電氣工程虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

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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(tái)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(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了需求分析，并對(duì)平臺(tái)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(tái)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(tái)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;擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

虛擬仿真技術(shù)作為一種新的科學(xué)研究方法，對(duì)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(duì)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(dòng)化專業(yè)，分為電力系統(tǒng)及其自動(dòng)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(chǎng)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(tái)，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(tái)的功能模塊

1.1需求分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)，擁有平臺(tái)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、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(cè)評(píng)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(tái)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。2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能模塊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(duì)所有用戶賬號(hào)進(jìn)行操作的權(quán)限，可以進(jìn)行賬號(hào)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(duì)自身的賬號(hào)進(jìn)行操作。(2)實(shí)驗(yàn)管理模塊：該模塊可對(duì)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(jī)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(cè)評(píng)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(cè)評(píng)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(chǔ)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(píng)閱，結(jié)果存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)，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(duì)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(tái)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。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(tái)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(tái)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(dòng)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(tái)的核心，使用SQLServer2012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(cè)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(tái)交互。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，程序自動(dòng)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(tái)，可實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)真仿真(hardware-in-the-loopsimulation，HILS)和快速控制原型(rapidcontrolprototyping，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(tái)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)己連入多臺(tái)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、ProteusEDA設(shè)計(jì)仿真、基于LabVIEW和Multisim仿真等平臺(tái)。

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(duì)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(tái)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(tái)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(tái)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(shì)，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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作者:童玲 李祥飛 單位:湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南工業(yè)大學(xué)圖書館