基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 寶，崔曉寧

（1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽(yáng)卷煙廠，四川 綿陽(yáng) 621000；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000）

1 引言

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又稱(chēng)VR）等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，令實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，也是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新。鑒于目前大學(xué)教育以注重理論知識(shí)為主的現(xiàn)狀，企業(yè)招聘的員工很難直接上崗，也無(wú)法通過(guò)相關(guān)職業(yè)鑒定培訓(xùn)培養(yǎng)出技術(shù)骨干，所以依靠自己的培訓(xùn)部門(mén)和專(zhuān)家隊(duì)伍，緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際開(kāi)發(fā)出實(shí)用的虛擬技能培訓(xùn)系統(tǒng)顯得尤為重要。運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)建立實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，以3D漫游、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示等方式，提供給學(xué)員直觀的設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)可根據(jù)需要任意模擬拆卸、組裝設(shè)備的演示功能，提高技能培訓(xùn)的效果。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誕生于虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究，并以其廣闊的應(yīng)用前景引起了大批科學(xué)家的關(guān)注和重視。目前，各國(guó)都在對(duì)其進(jìn)行大力研究和開(kāi)發(fā)，而且在一些關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著的成效。國(guó)內(nèi)外有許多研究機(jī)構(gòu)和組織在對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展研究和建設(shè)工作，特別是在一些著名的大學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)建成許多虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并應(yīng)用于各行各業(yè)。

美國(guó)政府從20世紀(jì)90年代起，開(kāi)始在物理學(xué)、分子生物學(xué)、海洋學(xué)以及核科學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域投入巨大財(cái)力，以支持建造出各自的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為示范性工程，展開(kāi)了對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一系列探索性研究，并取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究會(huì)（Howard Hughes Medical Institute，簡(jiǎn)稱(chēng)HHMI）建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室[1]是完全交互式的模擬生物醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，HHMI的虛擬實(shí)驗(yàn)室包括辨別細(xì)菌實(shí)驗(yàn)室、心臟病實(shí)驗(yàn)室、神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室、虛擬的酶連接的免疫吸收劑化驗(yàn)（ELISA）實(shí)驗(yàn)室、基因改造昆蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室都有特定的訓(xùn)練目標(biāo)，當(dāng)學(xué)生在場(chǎng)景中操作虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)將給出相關(guān)指令幫助他們學(xué)習(xí)不同的課程。新加坡國(guó)立大學(xué)在遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)方面取得很大的成果，其電子工程系開(kāi)發(fā)的用于工程教育的虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]，目前已經(jīng)包含了如2D和3D示波鏡實(shí)驗(yàn)、帶耦合的水槽設(shè)備控制實(shí)驗(yàn)等六個(gè)實(shí)驗(yàn)。使用者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，應(yīng)用視頻與音頻反饋，通過(guò)視頻會(huì)話(huà)系統(tǒng)，可以一邊調(diào)整實(shí)驗(yàn)界面的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，一邊觀看遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Christine Booth等人建立了酶動(dòng)力學(xué)自適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]，以交互方式傳授乳酸脫氫酶動(dòng)力學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，創(chuàng)建了一系列的電子學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)教學(xué)以及教學(xué)效果評(píng)估。

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多重點(diǎn)院校和科研機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家與學(xué)者都積極投入到該領(lǐng)域的研究。四川大學(xué)針對(duì)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室[4]，其中包括生理實(shí)驗(yàn)室、藥理實(shí)驗(yàn)室、病生實(shí)驗(yàn)室、人體實(shí)驗(yàn)室、綜合實(shí)驗(yàn)室等，整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室共涉及40多個(gè)仿真技能學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生們通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5]，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將一系列真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，從而組成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享。國(guó)內(nèi)許多其他著名大學(xué)也開(kāi)展了虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作。總之，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、專(zhuān)業(yè)化、智能化等方向大力發(fā)展，并將普及到各個(gè)領(lǐng)域。運(yùn)用當(dāng)今快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等，將開(kāi)發(fā)出許多更加逼真、交互性更強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也更加精彩的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

對(duì)于電氣工程師而言，不斷接受技能培訓(xùn)能有效提升其業(yè)務(wù)技能水平，提高團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的保障能力。在常規(guī)的技能提升過(guò)程中，實(shí)操訓(xùn)練往往因硬件投入經(jīng)濟(jì)成本巨大、實(shí)操培訓(xùn)課時(shí)較短、培訓(xùn)時(shí)間較為固定且不連續(xù)等諸多條件的限制，在很大程度上影響實(shí)操培訓(xùn)質(zhì)量。引入虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)于培訓(xùn)人員可以突破時(shí)間，地域及設(shè)備的限制，從而極大的縮減實(shí)訓(xùn)成本投入。虛擬環(huán)境令培訓(xùn)項(xiàng)目更加直觀、生動(dòng)，學(xué)員自己就可以評(píng)價(jià)自身的培訓(xùn)效果，提高培訓(xùn)效率。同時(shí)在虛擬環(huán)境下的訓(xùn)練，有效規(guī)避了在生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)由于操作不當(dāng)發(fā)生安全事故，減少經(jīng)濟(jì)損失。本系統(tǒng)融合教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)等功能，并且具有完成培訓(xùn)功能所需的軟件平臺(tái)，可適用于電氣工程師技能訓(xùn)練和技術(shù)更新科研實(shí)驗(yàn)。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)以卷煙廠模塊化物流生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為硬件依托，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)模擬煙草模塊化物流生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣工程師在生產(chǎn)線上的實(shí)訓(xùn)以及技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究等功能，并能最大限度地模擬煙廠實(shí)際生產(chǎn)中的制絲、包裝、分揀、物流、入庫(kù)等環(huán)節(jié)，用于卷煙廠電氣工程師技能訓(xùn)練和技術(shù)更新科研實(shí)驗(yàn)。模塊化物流生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模塊化物流生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括：系統(tǒng)的窗口顯示界面，系統(tǒng)靜態(tài)教學(xué)，虛擬設(shè)備動(dòng)態(tài)培訓(xùn)，將所有功能整合到一起，形成適用于電氣工程師技能培訓(xùn)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 系統(tǒng)顯示界面

系統(tǒng)的窗口顯示界面是通過(guò)VS軟件利用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，是整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，界面設(shè)計(jì)追求簡(jiǎn)潔明了，邏輯分明，人機(jī)交互環(huán)境友好，如此才能提高用戶(hù)的虛擬培訓(xùn)體驗(yàn)，同時(shí)提高培訓(xùn)效果。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

窗口顯示界面設(shè)計(jì)的主要工作放在用戶(hù)界面（UI）設(shè)計(jì)上，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的UI框架能夠快速提升軟件開(kāi)發(fā)效率。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中沒(méi)有UI框架容易導(dǎo)致的問(wèn)題有：多場(chǎng)景反復(fù)出現(xiàn)相同的UI窗體將造成在場(chǎng)景中反復(fù)加載該UI窗體，無(wú)形中增加工作量；各個(gè)UI腳本之間數(shù)據(jù)交互，容易出現(xiàn)緊耦合的情況，導(dǎo)致項(xiàng)目的可復(fù)用性降低；當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)彈出窗體疊加的現(xiàn)象時(shí)，開(kāi)發(fā)人員需要手動(dòng)維護(hù)窗體間的層級(jí)關(guān)系等等。因此，UI框架設(shè)計(jì)顯得尤為重要，主要包括：UI窗體的自動(dòng)加載、緩存以及窗體狀態(tài)管理機(jī)制。UI框架設(shè)計(jì)的主要目的就是盡可能完成一些與具體功能邏輯無(wú)關(guān)的底層事務(wù)性功能。UI窗體的自動(dòng)加載令這些功能自動(dòng)或半自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，窗體狀態(tài)管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)UI窗體自身狀態(tài)（生成、加載、顯示、緩存、銷(xiāo)毀等）有機(jī)的管理。UI框架的應(yīng)用使得用戶(hù)界面層次合理，提高了顯示界面設(shè)計(jì)的效率。

3.2 系統(tǒng)靜態(tài)教學(xué)

系統(tǒng)靜態(tài)教學(xué)是綜合了維修電工基礎(chǔ)理論知識(shí)，通過(guò)系統(tǒng)各個(gè)模塊的三維模型，以文字、聲音、視頻等形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)簡(jiǎn)單易懂，演示效果生動(dòng)形象，對(duì)維修電工進(jìn)行初級(jí)教學(xué)，其系統(tǒng)培訓(xùn)包括：

（1）傳感器技術(shù)培訓(xùn)。傳感器技術(shù)培訓(xùn)包括電感式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器、流量及壓力、稱(chēng)重傳感器、電容式傳感器、漫反射型傳感器等多種類(lèi)型傳感器的應(yīng)用實(shí)訓(xùn)，能夠完成對(duì)條碼識(shí)別器的配置及條碼識(shí)別器與PLC間通信的訓(xùn)練。

（2）氣動(dòng)技術(shù)培訓(xùn)。氣動(dòng)技術(shù)培訓(xùn)要完成對(duì)多種電控氣動(dòng)閥、氣缸、氣動(dòng)夾爪、過(guò)濾調(diào)壓閥、無(wú)桿氣缸等設(shè)備的虛擬應(yīng)用實(shí)訓(xùn)。

（3）PLC技術(shù)培訓(xùn)。PLC技術(shù)培訓(xùn)包括輸入/輸出接口接線端子連接，各個(gè)站點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連機(jī)分布控制，能夠完成Allen-Bradley及西門(mén)子PLC軟件的編程、閱讀、應(yīng)用及訓(xùn)練。

（4）電氣控制系統(tǒng)培訓(xùn)。電控部分全部按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)傳感器接線端口都標(biāo)號(hào)插接式對(duì)外連接，能滿(mǎn)足電氣測(cè)繪訓(xùn)練的要求。

（5）機(jī)械系統(tǒng)拆裝調(diào)試培訓(xùn)。系統(tǒng)可以讓員工將機(jī)械部分進(jìn)行拆裝，也可按照提供的組裝圖紙和電氣圖紙進(jìn)行組裝搭建重裝，并且調(diào)試至系統(tǒng)可正常。本系統(tǒng)機(jī)械部份采用移動(dòng)式設(shè)計(jì)學(xué)員可將移動(dòng)式模塊重新組合成工藝流程各不相同的各種系統(tǒng)。

（6）電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)培訓(xùn)。系統(tǒng)上配備有變頻電機(jī)、直流電機(jī)、伺服電機(jī)等，系統(tǒng)配帶有一套變頻調(diào)速模塊及數(shù)套伺服驅(qū)動(dòng)模塊，可練習(xí)各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。能夠完成Danfoss變頻器的配置、PLC與變頻器的通信、PLC對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程控制等方面的訓(xùn)練。

3.3 虛擬設(shè)備動(dòng)態(tài)培訓(xùn)

虛擬設(shè)備動(dòng)態(tài)培訓(xùn)是維修電工的高級(jí)技能培訓(xùn)，主要包括各個(gè)模塊在線操作、PLC編程培訓(xùn)、虛擬PLC仿真系統(tǒng)應(yīng)用、各接口通信模塊配置、機(jī)器人控制系統(tǒng)培訓(xùn)等，將Maya制作好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，利用Unity3D軟件，添加必要的動(dòng)作、聲音及腳本等，并對(duì)模型進(jìn)行渲染，構(gòu)建虛擬培訓(xùn)平臺(tái)。其主要工作包括：

（1）建立系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景（UI界面設(shè)計(jì)）。Unity作為游戲引擎在虛擬產(chǎn)品市場(chǎng)上的占有率接近80%，它具有優(yōu)秀的游戲化UI，但是作為物流教學(xué)仿真產(chǎn)品的界面展現(xiàn)，更需要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的UI。游戲化的UI適合單獨(dú)功能展現(xiàn)，而業(yè)務(wù)系統(tǒng)的UI更側(cè)重?cái)?shù)據(jù)間的邏輯與分析的展現(xiàn)，所以UI界面的設(shè)計(jì)需要分成兩部分處理：對(duì)于一些簡(jiǎn)單的界面，比如系統(tǒng)的模塊選擇菜單，靜態(tài)知識(shí)教學(xué)界面采用Unity自帶UI系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于復(fù)雜化的人機(jī)交互界面采用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的UI，此UI是利用VS與Unity及Sokcet通信建立起來(lái)的界面，符合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能要求。

（2）創(chuàng)建模型的動(dòng)畫(huà)、聲音（U3D動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)Me-canim的應(yīng)用）。Mecanim是Unity提供的一個(gè)豐富而復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，包括：創(chuàng)建人形角色的簡(jiǎn)易工作流和動(dòng)畫(huà)的能力；Retargeting(運(yùn)動(dòng)重定向)功能—即把動(dòng)畫(huà)從一個(gè)角色模型應(yīng)用到另一個(gè)角色模型上的能力；一個(gè)用于管理動(dòng)畫(huà)間復(fù)雜交互作用的可視化窗口；通過(guò)不同邏輯來(lái)控制不同身體部位的運(yùn)動(dòng)能力等等。整個(gè)動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循Mecanim的工作流程，詳情如下：

①資源的準(zhǔn)備，主要通過(guò)Maya完成三維建模并將其導(dǎo)入使用。

②角色設(shè)置，人形角色的建立是Mecanim通過(guò)擴(kuò)展的圖形操作界面和動(dòng)畫(huà)重定向功能，為人物模型提供了一種特殊的工作流，其中包括Avatar的創(chuàng)建和對(duì)肌肉定義的調(diào)節(jié)。

③角色的運(yùn)動(dòng)，其中包括設(shè)定動(dòng)畫(huà)片段及其相互間的交互作用，也包括建立狀態(tài)機(jī)和混合樹(shù)、調(diào)整動(dòng)畫(huà)參數(shù)以及通過(guò)代碼控制動(dòng)畫(huà)等。

（3）編寫(xiě)模型與場(chǎng)景交互的腳本（itween設(shè)計(jì)）。Itween是一款比較成熟的Unity3D動(dòng)畫(huà)效果的插件，能夠平滑的表現(xiàn)三維模型從一種變化（如平移）到另外一種變化（如旋轉(zhuǎn)）的過(guò)程，還可以選擇不同的動(dòng)畫(huà)曲線，以實(shí)現(xiàn)不同的視覺(jué)沖擊。Itween內(nèi)部存在許多已經(jīng)寫(xiě)好的類(lèi)庫(kù)，可以輕易的實(shí)現(xiàn)物體的旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)、褪色、上色等，這對(duì)于模型與場(chǎng)景的交互開(kāi)發(fā)有很大的幫助。圖3是經(jīng)過(guò)Unity處理后截圖。

（4）解決系統(tǒng)通信問(wèn)題。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)界面是在Unity3D開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成窗口界面開(kāi)發(fā)，軟件本身的UI界面與Unity通信通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，與硬件系統(tǒng)的信息交互要通過(guò)OPC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在OPC服務(wù)器Rslinx中建立硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)[6]，將Unity3D的工程當(dāng)作客戶(hù)端進(jìn)行信息交互。硬件平臺(tái)主要以工業(yè)以太網(wǎng)及DeviecNet與底層的硬件建立通信，具體如圖4所示。

Unity3D作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)擁有豐富的功能模塊，尤其它在圖形界面處理方面的優(yōu)勢(shì)使得虛擬技術(shù)可以很好的融入到培訓(xùn)系統(tǒng)中，使得培訓(xùn)人員可以突破時(shí)間、地域及設(shè)備的限制，極大的縮減培訓(xùn)成本投入；虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境令培訓(xùn)項(xiàng)目更加直觀、生動(dòng)，學(xué)員自己就可以評(píng)價(jià)自身的培訓(xùn)效果，從而提高培訓(xùn)效率；在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的訓(xùn)練，有效規(guī)避了在生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)由于操作不當(dāng)發(fā)生安全事故，降低安全事故發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 Unity項(xiàng)目截圖

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖

[1]HHMI.BioInteractive virtual labs[EB/OL].http://www.hhmi.org/biointeractive/vlabs/.2005-11-11.

[2]National University of Singapore.NUS Internet Remote Experimention[EB/OL].＜http://vlab.ee.nus.edu.sg/vlab.2005-11-13.

[3]Christine Booth,RajkumarCheluvappa,ZackBellinson,DanniMaguire,CraigZimitat,JoyceAbraham,RajaramanEri.Empirical evaluation of a virtual laboratory approach to teach lactate dehydrogenase enzyme kinetics[J].Annals of Medicine and Surgery,2016,(8).

[4]解麗芳,林宏輝.虛擬實(shí)驗(yàn)室在本科生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(9):114-115.

[5]葛佳歡,朱善安.基于Modelica的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,32(2):585-588.

[6]李長(zhǎng)安.基于opc的c#與rslinx通信程序設(shè)計(jì)[J].硅谷,2012,5(14):56-59.