“互联网+”背景下虚拟精馏实验室设计实现

李广庆，李 莹，陈鸿宇

1吉林医药学院管理学院；2吉林医药学院生物医学工程学院

“互联网+”背景下虚拟精馏实验室设计实现

李广庆1，李 莹2，陈鸿宇2

1吉林医药学院管理学院；2吉林医药学院生物医学工程学院

利用3DS Max+Virtools+Java Web等技术建设网络三维虚拟精馏实验室,解决高校化工原理实验课程硬件条件不足。虚拟实验结果与实际实验结果吻合。基于网络的虚拟实验室建设，提高了实验室使用率与机动性；减少了化工原料对实验人员的直接或间接伤害，增强实验安全性；节约实验室场地；为工业化应用提供设计思路。

互联网+；化工原理；虚拟实验室；精馏实验

1.引言

随着现代信息化技术的广泛应用和生产科研、教学实验质量要求的不断提高，各高校逐渐加强学生实验课程的动手能力、操作能力和科研能力的培养，培养复合型应用人才满足社会需求。而化工原理课程的精馏实验，需要大型的精馏设备，非专业性高校无法满足。随着“互联网+”概念的提出，互联网+虚拟实验室为解决上述问题提供了可行的方案。

2.虚拟实验室建设

众多学者和大量文献中都有提出过虚拟现实,中山大学开发的虚拟化工实验系统[1],采用了平面开发技术，对其他化工软件的开发带来了一定的启示，交互功能薄弱。吉林大学高等教育研究所的虚拟实验室[2],三维效果理想，交互效果不足。综合前人技术和资料，3DS+Virtools+Java Web技术开发网络虚拟精馏实验室，场景式架构以提高临场感，与现实匹配，操作符合人类思维。

2.1 开发流程及技术路线

3DS+Virtools+javaWeb作为开发平台，主要分为五个阶段：数据收集，建立模型；交互开发；Java Web搭建；实验测试。数据收集主要包括建模所需设备规格、纹理照片、工艺流程以及实验数据整理；利用3ds Max建立精馏设备模型并赋予材质、贴图；利用3ds Max导出.nmo文件提供给Virtools，用BB、VSL语言交互开发；Java Web搭建阶段将Virtools发布虚拟实验室挂接Internet，将实验室网络化。

2.2 网络化虚拟实验室的实现

虚拟实验室建设过程中，虚拟的大型实验设备是重点，是虚拟实验室实验过程中交互操作是核心部件，使用3dsMax设计的三维设备模型是Virtools设计交互操作的对象。

2.2.1 设备模型建立

设备主要包括分离装置、检测装置，及虚拟现实的静态物质。之前的数据收集为设备的模型建立提供了数据。模型建立之后，在保证图像质量的前提下，使用技术手段进行优化以达到良好运行速度，如减少使用平滑点减少多边形的生成，运行流畅；非主要设备使用的低分辨率贴图；透明贴图使用PNG格式以保证Virtools自动解析。

2.2.2 界面及交互设计

虚拟实验室人机交互设计是整个实验室设计重中之重。界面、流畅的导航系统是熟练使用虚拟实验室的保证。采用Windows化多场景的操作界面，非线性完全交互的模式。设计过程中使用了“多场景-半景”模式，摄像机可沿x，y轴线移动并旋转，即以摄像机为轴心，120度为视角，3场景模式实现实验室全景图；实验设备操作均以操作部件完成，如旋转轴、阀，缩小与实际实验操作中感觉的差距，增强临场感。与数据相关的实验操作使用VSL编写关联[3]，3D拾取检测操，将操作系数实时传递，以控制数学模型中的数据。通过旋转阀门的次数改变粒子系统参数、通过BB模块实现页面升降控制，实现仿真效果[4]。

2.2.3 网络平台搭建

将Virtools开发完毕虚拟实验室发布后挂接到Web Server，实现PC客户端网络访问，通过Java脚本为保证系统安全，内部使用人员拥有独自的用户，其他使用人员必须提出申请，系统管理员审核批复后方可使用。Web Server开发了后台维护端，主要用于维护实验数据以及理论实验数据的录入整理。

3.虚拟实验室测试

采用正戊烷-正己烷溶液进行分离，进料温度为tF= __D_DdxF=__D_Dd_____xn=0.95,tF=__D_Dd____xw=_______R=1.6，自动计算提馏段方程为y=1.5-0.0249。

为验证模拟实验数据的准确性，经过多次实验，把获得的部分回流和全回流情况下的模拟数据与实际数据进行对比，综合评定，其结果如表1所示。

表1 实际实验数据与虚拟实验数据结果比较表

从比较结果可以看出，模拟数据与实验数据吻合，数据相对误差控制在5%之内，虚拟精馏实验室达到了设计初衷，临场感强、微观操作与过程逼真，满足教学科研需求、准确度达到了化工原理实验教学、科研仿真的要求。

4.总结

本文在对精馏理论分析转化的基础之上，利用计算机技术建立了网络化三维交互式精馏虚拟实验室，能够完成实验操作的仿真、模拟计算，自动绘图等功能。虚拟实验室的建设弥补了现阶段教学科研多方面的不足，有效的避免实际实验或操作对人身所产生的伤害，超越了时间界限，利用网络上终端设备随时随地可以进行实验，提高了虚拟实验室的灵活性和实用性。同时，互联网+虚拟实验室的建设方案为相关领域难题提供了参考。

[1]周爱东,王庆,杨红晓.仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践[J].实验技术与管理,2007,24(3):84-86.

[2]刘英杰,杨雪,阐宝朋.基于3ds Max和Virtools的大学物理虚拟实验的设计与开发[J].现代教育技术,2008,18(6):88-92.

[3]Hiroshi Matsuda.Design and implementation of Cyber assistant professor:CAP[C].Washington,DC,USA:IEEE Computer Society, 2005:297-301.

[4]裴锋,杨万生.完全互溶双液系平衡相图的计算机绘制[J].实验室研究与探索,2004,23(5):26-28.

2015年吉林省大学生创新创业训练项目。

李广庆(1982-)，男，吉林大安人，硕士，讲师，研究方向为信息系统分析与集成。