基于智能设备的虚拟仿真实验平台研究

［摘 要］ 虚拟仿真实验项目的设立为高校实验教学提供了低危低成本的环境，同时线下实物实验室资源的共享开放也需要提升管理水平，基于智能设备的虚拟仿真实验平台研究将虚拟实验与实物实验进行虚实结合，充分结合虚拟仿真软件运行过程与智能设备远程操作实物实验装置，并传输多源数据于同一管理平台。提出了智能设备实验平台架构，阐述了智能设备实验平台特征，构思了平台功能，并建议构建虚实结合实验室综合管理平台，为实验教学管理水平提升提供了参考借鉴。

［关键词］ 虚拟仿真实验；智能设备；虚实结合

［基金项目］ 2021年度教育部产学合作协同育人项目“川藏铁路施工组织快速设计与自动生成虚拟仿真实验研究”（202102079108）；2020年度西南交通大学本科教育教学研究与改革项目“土木工程专业核心课程知识图谱构建与线上资源建设”（20201002-07）

［作者简介］ 樊 敏（1979—），男，山西太原人，博士，西南交通大学土木工程学院讲师，工程师，主要从事工程项目管理和高教管理研究。

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）16-0018-05 ［收稿日期］ 2022-04-22

引言

在过去的二十年里，基于互联网在线教育已逐渐成为高等教育教学方法中主要的教学手段之一。目前，很多大学都提供了一定的网络版理论课程，甚至是实验课程，完全在线的操作方式越来越受学生和教师的欢迎。研究发现，许多高校已经开始提供“传统真实实验不具备或难以完成的教学功能”的虚拟实验课程，伊利诺伊大学的实验室从1989年就开始研制Vicher系统，将虚拟实验应用于化学工程教育。

虚拟实验教学除了要避免面临高危或极端环境、高成本等情况，提供可靠、安全和经济的实验项目外，还需要多个虚拟仿真实验项目与线下实物实验体系形成虚实结合的实验教学模式［1］，开发相对完整的能够智能共享基础数据、协作运行的管理平台。同时，需要一套独特的教学流程，更重要的是让学生从真实实验室切换到虚拟实验室后得到同样有效甚至更高效率的知识理解和动手能力［2］。

一、智能设备实验平台架构

基于智能设备的虚拟仿真实验平台架构需要精心设计各类接口，用以实现远程实验室、外部服务和应用程序之间的通信。图1所示的基本的体系结构给出了必需和可选的接口。图1左侧的通信是智能设备指定的，即智能设备接口的协议和数据格式。元数据存储库可以检索任何智能设备的元数据并进行索引，为相关实验提供搜索引擎，同时多源数据采集于同一管理平台能够较好地适应目前的智能算法。如果界面设计良好，客户端应用程序可以在智能设备之间重用，数据查看客户端或学习分析处理客户端可以从任何智能设备检索数据并将其呈现给用户。

传感器和执行器可以确定智能设备的信息传输方向。例如，传感器可以读取相关仪器的读数，执行器可以设置相关参数值。传感器和执行器可以是物理的（温度传感器）、虚拟的（由位置测量得出的计算速度）或传感器/执行器的集合。

二、智能设备实验平台特征

（一）数据传输协议

大多数基于HTTP的Web服务遵循的是请求-响应模式。因此，数据通常只能从服务器获取，服务器无法向客户端发起信息推送。然而，虚拟仿真实验通常需要异步数据传输，例如，一个耗时较长的虚拟仿真实验应该能够在完成后将其结果推送到客户端［3］。智能设备的目标是通过互联网访问虚拟实验项目数据。目标客户端应用程序需要依赖开放的、标准化的Web协议提供智能设备、外部服务和应用程序之间的数据传输，避免使用专用插件或被客户锁定［4］。

（二）元数据服务

元数据服务是智能设备实验平台提供的互操作性的核心。对元数据的要求如下：（1）描述虚拟仿真实验项目基础信息；（2）描述当前实验与外部数据服务的集成；（3）描述实验过程并发机制；（4）描述实验过程数据服务请求和响应格式；（5）易于扩展以添加额外数据。

（三）传感器和执行器服务

传感器和执行器元数据是通过单独服务提供的，而非元数据描述本身。传感器和执行器数据服务是智能设备交互的核心，处理虚拟仿真实验客户端和智能设备之间的主要数据交换。这两种服务与元数据服务相结合，使开发人员能够创建适应不同智能设备的应用程序，从而实现应用程序的重用和互操作。执行器与传感器服务的主要区别在于：允许用户发送执行器数据来设置所需的执行器参数值，智能设备的内部功能应首先验证发送值，然后再将其应用于执行器本身。实验负责人可以通过各种模式实现对执行器的访问控制。

（四）用户活动日志服务

用户活动日志服务以限定的格式返回，记录了用户的操作或实验项目状态信息。为了检索智能设备实时用户活动的连续流，可以使用可选的身份验证服务验证访问。

（五）客户端应用服务

此服务提供客户端应用程序的链接，以操作智能设备。客户端技术没有很强的规范性，可以是简单的HTML页面，也可以是带有附加功能的打包Web应用程序，以实现交互［5］。在向实验项目客户端应用发送请求时，将返回一个客户端应用程序列表，每个项目都有一个指定应用程序类型和一个URL。

（六）获取模型服务

此服务可以提供虚拟仿真实验相关所需的操作模型（或流程）和学生可以掌握的理论。有了实验的数学模型，学生就可以用本地模拟构建客户端应用程序，提供真实实验室的交互式虚拟仿真初始版本，也可以在实物实验室正在使用时搭建初步的虚拟仿真实验（或者一般的观察模式）。

三、平台功能构思

（一）认证功能

智能设备无须包含实验预约系统功能，可以利用各虚拟仿真实验项目用户端预约系统。学生预约实验室时，系统提供一个身份验证口令，在预约期，学生可以使用此身份验证口令连接到智能设备，智能设备与预约系统联系，以验证当前是否允许用户访问智能设备。

（二）自我修复和校准功能

该功能的精确实现由实验负责人自行决定。此功能可确保在实验项目完成或发生系统中断时，利用智能设备设置，将线下实验室和虚拟仿真实验项目中的参数重置为正确的状态，以便下一个用户正确使用，这意味着需要充分的和防御性的软硬件设计，能够适应任何突发情况。建议在智能设备中执行以下步骤：（1）启动时自动初始化；（2）在最后一个客户端断开连接后重置为已知状态；（3）可操作性的硬件校准。

（三）安全和本地控制功能

平台必须始终确保服务器及其连接设备的安全。所有命令在转发到连接的设备之前都应经过验证。此步骤可能需要添加本地控制器跟踪所连接设备的状态，由于执行器可以连接到互联网，因此必须验证所有应用值并考虑潜在的外部约束。建议在智能设备中执行以下步骤：（1）在将数据应用于执行器之前进行参数验证；（2）执行器状态验证，以检查要应用的命令是否安全［6］。

（四）日志和警报功能

由于智能设备通常会在较长时间内处于无人值守状态，因此有必要对其进行监视，并有相关方法执行事后分析。除用户操作应该被记录外，系统状态和环境（如室温）等额外信息也应该被记录。建议跟踪以下信息：（1）用户操作；（2）完整的系统状态；（3）环境状态。此外，需采取适当行动防止恶意操作，智能设备应在内部添加其他措施：（1）验证客户端发送的请求；（2）限制恶意客户端的连续请求；（3）记录所有Internet连接以供日后分析。如果发生意外事件，智能设备应评估其潜在危险，并可能触发警报。

（五）本地模拟推荐功能

当线下实验繁忙或不可用时，智能设备采集的数据可以自动推荐模拟实验成为替代方案（与现有的虚拟仿真实验不同，实验方案由智能设备推荐自动生成）。仿真数据可以通过虚拟传感器/执行器读取或修改。描述物理设备的数学模型可以通过模型服务提供给客户端，客户端开发人员可以使用模型服务来模拟硬件，结果可以使用虚拟传感器和执行器发送到客户端。

四、平台设计主要原则

表1列出了基于智能设备的虚拟仿真实验平台设计时应该遵循的主要原则。

五、虚实结合实验室综合管理平台

开放式虚拟仿真实验教学与实验室综合管理平台，以深化实验室教学改革为指导，以高校实验室管理流程和基本事务管理为核心，以规范实验室管理信息化为准则，在深入分析、研究实验室管理规律、实验教学特点及其相关软件的基础上，根据实验室全面开放运行体系，设计、搭建虚实结合的实验室综合管理平台，体系框架如图2所示［7-10］。

开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台具有以下特色功能：（1）教师可在网上布置预习、实验和报告，设计实验并补充、完善、共享实验库；学生在网上选择实验、进行实验相关的基础知识测试、在系统智能指导下进行验证性实验、利用系统提供的虚拟设备和器材完成自主设计实验以及填写实验报告；（2）智能指导与智能批改的功能；（3）教师可以看到学生实验的安排情况，实验结果、实验报告的提交情况，教师指导和批改的情况及学生的问题和反馈意见；（4）提供网上多媒体答疑系统功能。管理平台丰富的功能，不仅大大减少了教师的工作量，还为不同学院、专业、年级的学生提供了学习、实践的综合性平台。

六、平台功能与应用

（一）开发自己的虚拟实验室

土木工程及其他工科类相关专业学生的课程当中包含很多需要具体操作的实验类课程，包括力学课程。这些学生会在前期的课程当中学习到很多仪器设备的基础知识，但是考虑到安全问题，虚实结合的实验室可以根据学生对试验检测方面的学习需要，逐渐开发或者选择自己的虚实结合的学习内容。学生被引导开发自己的交互式程序来解决各种力学问题，而不是充当虚拟实验室程序的最终用户。在这个过程中，为了避免将重点从力学问题分析转移到编程，学生会收到现成的代码和程序模板，以帮助他们快速完成日常任务，如生成动画等。

（二）虚实结合实验过程

以铁道工程实验为例，学生可以快速构建铁路轨道三维场景，直观感受车辆与浮板轨道减振系统之间的复杂空间关系，了解浮板减振轨道系统的动力学特性及不同参数对减振效果的影响。学生利用计算机技术、虚拟仿真技术和互联网技术，可以实现钢弹簧浮板减振轨道系统在不同运行环境下的三维场景建模、振动分析、振动试验和减振设计仿真实验。学生可以登录这个虚拟仿真实验系统的网站进行在线实验并提交实验报告。

七、平台特色与创新性

（一）虚实结合、虚实互补，构建多层次、立体化、高质量的实验教学体系

立足于轨道交通专业特色及具体实验教学内容，开发建设虚拟仿真实验教学管理和共享平台及对应专业的虚拟仿真实验资源，突破实验课程壁垒和学科界限，对学校实验课程进行跨专业、跨学科整合。针对高危高耗、不可及不可逆及大型综合实验，开发建设出基础规范、综合设计、创新探索三个层次的虚拟实验课程。

（二）产教研深度合作，校企合作探索实验教学新模式

企业具有丰富的平台及资源开发技术和能力，学校具有丰富专业的知识及教学经验。企业与学校的深度合作，优势互补，能够很好地将高端技术应用到教学活动中。通过对多学科跨专业的实验课程进行开发和研制，结合各个专业的特色，虚实结合，设计大量虚拟仿真实验，使学生对实验中的每个模块都有充分的认识和足够的训练。同时将最尖端的科研成果转化为教学案例，通过虚拟仿真的形式展现给学生，拓宽其视野，提升其知识结构，是专业课程实验的有益补充和创新。例如：“土木工程经济与项目管理”课程中，自主开发虚实结合的“川藏铁路施工组织动态优化虚拟仿真实验”，通过三维仿真技术对川藏铁路施工可能发生的干扰施工组织的情况进行实验模拟决策，实现了现场情境与课堂实验情境的充分结合与可视化演示和操作。

（三）学科交叉融合，丰富教学资源、创新实验教学内容