電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙凱輝 童玲 李祥飛

摘 要：分析了電氣工程專業(yè)采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，探討了電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)思路。首先對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行了需求分析，并對平臺的功能模塊進(jìn)行了說明。然后描述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖到y(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。最后提出了電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)思路。通過電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：電氣工程 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0202-03

Abstract： The necessity of applying virtual simulation technology to practice teaching in electrical engineering is analyzed. The design and realization scheme of practical teaching platform of electrical engineering virtual simulation is proposed. Firstly， the requirement of virtual simulation teaching platform is analyzed， and the function module of the platform is described. Then， the network topology and system structure model of virtual simulation practice teaching platform are described. Finally， the developing ideas of the teaching resources of the virtual simulation experiment of electrical engineering are put forward. Through the construction and practice of virtual simulation experiment platform of electrical engineering， the experiment teaching function which is not available or difficult to be completed in real experiment is realized， and the students' engineering practical ability and scientific research innovation ability are improved.

Key Words： Electrical engineering； Virtual simulation； Experimental teaching platform

虛擬仿真技術(shù)作為一種新的科學(xué)研究方法，對高等學(xué)校的教學(xué)和科研發(fā)揮的作用越來越重要[1-3]?；谔摂M仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)[4-6]，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到、甚至超過真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果[7]。

虛擬仿真技術(shù)對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生的影響越來越大。虛擬仿真可應(yīng)用到危險(xiǎn)性極高、操作不可逆以及高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以提高實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全性，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)成本的不足，突破安全、成本、儀器設(shè)備的限制，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨資金不足等問題[8-10]。

我校的電氣工程及其自動化專業(yè)，分為電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)方向和電力電子與電機(jī)控制專業(yè)方向。電氣工程專業(yè)主要側(cè)重于電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)操作和運(yùn)行，以及電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)操作和運(yùn)行、電力電子與電機(jī)控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究[11]。由于電力系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，且高電壓、大電流，電力設(shè)備種類多、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室很能建立和現(xiàn)場完全一樣的電力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[12-14]。因此，有必要采用虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)電氣工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開發(fā)電氣工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力[15]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的功能模塊

1.1 需求分析

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的參與者可分為3類。

（1）系統(tǒng)管理員：主要負(fù)責(zé)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，擁有平臺的所有操作權(quán)限。具體來說，可進(jìn)行用戶管理、實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)操作、修改密碼、發(fā)布信息等模塊的管理和操作。

（2）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：管理每門課程實(shí)驗(yàn)的教師，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)測評等模塊的管理和操作。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師一般由任課老師擔(dān)任。

（3）一般用戶：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的使用人，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作、密碼修改以及信息反饋、培訓(xùn)學(xué)習(xí)等操作。普通用戶包括在校師生和校外用戶。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的功能模塊

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

（1）用戶管理模塊：該模塊主要管理用戶的信息。系統(tǒng)管理員擁有對所有用戶賬號進(jìn)行操作的權(quán)限，可以進(jìn)行賬號查詢、激活、修改或禁止等操作。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和一般用戶只能對自身的賬號進(jìn)行操作。

（2）實(shí)驗(yàn)管理模塊：該模塊可對用戶所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行管理。用戶可選擇實(shí)驗(yàn)的類別，如選擇進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作模塊、實(shí)驗(yàn)演示模塊或?qū)嶒?yàn)測評模塊。

（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊：學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師通過該模塊可以在線指導(dǎo)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)兩者的實(shí)時(shí)交流。

（4）實(shí)驗(yàn)測評模塊：學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，通過該模塊可將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的名稱及實(shí)驗(yàn)過程存儲于服務(wù)器中。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可以隨時(shí)從服務(wù)器查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程并評閱，結(jié)果存儲到服務(wù)器。

（5）實(shí)驗(yàn)演示模塊：通過該模塊，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的演示，并存儲到服務(wù)器。學(xué)生通過該模塊，可隨時(shí)查看實(shí)驗(yàn)演示過程。

（6）實(shí)驗(yàn)操作模塊：通過該模塊，學(xué)生可選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并存儲，以后還可以繼續(xù)未完成的實(shí)驗(yàn)。

（7）培訓(xùn)學(xué)習(xí)模塊：主要對一般用戶提供操作和相關(guān)的管理制度說明。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

C/S（Client/Serve，客戶機(jī)/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)適合于小規(guī)模、單一數(shù)據(jù)庫的局域網(wǎng)環(huán)境，而B/S（browser/server，瀏覽器/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)的客戶端只需要瀏覽器，具有較高的安全性和通用性。如圖2所示，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺擬采用典型的B/S三層體系結(jié)構(gòu)，其中三層分別為Web表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層[16]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）Web瀏覽器：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺采用Web瀏覽器作為客戶端。Web瀏覽器與實(shí)驗(yàn)服務(wù)器交互是通過HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，下載網(wǎng)頁并獲取各種動態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將用戶行為的信息提交到web服務(wù)器。

（2）服務(wù)器：服務(wù)器包括Web服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器、仿真軟件服務(wù)器、RT-LAB系統(tǒng)服務(wù)器等。

Web服務(wù)器是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的核心，使用SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫來管理全部教學(xué)資源，如實(shí)驗(yàn)服務(wù)器、仿真軟件服務(wù)器、RT-Lab系統(tǒng)服務(wù)器等，并通過程序檢測這些資源的運(yùn)行狀態(tài)。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)多個(gè)用戶同時(shí)訪問某一實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)度。

實(shí)驗(yàn)服務(wù)器負(fù)責(zé)與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺交互。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)臺時(shí)，程序自動選取最佳實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器直接向遠(yuǎn)程用戶提供實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)，這樣可以縮短監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸路徑，提高監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，避免了實(shí)驗(yàn)負(fù)載過度集中在Web服務(wù)器上。

RT-LAB是一種模塊化的實(shí)時(shí)仿真平臺，可實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)真仿真（hardware-in-the-loop simulation， HILS）和快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）。RT-LAB的提供了良好的人機(jī)界面，這將使HILS和RCP變得更輕松。建立RT-LAB系統(tǒng)服務(wù)器，用戶可進(jìn)行遠(yuǎn)程的HILS和RCP操作。

軟件服務(wù)器可以安裝電氣工程相關(guān)仿真軟件，使用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程軟件虛擬仿真。例如LabVIEW、Matlab/Simulink。軟件服務(wù)器接收用戶的命令和參數(shù)并解釋執(zhí)行，且把執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。

（3）實(shí)驗(yàn)臺：實(shí)驗(yàn)臺由2部分組成：網(wǎng)絡(luò)化控制器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)化控制器是為實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器而開發(fā)的前端控制器。目前，我校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺己連入多臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如DCS過程控制仿真、PLC工業(yè)過程控制仿真、Proteus EDA設(shè)計(jì)仿真、基于LabVIEW和Multisim仿真等平臺。

3 電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)

（1）虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)。建立仿真軟件服務(wù)器，安裝LabVIEW、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD/EMTDC、PSIM等電氣工程仿真軟件?；陔姎夤こ虒I(yè)仿真軟件，可以進(jìn)行電路理論、電子技術(shù)電路、電力電子、電力系統(tǒng)的仿真，結(jié)合友好的圖形化界面，使用可操作的相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，可以在計(jì)算機(jī)上建立起虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并可實(shí)時(shí)顯示仿真波形，方便直觀。

（2）虛擬仿真硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)。采用虛擬仿真技術(shù)對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺通過網(wǎng)絡(luò)化控制器連接到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，學(xué)生在校園網(wǎng)就可以進(jìn)行有限的軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。

（3）電氣工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革?；谔摂M仿真技術(shù)，進(jìn)行電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，優(yōu)化電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，構(gòu)建模塊化、遞進(jìn)式、多層次的電氣工程專業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源，研究電氣工程專業(yè)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

4 結(jié)語

目前，我校的電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺已初步建成并初見成效。電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺雖然已經(jīng)建成，但需進(jìn)一步完善、推廣和應(yīng)用，同時(shí)需要進(jìn)行電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，構(gòu)建模塊化、遞進(jìn)式、多層次的電氣工程專業(yè)優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源。充分發(fā)揮電氣工程學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，整合和拓展學(xué)校電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，豐富電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本和風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

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