交通运输虚拟仿真实验教学平台的设计与实现

唐优华，马　驷，邓灼志，谭永刚，张晓梅

(西南交通大学　交通运输与物流学院，成都　610031)



交通运输虚拟仿真实验教学平台的设计与实现

唐优华，马驷，邓灼志，谭永刚，张晓梅

(西南交通大学交通运输与物流学院，成都610031)

平台总体架构的设计方案为“三系统、四功能、五层次”。平台采用分布式资源存贮、应用虚拟化、流媒体处理、流媒体测评等现代信息技术，实现了开放、共享、虚拟、远程的实验教学环境，达到了学生能远程实验、自主设计实验；教师能远程指导评阅实验、远程备课的虚拟仿真教学目的。

虚拟仿真；实验教学平台；交通运输；应用虚拟化

最初提出的虚拟实验室概念是用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。其初衷是为了方便不同实验室中的科研人员共享彼此的数据、仪器，并能交流思想和进行远程科研合作。近年来，随着虚拟实验技术应用越来越受到人们的重视，国内的许多高校根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟仿真实验室，其中，有一些是非常优秀的。但虚拟仿真实验室的建设主要存在两个问题。1)缺乏系统性研究:关于虚拟实验系统设计开发的比较多，但对应用虚拟实验教学平台的研究比较少，缺乏关于虚拟实验教学的教学设计和教学模式及虚拟实验评价和管理方面的研究；2)缺乏虚拟实验系统通用教学平台，各个虚拟仿真实验系统是独立分散的，造成重复开发、重复投资、资源浪费。

西南交通大学交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心拥有交通运输、交通工程、交通安全、物流管理、物流工程5个专业26余台(套)虚拟仿真实验系统，既有单机仿真，也有多岗位协同作业仿真。要实现远程虚拟仿真实验，必须架构能够整合所有虚拟仿真实验系统、对实验过程进行高效管理的虚拟仿真实验教学平台。

1　平台总体架构

1.1平台建设目标

综合采用分布式资源存贮技术、应用虚拟化技术、流媒体处理技术、数据库技术、现代网络通信和共享技术等先进技术，构建交通运输虚拟实验教学平台。将“有限的物理实验教学空间”拓展成为“无限虚拟实验教学空间”，实现多地、多校、多专业的实验教学资源整合和共享，形成虚实结合、师生互动、自主学习的实验教学环境，达到增强学生的实验兴趣、提高学生工程实践与创新能力、提升人才培养效果的目的。

1.2平台总体组成

中心通过自主设计、合作开发的模式搭建了“三系统、四功能、五层次”的具有开放性、互动性、前瞻性的交通运输虚拟仿真实验教学平台。三系统即信息化硬件支持系统、实验教学资源整合共享系统及虚拟仿真实验教学系统；四功能即公共信息管理功能、实验系统整合配置功能、实验教学资源管理共享功能及远程虚拟仿真实验功能；五层次即用户群层、网络层、管理共享层、资源群层和实验项目层。

1.3平台的核心技术

1.3.1分布式资源存贮技术

平台采用可伸缩的分布式文件系统存贮资源，解决了实验资源的持续共建共享、海量实验资源检索等难题。通过分布式集群架构将网络中普通PC、通用服务器及各种存储设备集合起来协同工作，并通过专用数据接口和连接器，向用户提供海量数据存储、管理和访问服务。部署方式上支持全网分散部署，或在数据中心集中部署。

1.3.2流媒体处理技术

平台采用流媒体自动转换、流媒体服务技术。当实验资源、实验监控录像上传后，资源转换服务引擎将把文档类资源自动转换为swf，把音视频资源转换为flv，用户查看资源时，通过流媒体服务器提供流媒体服务。用户边下载、边查看，有效地降低了网络带宽要求，提高了平台的整体性能。

1.3.3应用虚拟化技术

实验室自主研发或购买的虚拟仿真实验系统，基本不支持跨平台、多终端。本平台采用基于应用/服务器计算A/S的应用虚拟化架构，采用基于RDP协议的虚拟通道技术，把应用程序的人机交互逻辑(应用程序界面、键盘及鼠标的操作、音频输入输出、读卡器、打印输出等)与计算逻辑隔离开来。即用户在访问一个服务器虚拟化后的应用时，用户计算机只需要把人机交互逻辑传送到服务器端，服务器端为用户开设独立的会话空间。应用程序的计算逻辑在这个会话空间中运行，把变化后的人机交互逻辑传送给客户端，并且展示在客户端相应设备上，从而使用户获得如同运行本地应用程序一样的访问感受，同时支持任意终端的应用虚拟接入。通过此技术可以实现对所有C/S类型的虚拟仿真实验系统的整合，免去了客户端安装实验系统的过程。

1.3.4身份认证技术

中心现有的虚拟仿真实验系统，既有C/S也有B/S架构的，这些实验系统来自不同的厂家，没有统一接口和标准，因此需要解决系统的统一身份认证，即单点登录问题。传统的身份认证系统都要求第三方系统提供接口，或者做一定的修改。本平台采用了基于代理的透明登录技术，平台服务器记录了各用户在各实验系统的账号密码。用户登录平台后，平台就记录下该用户的ID，当用户要使用其他实验系统时，由本地代理程序向服务器获取该实验系统的账号和密码，服务器把账号和密码进行加密后传输给代理程序，代理程序代理启动实验系统，并设定实验系统的账号和密码进行透明登录，从而实现实验系统不进行任何修改就可统一身份认证。

1.3.5实验过程流媒体测评技术

传统的实验评价一般都根据实验报告或实验结果数据进行评价，无法对实验过程进行跟踪和评价。本平台使用多媒体技术，对实验过程行为进行截获，记录下每次操作的行为、图像、时间，并以流文件存贮，形成一种新型实验结果材料，教师能够回放学生的每一操作过程，并对操作过程进行评价和指导，学生通过回放教师的指导，针对性地改进实验过程。

2　平台的“五层次”架构

虚拟仿真实验教学平台由5个层次组成。

1)用户群层。

包含交通运输实验中心用户、校内其他实验中心用户、校内教师/学生个人用户、其他高校团体用户、企业团体用户以及其他院校/企业个人用户等。

2)网络层。

包括校园网和互联网网络连接资源。

3)管理共享层。

由信息化硬件支持、实验教学资源整合共享以及远程虚拟仿真实验教学3个系统组成。

4)资源群层。

包含交通运输虚拟仿真实验教学资源、校内交通运输相关实验教学资源、其他高校交通运输相关实验教学资源和合作企业的交通运输相关实验教学资源。

5)实验项目层。

包括利用虚拟仿真实验教学中心的实验教学资源所开设的所有实验课程和实验项目。

3　平台的“三系统”组成

1)平台信息化硬件支持系统。

平台信息化硬件支持系统包括大型存贮设备、服务器群、接入网、防火墙及无线WiFi接入等设备，为实验教学资源整合共享系统与虚拟仿真实验教学系统提供支持。

2)实验教学资源整合共享系统。

实验教学资源整合共享系统应用分布式集群架构技术将中心各资源终端、资源服务器及各种存储设备整合协同工作，提供海量数据存储、管理、共享和访问服务。采用基于应用/服务器计算A/S的应用虚拟化架构及虚拟通道技术，实现了应用程序的人机交互逻辑(应用程序界面、键盘及鼠标的操作、音频输入输出、读卡器、打印输出等)与计算逻辑的隔离，用户可获得如同运行本地应用程序一样的访问感受。支持各资源终端的应用虚拟接入，为虚拟仿真实验教学系统完成各类虚拟仿真实验提供了系统支撑。

3)远程虚拟仿真实验教学系统

远程虚拟仿真实验教学系统采用应用虚拟化技术，支持任何架构的仿真实验教学软件。通过对公共信息的管理、实验教学资源的整合配置管理与共享、远程虚拟仿真实验的管理，使用户能在任意时间、任何空间、任何终端上虚拟化使用各种仿真实验教学软件，构建了实验教学资源共建共享、虚实结合、教学考练一体化的教学、实验新模式，实现了课程教学和实验教学的有机结合。

4　平台的“四功能”模块

虚拟仿真实验教学平台由公共信息管理、实验系统整合配置、实验教学资源管理共享、远程虚拟仿真实验4大功能模块组成。如图1所示。平台采用B/S架构，可按学生/公众用户、教师、实验管理员3个不同的用户组合使用相应的功能模块。基于实验教学资源整合共享系统实现了公共信息管理、实验教学资源的管理配置与整合共享以及无缝连接、远程虚拟仿真实验管理等功能。

图1　虚拟仿真实验教学平台功能组成图

4.1公共信息管理功能模块

主要实现对用户信息的角色管理，对用户及系统安全的管理，对实验平台、实验系统、实验资源的管理，并对实验系统类型、类别、组织形式进行配置。

1)用户信息:支持后台管理者对平台用户角色进行增加、删除和修改，对用户信息进行增加、删除、修改和批量导入等。

2)信息发布:提供平台公告、消息以及风采图片的编辑、发布等功能。

3)安全保护:提供用户登录的IP地址、登录离开时间，支持按日期统计分析；支持用户密码更改和密码加密功能；并对用户的操作进行日志记录。

4)配置实验:可对实验类别(课程实验、个性化教师命题实验、个性化自拟题目实验)、实验类型(认知型、专业型、综合型、创新型)、实验组织形式(个人、团队)进行选择配置。

4.2实验系统整合配置功能

主要完成对实验资源中心的实验系统资源的应用虚拟化配置，通过配置后，各类用户可以远程无缝调用各分中心的实验系统资源，平台可以对实验资源中心的各项实验系统状态进行实时监控。

1)虚拟化配置:支持(CS/BS/AIR)任意架构的应用的增加、删除、改查，支持分类搜索、统计;支持对不同角色、不同组织架构的用户的授权功能。支持不同实验教学资源、不同实验环节的组合，并能根据实验内容灵活配置、使用相关实验资源进实验；可根据学生申请实验的人数，自动配置实验中学生的的角色或岗位。

2)系统使用率:支持实验预约的用户、课程、专业以及使用的实验教学资源的各项数据统计，支持不同日期实验人次的统计以及支持不同日期使用生时数的统计。

4.3实验教学资源管理共享功能

主要完成对实验资源的标准化转换、上传操作及资源管理，可以对资源实现使用率统计、评价推荐；支持实验教学资源的排序、查看、增加、修改和删除；支持各类实验资源的上传、共享授权；支持已授权实验教学资源的下载、复制及批注；支持资源上传、下载量等的统计及优质资源的自动化评价并排序推荐。

4.4远程虚拟仿真实验功能

按课程实验、个性化实验(教师命题)、个性化实验(学生拟题)、校外团体/个人用户实验流程对实验计划、实验安排、实验预约等实验环节进行管理，实现远程虚拟仿真实验，实现教师用户分步骤评阅，实现教师与学生之间的互动交流，完成实验数据的收集分析，实现对实验结果的成绩评定和实验成果展示以及实验币管理等功能。

1)实验计划。

课程实验管理:对实验课程进行编辑，包括实验项目组成，任课教师等。

实验项目管理:对开设实验项目学生对象、开放时间、是否需要进行实验预习进行管理，支持对实验人数、资源的限制等。

个性化(教师命题)实验管理:支持教师用户对实验项目、限选对象、开设时间、实验类型、实验目的、实验内容等进行编辑。

项目审批:对申报的实验项目进行审批管理。

2)实验安排。

课表安排:对实验课程进行课程安排和提供实验课程课表查看功能。

个性化(学生自主命题):学生可根据实验资源进行选题设计，提出申请，包括对实验项目名称、实验类型、实验目的、实验要求、实验内容、实验人员等进行编辑。

3)实验预约。

支持实验预约功能，显示实验资源、设备被占用情况。预约通过后发出实验通知。

4)实验环节。

实验指导:通过查看教师提交的实验资源、推荐的优秀学生实验回放、实验互动等形式进行实验指导。

数据收集下载:可对实验过程中或实验结束后的实验数据进行收集并下载。

实验监管:教师可查看正在实验的学生界面情况，以便做出实时指导和管理。

实验互动交流:教师与学生，学生与学生之间可以通过互动平台进行实时互动，包括文字消息，图片消息等。

实验成果提交:按照实验要求对实验结果进行提交，以便教师批阅。

实验成绩评定:教师可对实验结果进行评阅，并给出成绩。

实验成果展示:可对以往的实验成果提供展示，为学生推荐实验项目。

5)实验评价。

可对学生实验过程进行记录、回放，并进行对比分析。

5　结束语

西南交通大学建成了“大交通”特色鲜明、轨道交通优势突出的交通运输虚拟仿真实验教学平台。交通运输虚拟仿真实验教学平台的构建和实现为学生自主调用实验教学资源和设备，自由搭建实验项目、组合设计实验环节、灵活配置实验岗位提

供了可能，学生可在平台上进行单/多人、单/多岗位协作的虚拟仿真实验，达到了学生远程实验、教师远程监控、流媒体评测的课程实验教学目的。学生可以通过教学平台自主设计个性化实验、搭建个性化实验环境，极大激发了学生的实验兴趣，为学校科创活动提供了更好的实验支撑。通过虚拟仿真实验教学平台可实现对原有系统的复制和扩容，极大地缓解了中心大型虚拟仿真实验系统空间不够、台套数不足无法满足大规模学生实验需要的矛盾。

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Design and Realization of Experimental Teaching Platform for Transportation Simulation Laboratory

TANG Youhua，MA Si，DENG Zhuozhi，TAN Yonggang，ZHANG Xiaomei

(School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The overall structure of the designed platform can be described as “three systems，four functions and five levels”.The modern information technologies are distributed technology for resource storage，practical virtualization technology，streaming media treatment，identity authentication technology and testing technology for experiment process with streaming media etc.Through these technologies，an open，shared，virtual and long-distance experimental teaching can be realized.Then distance education can be realized so that students can conduct experiments and design practical activities themselves，meanwhile teachers can guide and value experiments and prepare lessons remotely.

virtual simulation; experimental teaching platform; transportation; application virtualization

2014-12-13；修改日期: 2015-01-02

唐优华(1977-)，男，硕士，高级工程师，主要从事交通运输安全技术方面的工作。

马驷(1969-)，男，硕士，副教授，主要从事铁路运输组织与优化、运输经济方面的工作。

U12;G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.062