gòu)的綜合性能良好，在最大程度上提高了實訓(xùn)平臺的綜合兼容性。

3" 平臺測試

為了驗證設(shè)計的基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺的綜合性能，本文配置了可靠的實驗環(huán)境，選取了有效的測試項目，進行平臺測試。下文介紹測試準備過程，對測試結(jié)果進行分析討論。

3.1" 測試準備

本文以軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺測試需求為導(dǎo)向，基于Universal Windows Platform構(gòu)建測試環(huán)境，采用MRTK和Unity 3D開發(fā)，通過Visual Studio 2017編譯。實驗配置包括Unity 5.6.4.f1、Visual Studio 2017、64位8 GB RAM的CPU及支持DirectX 11.0的GPU。經(jīng)項目配置、窗口擴展調(diào)整、測試應(yīng)用程序構(gòu)建及服務(wù)器搭建后，實時獲取測試參數(shù)，通過HoloLens部署，最終獲得可靠的虛擬交互實訓(xùn)平臺測試結(jié)果。

3.2" 測試結(jié)果與討論

在上述配置的交互實訓(xùn)平臺測試環(huán)境下，實驗可以設(shè)置測試交互設(shè)備，對各項參數(shù)進行初始化處理，運行本文設(shè)計的基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺。各個項目的平臺測試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2，本文設(shè)計的平臺經(jīng)測試顯示：其交互功能（如按鈕、輸入框等）在不同設(shè)備上均運行正常，展現(xiàn)了優(yōu)秀的跨設(shè)備交互能力；各功能模塊邏輯清晰、功能完備，數(shù)據(jù)交互順暢，提升了用戶體驗；平臺在壓力測試和負載測試中表現(xiàn)卓越，響應(yīng)迅速且處理能力出色；同時，跨瀏覽器和跨平臺兼容性強，安全性高。綜上，該平臺綜合性能優(yōu)異，具備較高的應(yīng)用價值。

4" 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬化技術(shù)逐漸嶄露頭角，成為推動軟件功能運行創(chuàng)新的重要力量。虛擬化技術(shù)通過模擬計算機硬件、操作系統(tǒng)、軟件環(huán)境等，打破了傳統(tǒng)軟件功能的運行局限性，使得軟件功能在不同的平臺和環(huán)境中被有效移植和復(fù)用。但常規(guī)的交互實訓(xùn)模式的適應(yīng)性較低，無法滿足目前的交互創(chuàng)新要求。為了解決這一問題，本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺。該平臺通過實時數(shù)據(jù)交互和模擬仿真，實現(xiàn)對物理實體的全面監(jiān)控和預(yù)測分析。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺綜合性能良好，滿足教學(xué)實訓(xùn)交互要求。在實訓(xùn)過程中，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進行實踐操作，體驗真實的軟件開發(fā)流程，通過實時數(shù)據(jù)交互和模擬仿真進行技能提升和創(chuàng)新實踐。綜上所述，基于數(shù)字孿生技術(shù)的軟件技術(shù)專業(yè)虛擬交互實訓(xùn)平臺為軟件技術(shù)專業(yè)的教育提供了新的解決方案和思路。通過虛擬化技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，該平臺能夠打破傳統(tǒng)實訓(xùn)模式的局限性，提高教學(xué)實訓(xùn)的交互性和創(chuàng)新性，為軟件技術(shù)專業(yè)的教育和發(fā)展做出積極貢獻。

參考文獻

［1］刁培培，何娜敏.基于MR技術(shù)的智能配送中心虛擬仿真實訓(xùn)平臺教學(xué)實踐研究［J］.湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2024（8）：144-146.

［2］鄒幸居.跨境電商直播虛擬仿真實訓(xùn)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用：以粵港澳大灣區(qū)農(nóng)產(chǎn)品為例［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2024（8）：174-178.

［3］譚超健，張凱，林曉輝，等.“服務(wù)器配置與管理”3D立體虛擬實訓(xùn)平臺構(gòu)建研究［J］.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2024（1）：64-68.

［4］陸寒熹，孫騰，姚佳維，等.基于負荷管理應(yīng)用場景的實訓(xùn)平臺的建設(shè)與應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2024（1）：172-174.

［5］陳怡然，馮秀芝，劉立萍，等.高等醫(yī)學(xué)教育虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)現(xiàn)狀與思考：基于VOSviewer軟件的可視化分析［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2024（2）：183-189.

［6］于新設(shè)，馬超，王振，等.產(chǎn)教融合背景下職業(yè)院校醫(yī)療器械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)模式探索：以通用型CT轉(zhuǎn)運裝置的研發(fā)與應(yīng)用實訓(xùn)教學(xué)為例［J］.中阿科技論壇，2024（4）：138-142.

（編輯" 王永超）

Design of virtual interaction training platform for software technology major

based on digital twin technology

GUO" Peng， YUAN" Fei

（Hainan College of Economics and Business， Haikou 571127， China）

Abstract： Aiming at the the performance shortcomings of virtual interaction training platform for traditional software technology major， this paper proposes a new platform design scheme based on digital twin technology. This platform builds a solid and efficient hardware foundation by introducing Jacinto information processors and Infineon storage chips. At the same time， the digital twin technology is used to create a highly simulated virtual training environment， achieving efficient software technology professional virtual interaction. The platform is tested and verified for its stability and functionality. It can effectively support the teaching needs of software technology majors， provide students with efficient and authentic training experiences， significantly improve teaching quality， inject new vitality into the development of software technology education， and provide strong support.

Key words： digital twin technology; software technology; virtual interaction; training platform