智慧物联虚拟仿真实验教学中心设计与建设

段景山，陈 苹，凌 翔，林水生，张 进

(电子科技大学 通信与信息工程学院,四川 成都 611731)

物联网是互联网的延伸,被称为第三次信息革命。我国政府高度重视物联网的研究和发展,2009年,国务院提出“感知中国”的战略构想,将物联网正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一[1]。2010年,电子科技大学成为教育部首批“物联网工程专业”办学高校[2]。理论与实践相结合是培养我国现代社会物联网行业高素质人才的重要途径与手段,但智慧物联是新兴专业,实验室建设相对薄弱,实体实验资源积累和环境建设短期不易形成规模,实体实验室成本高、教学效率相对较低等特点[3]在一定程度上限制了我国物联网技术人才的培养。

为此,通信与信息工程学院作为智慧物联虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)的主体承建单位,确立了“虚仿先行,虚实结合”的物联网工程专业实验教学建设总体思路。2012年,以 “信息与通信工程”“光学工程”两个一级学科为支撑,以“通信与信息系统国家级实验教学示范中心”为主体,联合“通信抗干扰技术国家级重点实验室”、“光纤传感与通信教育部重点实验室”的科研、教学力量,正式成立智慧物联虚拟仿真实验教学中心。通过搭建虚拟仿真实验教学平台,中心将理论教学与实践教学、实体实验教学与虚拟仿真实验教学有机结合,有效解决了实验教学资源短缺与学生需求日益增长的矛盾[4],提高了人才培养的质量。

1 建设的必要性

1.1 完善实验教学体系，弥补实体实验教学的不足

物联网工程是一门新兴的综合工程学科,涉及器件技术、电子技术、通信技术、网络技术、工程技术等专业基础知识[5]。在应用层面,许多场景具有一定的破坏性、危险性,如油气勘探的地震波、泥石流监测等。核心层面的接入和传输也是整个系统工程的重要组成部分,需要通过大型电信级设备或系统相配合,需要相关技术人员谨慎、科学的决策和建设,才能构成完整、可靠的系统。这些因素都是制约实体实验开设的重要因素。

计算机技术发展的日益成熟为虚拟仿真实验教学提供了可行性[6-7],其高效率、低成本、可共享、灵活安全等特点正好弥补了传统实体实验教学的不足。因此,构建虚拟仿真实验教学中心,弥补部分实体实验教学存在的极端环境、过程不可及不可逆、大型复杂综合的现实局限[8],为高素质物联技术人才培养提供切实可行的虚拟仿真实验教学资源是十分必要的。

1.2 深化教学改革，培养具有解决复杂工程问题能力的物联网创新型人才

随着技术发展,新工科的涌现,为高等本科院校如何有效培养出具有解决复杂工程问题能力的创新型人才提出了严峻的挑战。传统实验教学方式下存在学生综合能力较差、创新能力不足等诸多问题,因为实体实验系统性较弱,上机实操机会少。因此,要科学合理利用智慧物联虚拟仿真实验教学中心,结合实体实验教学,选择恰当的实验载体与实验环境,使学生深入掌握相关工程知识原理,经历、体验复杂工程系统的构建,引导其深入考虑问题及解决的方案、方法、途径、工具,真正培养和提高学生工程实践能力、解决复杂工程问题的能力[9]。

1.3 实现资源共享，优化教育资源配置

长期以来,我国实体实验教学资源的利用并不充分,主要表现为学生使用频率低、学生覆盖面窄,大多数实验课程只能在上课期间开放使用,且在资源有限的情况下实验室会设置优先使用权制度。相比之下,虚拟仿真实验教学则可以不受时空条件约束,构建逼真的实验操作环境和实验对象,使学生能够在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全、经济的实验[10],惠及学校所有相关专业和课程的学生。除进行课程实验学习外,学生还可利用该平台自主参与各类科研竞赛、创新创业实践活动,有助于进一步培养学生科学研究、工程实践的兴趣。与此同时,平台通过建立面向校内、西南乃至国内高校,以及面向企业的共享开放机制,避免了相同实验的重复设计,节省了国家对实验教学资源的投资,资源配置得到有效优化。

2 智慧物联虚拟仿真实验教学中心的建设

中心在建设过程中坚持“科教融合、校企联合、点面综合、虚实结合”的整体思路,注重内容、形式、层次与共享,瞄准“培养基础知识厚、专业能力强、综合素质高、具有国际视野和社会责任感的拔尖创新人才”教学目标,以物联网的“感知、传输、应用”结构为主线,建设智慧物联虚拟和仿真实验教学平台。平台在系统全域覆盖中突出主要和关键技术,如传感,组网和接入,特色应用技术等；在具有代表性、先进水平方面,强调转化科研成果以使平台能够反映智慧物联领域重要进展。目前,形成由传感器件与网络、通信接入与传输、物联服务与应用3大模块,无线识别感知与网络、光电传感与网络、泛在接入系统、无线传输系统、环境监测应用、车联网应用6个子平台的智慧物联虚拟仿真实验体系,设计了21个虚拟仿真实验项目,总共服务18门课程,涉及12个专业。整体架构体系如图1所示。

图1 智慧物联虚拟仿真实验中心结构

2.1 无线识别感知与网络虚拟仿真实验平台

无线识别与感知的实验教学难点在于感知原理的掌握和应用中感知器件的静、动态特征对输出信号的影响。实验平台利用虚仿优势模拟产生压、热、振、湿、移、浓等目标的特征物理信息,通过关键元器件的仿真模型,在微观条件下观测和分析电采集信号的产生过程、信号特性及变化规律,以可视化手段建立从形象观测到抽象思考之间的桥梁。引导学生搭建虚拟感知电路,建立传感信息采集、编码、发送、接收、解码的处理模型,在宏观层面观测和处理目标特征量,采集信号参数对,通过灵活、便捷的多次、多态试验形成经验,实现设计和完善调测。

中心先后与多家企业合作,开发出适用本科实验教学的“无线识别感知与网络虚拟仿真”实验平台。该平台突出层次化,由浅入深地展开实验,既有针对技术原理的仿真实验,也有弱化了传输和应用两层技术细节,但支持系统完整性的综合设计型实验,这也是利用虚仿技术摆脱实体综合设计型实验常被非关注目标的繁琐细节干扰的弊端。平台目前设计的实验项目和服务课程如表1所示。

表1 无线识别感知与网络平台实验项目

2.2 光电传感与网络仿真实验平台

光传感感知准确度高,在工业环境监测、安保中应用前景广阔,但涉光器件或系统的实体实验一向成本较高。虚仿平台主要针对光纤光栅温、压感知和分布式光纤围栏入侵探测两种常用技术,开展原理探究和综合设计实验。通过自行设定相应参数,将不可及的抽象概念转化为直观、可控的仿真图形、数据等。学生可进行重复模拟,全面深刻的认知和理解光电传感网络关键技术。

借助电子科技大学与某钻探公司、某电网联合开发的光纤光栅传感器钻机井架测试系统、分布式光纤传感电缆受力测温分析系统等多个光纤传感系统及其仿真软件,实现了科研成果向实验教学的转化。平台目前主要设计的虚仿实验项目和服务课程如表2所示。

表2 光电传感与网络仿真平台实验项目

2.3 泛在接入系统仿真实验平台

智慧物联架构中的传输层位于感知前端和应用层之间,又可分为接入网和核心网。中心选择了更具物联网特色的泛在接入和无线传输作为重点建设对象。其中泛在接入实验平台涉及ZigBee、WiFi、LoRa3种技术,关注接入层在无线多跳、宽带、长距离3种场景与相关组网技术在智慧物联系统中的应用,如表3所示。

平台紧跟技术前沿,注重全面性。学生通过虚仿实验,轻松搭建组网环境,可直观观测到数据流向和深入分析数据格式,从而深入掌握组网知识,既掌握了物联网中各种应用场景的接入方案设计、设备的配置等工程技术,又加深了对接入技术中的通信协议、信号信道特性等原理性知识的理解,大大提高了学生理论联系实际的综合能力。

表3 泛在接入系统仿真平台实验项目

2.4 无线传输系统仿真实验平台

平台在理论授课和实际实验场之间补充了大型系统虚拟仿真实验教学环节,采用虚实结合的方式,直观地展示了当前商用3G、4G等主流移动通信系统的物理层信号处理过程。从关键技术到完整的信号处理、再到整体系统安排实验内容,逐步递进,能使学生全面地了解整个通信系统的层次结构,加深学生对移动通信系统、软件无线电、编码原理等课程的认知程度,提高了学生专业兴趣和理论联系实际的能力。电子科技大学与某技术有限公司建立联合实验室,在合作完成国家重大项目以及联合建设的4G/5G实验场基础上,设计了 “无线传输系统虚拟仿真”实验平台,如表4所示。

表4 无线传输系统仿真实验项目

2.5 环境监测应用仿真实验平台

中心每个平台的实验项目中均有要求实验完整物联网应用系统的综合设计项目,其目的是促进学生建立良好的大局观。各平台技术侧重点不同,应用层实验项目更强调数据的处理和应用的呈现形式。同时,以具体需求为引领,完成系统整体设计。中心从案例规模、涉及技术复杂度和种类、应用前景和影响力等方面综合比较,选择了比较典型的“环境监测”和“车联网”两个方向。

实验平台主要基于电子科大与某石化石油物探技术研究院、某山地所合作的科研项目成果转化形成。平台将整个系统的各个部分进行虚拟化建模,从环境监测数据的产生、获取、传输、信号处理到特征提取、研判、命令下达、执行的全过程综合型实验,如表5所示。

表5 环境监测仿真实验平台实验项目

2.6 车联网应用仿真实验平台

车联网应用仿真平台通过采用软件仿真的方法,运用专业的传播建模软件仿真城市传播环境的无线信道,运用开源的车辆行为仿真软件以及自研开发的基于事件驱动的仿真软件,在模拟的城市传播环境下设计车联网方案并完成调测,学生在实验中既掌握专业软件的使用方法并能进行二次开发,具有较高的灵活性与开放性。实验项目如表6所示。

表6 车联网应用仿真实验平台

3 特色与创新

通过多年建设,“智慧物联虚拟仿真实验教学中心”在虚拟仿真实验教学方面形成了“以信息化平台为支撑,依托学科优势,科研引导实验教学转化,企业促进实验教学建设”的高水平网络化虚拟教学体系,具体来说,有以下两大特色。

1)构建了完整覆盖“智慧物联”相关专业知识领域的综合性虚拟仿真实验教学中心。

在传感技术层面:通过“传感器件与网络”模块,囊括了光电传感与网络、无线识别感知与网络两个仿真平台,涵盖了有源、无源传感器件类型,包括了有线、无线传感网络组织方式。

在传输层面:“信息接入与传输”模块包含了泛在接入系统、无线传输系统两个仿真平台,其中,泛在接入系统虚仿平台覆盖了LoRa、ZigBee、WiFi等主流长、短距接入方式,无线传输系统虚仿平台涵盖了算法级、链路级、系统级移动通信仿真实验；而Internet等传统有线传输系统则由实验教学示范中心的实体实验来开展教学。

在应用层面:“物联服务与应用”模块呈现了减灾防灾、油气勘探、车联网等多种典型应用。这些平台的建设为学生提供了多层次的综合训练,增强了学生对知识系统性、全面性的理解。

2)形成了“科教融合、校企联合、点面综合、虚实结合”的虚拟仿真实验建设理念。

中心注重从科研成果中开发实验项目,依托国家级和省部级重点实验室,在本科虚拟仿真实验教学工作中按照 “科研成果引入—教学实验项目改造—本科教学实验实践”的建设思路,不断将科研成果向教学实验转化。如将“通信抗干扰技术国家级重点实验室”承担的多个“新一代宽带无线移动通信网”国家重大专项科研成果进行转换,逐步构建了“无线传输系统虚拟仿真平台” “车联网应用虚拟仿真平台”的各个实验项目。

坚持产、学、研、用相结合,实验教学离不开企业的深度参与。中心先后与十几家知名企业合作,转化企业需求和应用为实验教学案例,将实用技术转化到虚仿模块、模型中。

智慧物联是以产业应用为牵引,学生不仅仅要学习技术知识,更要从应用层面进行宏观理解。中心虚仿实验平台的相互关系也充分体现了“点面综合”特点,在每个虚拟仿真平台的实验安排上,遵循点面综合、层次递进。如无线识别感知与网络虚仿实验平台就是从信息特性到感知器件,从器件到感知网络,从点到面的方式组织仿真实验。

虚拟仿真实验教学作为传统实验教学的一种有效补充,已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段[11]。同时,还要注意的是,“虚实结合,能实不虚”也是实验教学的一项基本原则[12]。在建设中心的同时,仍然要始终重视实体实验的建设工作。智慧物联虚仿中心依托实验教学示范中心的力量,利用已有实物资源,学生对真实器件、真实设备、真实网络的操作,可以获得直观认知,在此基础上叠加虚拟仿真教学,对难以进行的极端、复杂、综合实验进行深入学习,有助于学生深入透彻地掌握相关知识。虚仿实验和实体实验相结合,引导学生提出问题、分析问题、解决问题,通过独立思考与团队合作,让学生体验认知过程,从而激发学术兴趣,启迪学术思维[13]。

4 结束语

电子科技大学 “智慧物联虚拟仿真实验中心”依托学科优势,坚持以学生为本,人才培养为核心,形成了“科教融合、校企联合、点面综合、虚实结合”的建设思路,所构建的“3模块6平台”的实验体系,服务学校物联网工程、网络工程、通信工程、光电信息科学与工程、环境工程等12个本科专业,学生通过利用这些资源,取得了一系列高水平成果,效果显著。今后,中心将继续利用学校在全国物联网行业中的优势资源,不断完善实验资源库,逐步扩大实验项目规模,提高共享效果和水平,创造更好的社会和经济效益。