供配電與照明仿真教學(xué)實(shí)驗平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李棟祿

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

0 引言

針對傳統(tǒng)建筑供配電與照明系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗問題學(xué)者進(jìn)行了諸多研究：孫雯等［1］針對強(qiáng)電類課程教學(xué)存在的問題，提出利用Simulink 搭建虛擬仿真平臺，實(shí)現(xiàn)線上虛擬仿真實(shí)驗室與線下硬件平臺有機(jī)結(jié)合；宋珍偉［2］通過使用電路仿真軟件EWB 以及Multisim，采用課堂教學(xué)與仿真演示實(shí)踐相結(jié)合方式，將教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗設(shè)備、教師指導(dǎo)、學(xué)生操作通過計算機(jī)有機(jī)融合在一起；王海波［3］分析了虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)，利用Proteus 仿真軟件實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)；王志剛［4］針對傳統(tǒng)電力培訓(xùn)方式可操作性差、沉浸感不強(qiáng)、直觀性弱、效率低等問題，利用Unity 與CAD、3Ds Max 等軟件技術(shù)開發(fā)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)；王佳婧［5］闡述了虛擬實(shí)驗的基本概念及技術(shù)要求，并探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的運(yùn)用。對于建筑電氣智能化專業(yè)建筑供配電與照明課程教學(xué)實(shí)驗，存在的主要問題有：學(xué)生理論知識前后融會貫通能力弱、對實(shí)際設(shè)備認(rèn)知能力差、對三維立體系統(tǒng)沉浸感不強(qiáng)，實(shí)驗室投資大，受時間、空間限制，考核體制待完善。

針對上述問題，結(jié)合虛擬仿真思想，本文提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）結(jié)合虛擬硬件設(shè)備（HTC vive）應(yīng)用到建筑供配電與照明系統(tǒng)的教學(xué)與實(shí)驗方案。通過分析教學(xué)、實(shí)驗需求與目標(biāo)并結(jié)合實(shí)際情況，利用Unity3D 開發(fā)引擎和HTC vive 外接頭顯示設(shè)備，基于C#編程語言，建立一個融入多功能教學(xué)、實(shí)驗的仿真平臺，詳細(xì)介紹其功能及操作方法［6］。

1 仿真教學(xué)實(shí)驗平臺分析

1.1 仿真教學(xué)實(shí)驗需求分析

建筑電氣設(shè)計作為當(dāng)前社會不可缺少的行業(yè)之一，其供配電與照明系統(tǒng)設(shè)計發(fā)揮著舉足輕重的作用。建筑供配電與照明設(shè)計課程十分偏重工程經(jīng)驗，目前培養(yǎng)過程只能依托傳統(tǒng)書面教材、文檔演示等，難以對學(xué)生進(jìn)行開放式教學(xué)，或多或少缺少實(shí)驗實(shí)操，拆掉大樓讓學(xué)生深入觀察其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)又無可能；實(shí)驗環(huán)境、時間地點(diǎn)的限制使部分實(shí)驗無法完成；學(xué)生實(shí)驗、實(shí)踐環(huán)節(jié)存在渾水摸魚現(xiàn)象，考核方式有待完善。欲解決上述問題，需要從理論到實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)研究，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可有效滿足這些需求。

1.2 仿真教學(xué)實(shí)驗?zāi)繕?biāo)

仿真教學(xué)實(shí)驗平臺主要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是工學(xué)結(jié)合，教學(xué)做一體化［7］，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：①拓展獲取知識途徑，學(xué)生可隨時隨地從平臺獲取知識；②通過三維模型展示、文字介紹、動畫演示介紹某型設(shè)備，增加學(xué)生對設(shè)備的掌握度；③通過漫游認(rèn)知介紹某些設(shè)備的設(shè)計規(guī)范和安裝工藝、某些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)走向，增強(qiáng)學(xué)生對系統(tǒng)的理解、對規(guī)范的掌握，沉浸感更強(qiáng)；④按照教師編輯的實(shí)驗指導(dǎo)書，學(xué)生在平臺進(jìn)行虛擬課堂實(shí)驗，突破時間地點(diǎn)、設(shè)備數(shù)量限制；⑤提供多途徑練習(xí)與考核。

2 仿真教學(xué)實(shí)驗平臺總體設(shè)計

通過分析教學(xué)實(shí)驗需求和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，確定平臺設(shè)計應(yīng)遵循的原則如下：

（1）實(shí)用性。由于仿真平臺是為教學(xué)和實(shí)驗而設(shè)計的，因此平臺的理論教學(xué)內(nèi)容必須涵蓋相關(guān)課本內(nèi)容、國家規(guī)范、練習(xí)題和考核等，平臺的虛擬實(shí)驗內(nèi)容必須包含實(shí)驗實(shí)操和虛擬展示、虛擬漫游等，仿真平臺須滿足教學(xué)需求。

（2）經(jīng)濟(jì)性。本平臺以軟模擬為主［8］，結(jié)合市場上較便宜的頭戴顯示設(shè)備，通過理論學(xué)習(xí)和虛擬操作進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到減少投資保證學(xué)習(xí)效果的目的。

（3）簡潔性。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)規(guī)律，平臺操作界面應(yīng)設(shè)計簡單、便于操作。

（4）可靠性。由于社會的發(fā)展，理論知識、系統(tǒng)設(shè)備和國家規(guī)范也在不斷發(fā)展。為滿足教學(xué)、實(shí)驗不斷變更的需要，采用數(shù)據(jù)層和程序?qū)臃蛛x，提高平臺可靠性。

2.1 總體框架設(shè)計

在深入分析仿真平臺基礎(chǔ)上，將平臺設(shè)計劃分為交互層、功能層、數(shù)據(jù)層［6］。教師、學(xué)生通過交互層控制仿真平臺的各項操作，功能層提供平臺功能供交互層隨時調(diào)用，數(shù)據(jù)層將平臺所需文檔、圖片、模型等存入數(shù)據(jù)庫供功能層調(diào)用，并將學(xué)習(xí)、實(shí)驗數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，為后期考核提供數(shù)據(jù)支撐，平臺總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

2.2 應(yīng)用技術(shù)與選型

仿真教學(xué)實(shí)驗平臺設(shè)計涉及較多的應(yīng)用技術(shù)，如多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

（1）多媒體技術(shù)借助計算機(jī)對文本、圖像、動畫等進(jìn)行綜合處理，構(gòu)建生動逼真的二維和三維場景，通過圖形交互界面、窗口交互操作，實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間的信息輸入與輸出。在電工類教學(xué)中運(yùn)用多媒體技術(shù)，可在一定程度上幫助學(xué)生理解和掌握知識，將這些知識用視頻或動畫的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，自然能更好地理解和掌握相關(guān)知識［9］。

（2）人機(jī)交互技術(shù)是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，應(yīng)以實(shí)踐操作性內(nèi)容為主，理論概念講授為輔。在教學(xué)過程中除了要培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，即利用所學(xué)的人機(jī)交互技術(shù)知識，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互系統(tǒng)［10］。

（3）可視化技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［11-13］。可視化技術(shù)主要過程是建模與渲染，建模將數(shù)據(jù)映射成物體的幾何圖元，渲染則將幾何圖元描繪成圖形或圖像；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用計算機(jī)三維圖形、圖像處理與顯示等，為體驗者提供一個與虛擬世界交互的多維人機(jī)界面，使之能直接參與、探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，帶給體驗者很強(qiáng)的沉浸感。

建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)實(shí)驗平臺，以3Ds Max 對電氣設(shè)備、綜合樓、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)進(jìn)行建模、貼圖、烘焙，以3Ds Max 輸出的。FBX 文件導(dǎo)入Unity3D中，以及利用C#語言開發(fā)的腳本進(jìn)行交互［14-16］；以HTC vive 頭戴顯示設(shè)備及其驅(qū)動插件Steam VR 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓學(xué)生在漫游認(rèn)知、實(shí)驗操作時獲得沉浸感與現(xiàn)場感；以SQL 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為橋梁，通過Open Database Connection 數(shù)據(jù)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)平臺的數(shù)據(jù)操作。

2.3 平臺功能設(shè)計

建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)、實(shí)驗平臺包含理論學(xué)習(xí)、設(shè)備認(rèn)知、實(shí)驗實(shí)操、練習(xí)考核4 大功能。理論學(xué)習(xí)功能主要給學(xué)生提供一個在計算機(jī)上學(xué)習(xí)理論知識、國家規(guī)范的途徑，加強(qiáng)書本知識與規(guī)范的聯(lián)系；設(shè)備認(rèn)知功能包含桌面式設(shè)備認(rèn)知和沉浸式設(shè)備漫游認(rèn)知，主要以三維方式介紹電氣設(shè)備、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)；實(shí)驗實(shí)操功能提供一個虛擬的實(shí)驗環(huán)境，實(shí)現(xiàn)桌面式和沉浸式同步實(shí)驗，突破時間、空間、設(shè)備數(shù)量限制；練習(xí)考核功能為學(xué)生提供一個隨時可練、處處可練的平臺，為考核提供一個新的參考途徑。

3 仿真教學(xué)實(shí)驗平臺功能實(shí)現(xiàn)

3.1 理論學(xué)習(xí)功能

理論學(xué)習(xí)采用桌面式學(xué)習(xí)模式，將一線教師編寫的《建筑供配電與照明》課程相關(guān)課本以及《建筑供配電與照明系統(tǒng)設(shè)計》相關(guān)的國家規(guī)范存入數(shù)據(jù)庫中。學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)功能界面點(diǎn)擊任意課本，在其右側(cè)顯示課本內(nèi)容及專業(yè)知識；通過對國家規(guī)范的查看，學(xué)習(xí)最新的設(shè)計規(guī)范和安裝工藝要求。點(diǎn)擊查找功能可查找不同場景下對應(yīng)的不同規(guī)范，簡化查閱紙質(zhì)規(guī)范過程并提高查詢效率，理論學(xué)習(xí)功能效果如圖2 所示。

圖2 理論知識學(xué)習(xí)效果

理論學(xué)習(xí)功能可突破單一的教材學(xué)習(xí)和散亂的規(guī)范學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教材與規(guī)范結(jié)合，達(dá)到融會貫通的效果?？蔀榻處熀凸芾砣藛T提供強(qiáng)大的后臺管理手段，隨時擴(kuò)充和修改專業(yè)知識及國家規(guī)范，真正做到與時俱進(jìn)。

3.2 設(shè)備認(rèn)知功能

設(shè)備認(rèn)知功能包含桌面式設(shè)備認(rèn)知和沉浸式設(shè)備漫游認(rèn)知兩大部分。桌面式設(shè)備認(rèn)知以三維模型展示、動畫講解、文字?jǐn)⑹龇绞较驅(qū)W生介紹模型設(shè)備。點(diǎn)擊具體的電氣設(shè)備時，界面右側(cè)出現(xiàn)該設(shè)備的三維仿真模型，學(xué)生可操作鼠標(biāo)對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等操作［17］。文字、動畫加模型的認(rèn)知方法顛覆傳統(tǒng)的圖片展示方式，有利于學(xué)生更詳細(xì)、更真實(shí)地觀察和了解某型電氣設(shè)備外觀、原理及功能，以變壓器為例的桌面式認(rèn)知界面效果如圖3 所示。

三維模型放大縮小核心代碼如下：

圖3 變壓器設(shè)備認(rèn)知效果

沉浸式漫游認(rèn)知結(jié)合HTC vive 頭戴顯示器、左右控制手柄、定位器等硬件設(shè)備［18-19］，通過Steam VR 軟件設(shè)置體驗?zāi)Ｊ?，在Unity3D 中導(dǎo)入Steam VR 插件，完成硬件設(shè)備和軟件平臺通信。學(xué)生帶上VR 頭盔進(jìn)入該模塊，可選擇某一場景，比如配電室、走廊、房間等進(jìn)行漫游，身臨其境進(jìn)行巡視、觀察，通過透視化建筑觀察供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解主要電氣設(shè)備及線管走向、鋪設(shè)方式等。

以某綜合樓為例說明交互操作效果：漫游在走廊中，使用操作手柄指向照明配電箱，扣動抓取按鈕，在其一側(cè)彈出照明配電箱安裝規(guī)范與技術(shù)要求，沉浸式設(shè)備認(rèn)知功能有利于學(xué)生將理論知識與實(shí)物結(jié)合。漫游設(shè)備認(rèn)知之手柄操作效果如圖4 所示。

3.3 實(shí)驗實(shí)操功能

實(shí)驗實(shí)操功能設(shè)計主要解決設(shè)備投資大、設(shè)備數(shù)量限制、時間和空間限制問題。該功能提供一個虛擬實(shí)驗環(huán)境，將實(shí)驗所需的實(shí)驗器材、實(shí)驗臺進(jìn)行三維建模，技術(shù)處理之后導(dǎo)入到虛擬實(shí)驗環(huán)境中。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗指導(dǎo)書通過操作手柄進(jìn)行開關(guān)閉合、線路連接、電壓電流測量、供配電線路設(shè)計等實(shí)驗操作。數(shù)據(jù)庫在后臺記錄每個學(xué)生的操作記錄，與標(biāo)準(zhǔn)正確的操作對比后生成成績，為最終考核提供依據(jù)。

圖4 漫游設(shè)備認(rèn)知之手柄操作效果

3.4 練習(xí)考核功能

將跟建筑供配電與照明課程相關(guān)的題庫、規(guī)范問答寫入到數(shù)據(jù)庫。進(jìn)入到練習(xí)考核功能界面后，學(xué)生通過選擇不同的知識模塊調(diào)用不同的數(shù)據(jù)，完成不同知識的練習(xí)?？己顺煽儼瑑刹糠郑孩賹W(xué)生通過唯一注冊賬號進(jìn)入考核界面，在規(guī)定時間內(nèi)完成答題，包括概念、常用規(guī)范、計算選擇、識圖回答問題等成績；②實(shí)驗實(shí)操成績。學(xué)生通過VR 設(shè)備進(jìn)行虛擬實(shí)驗，將實(shí)驗結(jié)果與數(shù)據(jù)庫正確的實(shí)驗結(jié)果作對比得出實(shí)驗成績。練習(xí)考核功能拓寬學(xué)習(xí)渠道，為教師提供一個較為客觀的評判依據(jù)。

4 仿真教學(xué)實(shí)驗平臺發(fā)布

建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)、實(shí)驗平臺設(shè)計完成后，可對其進(jìn)行發(fā)布［20］。Unity3D 開發(fā)引擎平臺發(fā)布具有多元性。在軟件平臺搭建完成后，將場景文件的Assets 資源文件夾打包，通過File→Build Settings 設(shè)置系統(tǒng)發(fā)布平臺為Windows、發(fā)布系統(tǒng)屏幕分辨率為1 920×1 080，并將系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需加載的場景導(dǎo)入Scene In Build 中，保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個場景的切換，最后生成“.exe”文件，完成仿真教學(xué)平臺發(fā)布。建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺登錄界面如圖5 所示。

圖5 仿真平臺登錄界面

由圖5 可知，在建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺學(xué)習(xí)、實(shí)驗時，學(xué)生要注冊包括專業(yè)、班級、學(xué)號、密碼在內(nèi)的個人信息，通過注冊信息進(jìn)入功能選擇界面，完成課程的學(xué)習(xí)、認(rèn)知、實(shí)驗、練習(xí)、考核等。

5 結(jié)語

本文針對建筑供配電與照明教學(xué)、實(shí)驗存在的問題，從教學(xué)角度出發(fā)，參考眾多虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了建筑供配電與照明系統(tǒng)仿真教學(xué)實(shí)驗平臺。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)、實(shí)驗?zāi)Ｊ?，將枯燥乏味的知識、規(guī)范用“屏幕”表現(xiàn)出來，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)新鮮感，提供隨時學(xué)、隨地看、隨時查的途徑。通過引入HTC vive 設(shè)備，讓學(xué)生置身于一個“真實(shí)”環(huán)境中，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的聯(lián)系，解決由于實(shí)驗條件限制帶來的問題。練習(xí)考核功能彌補(bǔ)了以往練習(xí)少、考核方式單一的不足，教師可根據(jù)考核結(jié)果為學(xué)生定制不同的學(xué)習(xí)方案，提高了學(xué)習(xí)的針對性，滿足了社會發(fā)展需要。