电气工程虚拟仿真实验教学平台的设计与实现

赵凯辉 童玲 李祥飞

摘 要：分析了电气工程专业采用虚拟仿真技术进行实验教学的必要性，提出了虚拟仿真实验教学平台的设计与实现方案，探讨了电气工程虚拟仿真实验教学资源的开发思路。首先对虚拟仿真实验教学平台进行了需求分析，并对平台的功能模块进行了说明。然后描述了虚拟仿真实验教学平台的网络拓扑和系统结构模型。最后提出了电气工程虚拟仿真实验教学资源的开发思路。通过电气工程虚拟仿真实验平台的建设与实践，实现了真实实验不具备或难以完成的实验教学功能，提高了学生工程实践能力和科研创新能力。

关键词：电气工程 虚拟仿真 实验教学平台

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0202-03

Abstract： The necessity of applying virtual simulation technology to practice teaching in electrical engineering is analyzed. The design and realization scheme of practical teaching platform of electrical engineering virtual simulation is proposed. Firstly， the requirement of virtual simulation teaching platform is analyzed， and the function module of the platform is described. Then， the network topology and system structure model of virtual simulation practice teaching platform are described. Finally， the developing ideas of the teaching resources of the virtual simulation experiment of electrical engineering are put forward. Through the construction and practice of virtual simulation experiment platform of electrical engineering， the experiment teaching function which is not available or difficult to be completed in real experiment is realized， and the students' engineering practical ability and scientific research innovation ability are improved.

Key Words： Electrical engineering； Virtual simulation； Experimental teaching platform

虛拟仿真技术作为一种新的科学研究方法，对高等学校的教学和科研发挥的作用越来越重要[1-3]。基于虚拟仿真的实验教学是综合应用计算机应用技术、计算机网络技术和虚拟现实等技术[4-6]，通过构建逼真的实验环境，达到、甚至超过真实实验的效果[7]。

虚拟仿真技术对传统的实验教学产生的影响越来越大。虚拟仿真可应用到危险性极高、操作不可逆以及高成本、高消耗的实验项目和实验教学中，以提高实验环境的安全性，弥补实验成本的不足，突破安全、成本、仪器设备的限制，解决实验教学面临资金不足等问题[8-10]。

我校的电气工程及其自动化专业，分为电力系统及其自动化专业方向和电力电子与电机控制专业方向。电气工程专业主要侧重于电力系统一次系统操作和运行，以及电力系统二次系统操作和运行、电力电子与电机控制领域相关技术的研究[11]。由于电力系统庞大、复杂，且高电压、大电流，电力设备种类多、价格昂贵等特点，在实验室很能建立和现场完全一样的电力实验系统[12-14]。因此，有必要采用虚拟仿真技术，建设电气工程专业的实验教学平台，开发电气工程专业的虚拟仿真实验教学资源，提高学生的工程实践能力和科研创新能力[15]。

1 虚拟仿真实验教学平台的功能模块

1.1 需求分析

虚拟仿真实验教学平台的参与者可分为3类。

（1）系统管理员：主要负责虚拟仿真实验教学平台基础数据的维护，拥有平台的所有操作权限。具体来说，可进行用户管理、实验管理、实验操作、修改密码、发布信息等模块的管理和操作。

（2）实验指导教师：管理每门课程实验的教师，主要负责实验管理、实验操作、实验演示、实验指导、实验测评等模块的管理和操作。实验指导教师一般由任课老师担任。

（3）一般用户：虚拟仿真实验教学平台的使用人，可进行实验演示、实验操作、密码修改以及信息反馈、培训学习等操作。普通用户包括在校师生和校外用户。

1.2 虚拟仿真实验教学平台的功能模块

虚拟仿真实验教学平台的系统功能模块如图1所示。

（1）用户管理模块：该模块主要管理用户的信息。系统管理员拥有对所有用户账号进行操作的权限，可以进行账号查询、激活、修改或禁止等操作。实验指导老师和一般用户只能对自身的账号进行操作。

（2）实验管理模块：该模块可对用户所进行的实验类型、实验内容和实验成绩进行管理。用户可选择实验的类别，如选择进入实验操作模块、实验演示模块或实验测评模块。

（3）实验指导模块：学生在进行实验操作时，实验指导教师通过该模块可以在线指导学生，实现两者的实时交流。

（4）实验测评模块：学生进行实验操作时，通过该模块可将进行实验的名称及实验过程存储于服务器中。实验指导教师可以随时从服务器查看学生实验操作过程并评阅，结果存储到服务器。

（5）实验演示模块：通过该模块，实验指导教师能进行实验的演示，并存储到服务器。学生通过该模块，可随时查看实验演示过程。

（6）实验操作模块：通过该模块，学生可选择相应实验项目并存储，以后还可以继续未完成的实验。

（7）培训学习模块：主要对一般用户提供操作和相关的管理制度说明。

2 虚拟仿真实验教学平台的构建

2.1 系统的体系结构

C/S（Client/Serve，客户机/服务器）体系结构适合于小规模、单一数据库的局域网环境，而B/S（browser/server，浏览器/服务器）体系结构的客户端只需要浏览器，具有较高的安全性和通用性。如图2所示，本虚拟仿真实验教学平台拟采用典型的B/S三层体系结构，其中三层分别为Web表示层、业务逻辑层、数据访问层[16]。

2.2 网络拓扑结构

我校虚拟仿真实验教学平台系统网络拓扑结构如图3所示。

（1）Web浏览器：虚拟仿真实验教学平台采用Web浏览器作为客户端。Web浏览器与实验服务器交互是通过HTTP协议实现，下载网页并获取各种动态数据信息，并将用户行为的信息提交到web服务器。

（2）服务器：服务器包括Web服务器、实验服务器、仿真软件服务器、RT-LAB系统服务器等。

Web服务器是虚拟仿真实验教学平台的核心，使用SQL Server 2012数据库来管理全部教学资源，如实验服务器、仿真软件服务器、RT-Lab系统服务器等，并通过程序检测这些资源的运行状态。Web服务器负责多个用户同时访问某一实验设备的调度。

实验服务器负责与实验室的实验台交互。在实验室进行实时控制实验台时，程序自动选取最佳实验服务器，实验服务器直接向远程用户提供实时监控服务，这样可以缩短监控数据的传输路径，提高监控的实时性，同时增强了系统的可扩展性，避免了实验负载过度集中在Web服务器上。

RT-LAB是一种模块化的实时仿真平台，可实现硬件在环真仿真（hardware-in-the-loop simulation， HILS）和快速控制原型（rapid control prototyping，RCP）。RT-LAB的提供了良好的人机界面，这将使HILS和RCP变得更轻松。建立RT-LAB系统服务器，用户可进行远程的HILS和RCP操作。

软件服务器可以安装电气工程相关仿真软件，使用户可以进行远程软件虚拟仿真。例如LabVIEW、Matlab/Simulink。软件服务器接收用户的命令和参数并解释执行，且把执行结果反馈给用户。

（3）实验台：实验台由2部分组成：网络化控制器和实验设备。网络化控制器是为实验设备连接到实验服务器而开发的前端控制器。目前，我校的虚拟仿真实验教学平台己连入多台实验设备，如DCS过程控制仿真、PLC工业过程控制仿真、Proteus EDA设计仿真、基于LabVIEW和Multisim仿真等平台。

3 电气工程虚拟仿真实验教学资源的开发

（1）虚拟仿真软件实验教学资源的开发。建立仿真软件服务器，安装LabVIEW、Matlab/Simulink、Multisim、PSCAD/EMTDC、PSIM等电气工程仿真软件。基于电气工程专业仿真软件，可以进行电路理论、电子技术电路、电力电子、电力系统的仿真，结合友好的图形化界面，使用可操作的相应的虚拟实验仪器，可以在计算机上建立起虚拟实验室环境，并可实时显示仿真波形，方便直观。

（2）虚拟仿真硬件实验教学资源的开发。采用虚拟仿真技术对现有实验室进行改造，将相关实验室的实验台通过网络化控制器连接到实验服务器，学生在校园网就可以进行有限的软硬件结合的实验。

（3）电气工程专业虚拟仿真实验教学的改革。基于虚拟仿真技术，进行电气工程专业实验教学的改革，优化电气工程专业实验教学体系，构建模块化、递进式、多层次的电气工程专业优质虚拟仿真教学资源，研究电气工程专业“虚实结合”的实验教学模式，培养学生的工程实验能力和创新能力。

4 结语

目前，我校的电气工程虚拟仿真实验教学平台已初步建成并初见成效。电气工程虚拟仿真实验教学平台虽然已经建成，但需进一步完善、推广和应用，同时需要进行电气工程专业实验教学的改革，构建模块化、递进式、多层次的电气工程专业优质虚拟仿真教学资源。充分发挥电气工程学科专业优势，整合和拓展学校电气工程实验教学资源，丰富电气工程实验教学内容，可以降低实验教学成本和风险，实现真实实验不具备或难以完成的实验教学功能，提高了学生工程实践能力和科研创新能力。

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