综合布线虚拟仿真实验设计

丁晨　刘桥

摘要：针对传统网络综合布线教学实际，分析网络综合布线实验室的现状以及虚拟仿真实验系统的优点，设计开发了3D效果直观、交互性强、具有一定考核作用的3D虚拟仿真系统。网络综合布线虚拟仿真实验系统能结合实训使学生积累实践经验，通过虚实结合提高动手能力，有效地训练学生创新实验和解决问题的能力，能够让学生更好地完成对项目设计，质量管理和维护管理等一系列的工作。21世纪是一个信息爆炸的时代，也正是一个数字化时代，虚拟仿真技术在现代社会中扮演的角色不仅仅限于娱乐，与教育结合也会突现闪光点。

关键词：Unity3D;虚拟现实;网络综合布线;模块化设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）09-0066-03

随着计算机技术的发展和应用，《网络综合布线》作为一门必修课程，在课程设置过程中，受到时间和空间以及设备的种种限制，随着教学改革的开展，基于解决以上问题，虚拟仿真技术的应用显得尤为重要。[3]网络综合布线系统的设计和是施工是一个庞大的工程，需要大量的技能型专业人才，网络综合布线实验室就是模拟实际工作环境和工作过程，通过大量的实验实训使学生掌握相关的技能，满足实际工作的需要。[2]

1 开发背景

虚拟与现实是两个具有相互矛盾含义的词语，放在一起被科学技术的发展赋予新的含义。虚拟仿真技术的互动和逼真带给人们身临其境的感觉，但是就目前为止，拥有核心知识产权，技术过硬的企业不多，优秀品牌更是凤毛麟角。虚拟仿真技术在城市规划、地产行业、数字校园、旅游业、娱乐、艺术、教育、工业等领域都有相应的应用。

为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，教育部办公厅发布了关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知。

2 开发目的

2.1 网络综合布线实验室的现状

综合布线可服务于多方面的系统应用。它支持数据、语音、音箱等信号的传输;也支持多方面的设备;还支持多方面的系统构架，信息技术领域已经意识到精良的网络布线的重要性，它不仅能使用户达到传输数据的目的，还能串行通信、传送语音、图形图像、视频影像等。虚拟综合布线系统是信息时代的必然产物，正以其鲜明的特点和优点逐步取代传统布线。网络综合布线是网络的基础，因此，它必须安全可靠有效。[1]

2.2 虚拟仿真实验系统的优点

第一，有利于解决设备稀缺性问题。以前学生都是几个人一个组，共用一台设备，导致设备严重不足，这是教学效率不高的一个原因，学生操作过程仓促。采用综合布线虚拟仿真实验系统可以不受时间和空间的限制，多次反复模拟实验，让学生充分了解实验内容、掌握操作流程、熟悉操作规范。第二、有利于激发学生学习兴趣。虚拟仿真实验具有真实性、丰富性、交互性和易更新性等特点，教学内容可以在虚拟环境中随着高科技的发展而不断更新，满足教学需求。大多数学生对机械感到枯燥而又乏味，提不起兴趣，但是在网络布线虚拟仿真实验室系统中可以模拟真实的环境，有利于提前熟悉实验的真实环境，大大激发了学生的学习兴趣。第三、有利于解决安全性问题。综合布线实时操作时，存在大量安全性问题，采用仿真教学时，学生可有效地避免安全事故的发生。

3 开发流程

本系统选择了三个场景和五个重要模块进行设计和开发，主要采用三维工具3dmax和Blender进行场景搭建和模型制作，以及制作过程涉及的动画。利用PS图形处理工具进行贴图的绘制。最后导入Unity3D中，进行交互的设计与实现，编写脚本代码，添加UI设计。

3.1 虚拟仿真实验系统的设计

综合布线虚拟仿真系统主要有三个场景：实验室场景、操作台场景、检验台场景。五个重要模块：超五类非屏蔽水晶头制作和检测、超五类非屏蔽信息模块制作、超五类非屏蔽信息模块安装、简单和复杂链路跳线制作和测试、光纤熔接。因此涉及的模型和贴图资源内容较多。

为了满足实训环节的效果，模型的尺寸要求尽量精确，包括贴纸都是对多个角度进行拍摄的图片，最后用PS合成。虚拟仿真系统中的模型均为多边形建模技术，模型制作结束后还还原了各种设备的色彩，采用贴图加光照贴图最后再渲染的思路，大大加快了系统的运行效率。

模块切换部分如下图1所示，点击select则可进入模块场景中，如图2。

3.2 虚拟仿真系统交互功能的实现

将模型和场景等有关资源导人Unity3D中，再在相應的模型上面进行相关操作时加上相应的交互脚本，来进行相应对象的控制。以第一人称的视角来实现在场景中的观察和操作，本系统还设计了相应的动画控制和整个系统的UI交互脚本，如图3为压线钳的动画控制。

3.3 虚拟仿真系统的测试与发布

在本系统完成之后我们对本系统进行了调试和优化。使Unity3D发布的系统更流畅，更方便。

综合布线虚拟仿真实验客户端针对学生用户提供两种模式：教学模式和自我评测模式。学生用户可以选择要进行学习的模式。

1）教学模式。学生用户进入教学模式会显示教学课程的所有章节，用户可以选择想要学习的章节内容并进入章节学习。在每一章节中，会将内容分为不同的具体的小节，小节分为两种类型：文字概述和实验室实验。学生用户选择所期望学习的小节内容进行学习。在实验室实验小节学习时，综合布线虚拟仿真实验客户端会提供此实验对应的教学视频与教学语音，视频会根据实验步骤进行划分，学生用户需要跟着教学视频同时操作视频讲解的实验步骤，如果用户在操作过程中有错误之处，客户端会有错误提醒并指出错误之处，让学生用户立刻知道自己实验步骤中的错误。实验结束后会有“本次实验成功”结束语，并退出此次教学。在教学过程中，学生用户在任何时候都可以退出学习，但是实验不被保留。

2）自我测评模式。学生用户进入自我测评模式会显示教学课程的所有章节，用户可以选择想要测验的章节内容并进入章节测验，每一章节有不同的实验测验内容小节。学生用户选择所期望测验的实验内容进行测试。测验时，综合布线虚拟仿真实验客户端不会提供任何提示但会提示测试时间，用户需要在测试时间内完成否则失败。如果学生用户在测试过程中操作有错误之处，客户端不会有错误提醒。在测试结束后，客户端会对测试结果进行错误统计，列出错误的地方，并给出测验所得分数。综合布线虚拟仿真实验客户端通过以上步骤达到学生用户自我测评的目的。

功能结构图如图4所示。

4 结束语

基于Unity3D技术的综合布线虚拟仿真实验系统具有开放性、灵活性、可靠性和模块化的特点。综合布线虚拟仿真实验系统使学生逼真地体验真实的实训场景，不存在任何安全隐患，学生也可反复练习，有效地降低了实训成本。

参考文献：

[1]李乃振.综合布线系统的现状与发展趋势[J].无线通信技术，2014，23（1）： 52-55.

[2]刘振海.基于虚拟现实技术的网络综合布线实验室设计与研究[J].江苏科技信息，2017（13）： 49-50.

[3]田明山.综合布线虚拟仿真实验室的研究与设计[J].电脑知识与技术，2016（11）： 239-240.

【通联编辑：谢媛媛】

基金项目：河南大学大学生创新训练项目（2019102510）;河南大学软件学院教学信息化项目（R2019JX12）

作者简介：丁晨，通讯作者。