基于虚拟仿真技术的职业院校专业建设研究

周晓杰

辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023

教育部职业教育与成人教育司印发的《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设的通知》（教职成司函〔2020〕26号）强调：“虚拟仿真实训基地建设要以社会和市场需求为导向，用新思路、新机制、新模式设计基地建设实施方案，融合多方资源，探索建立院校主导、企业协同、各具特色的实训基地创新建设模式，搭建校企合作桥梁。”[1]在“互联网+”职业教育背景下，虚拟仿真技术与职业教育的融合，有助于破解制约职业教育发展的资源瓶颈，从而加快职业教育人才培养模式的创新和教学方式的变革[2]。近年来，虚拟仿真教学技术在高职教育中开始得到广泛应用，成为实训教学重要的组成部分和提高教育质量的重要手段。

一、虚拟仿真技术在职业教育中应用的可行性分析

虚拟仿真技术在职业教育中的应用，可以改变灌输式的教学，消除学生听课的被动性，发挥学生的主观能动性，学生积极思考体会所学知识，在参与中完成学习[3]。同时，虚拟仿真下的教学增加了学生的参与程度，有利于督促学生在课下认真阅读及查阅相关资料，来满足课堂上的学习需求。

二、虚拟仿真技术在职业院校专业建设的应用

（一）推进教学模式的改革与创新

学习者可以对学习过程中提出的各种假设进行虚拟且直观地观察到这一假设所产生的结果。这种探索式的学习方式有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力，同时也能促进学生享受虚拟仿真技术搭建的虚拟学习环境，完成各种信息交互，感知过去没有认知的物理模型[4]。

（二）优化实训教学课程体系，打造高水平的教学团队

推进人才梯队建设，打造高水平教学团队。通过对虚拟实训室的建设，培养能科研、能教学、能生产的高水平教学团队；结合实训室升级改造项目的建设与运行，开展专业教师实践技能培训，使专业教师深度参与实训室实训项目开发，熟练掌握实训室设备的运行、管理和维护，全面提升专业教师实践技能和教学能力，为提高教学质量提供保障[5]。

我院（辽宁轨道交通职业学院）以“兴辽职教金课”活动为导向，以行业企业人才职业标准为框架，从基础认知、专业技能和综合能力等方面开发了实训教学资源，合理确定实训教学内容，开展实训教学课程体系建设，优化实训方式；坚持科技引领、虚实结合、育训结合、教学创新，以操作训练为主的虚拟仿真实训围绕企业工作岗位需要的核心技能，契合虚拟仿真实训教学模式，按照操作步骤或技能要点设置若干典型任务，学生在虚拟仿真情境下完成操作步骤，掌握技能要点，提高实操技能。

（三）注重以学生为中心的复合型人才的培养

“虚拟仿真技术能让学习者用感官接受和处理各种身临其境、栩栩如生的信息，在一种人机和谐的信息环境下工作、学习与创造，进而将信息加工成为对客观事物的认识。”[6]搭建校企合作桥梁，利用教学管理系统对虚拟仿真实训基地进行整体的管控及资源调配共享，建成示范性虚拟仿真实训基地，保障各个专业的教学实训，使实训达到更高的水平。

三、虚拟仿真实训室建设方案

我院虚拟仿真实训室总体建设思路是，发挥专业优势，建设一座充分融合虚拟仿真技术和人工智能技术，结合辽宁地区的产业结构发展需求和技能型人才的社会需求，以智能制造技术为核心的虚拟仿真实训基地。其以5G工业互联网技术为支撑，以边缘云计算为架构，按照“设备远程化+生产精益化+管理信息化+人工高效化+控制集群化”的构建理念，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统间的迭代运行，并具备零件数字化设计和工艺规划、加工过程实时制造数据跟踪、加工过程自动化等功能，是以多学科交叉性为特色的复合型人才培育基地[7]。

（一）基于虚拟仿真技术，对接ERP（Enterprise Resource Planning，企 业 资 源 计 划）及MES（Manufacturing Execution System，制造企业生产过程执行系统）系统，推进综合性实训平台建设

以用于生产计划管理和生产过程管理的ERP系统和MES系统为核心，进行实训室建设。深度还原现代企业的运营管理活动，遵循ERP下对生产资源的管控流程，遵循MES下对生产过程的控制过程，将现代企业管理模式引入到职业实践教学中，无缝对接职业教育与社会用人需求，培养符合社会需要的技能型人才[8]。

1.集成通讯功能

工控设备与PC机之间信息传递的纽带，为整个生产线平稳运行提供了保障。我们采用工业以太网进行集成通讯。以太网是当前运用最普遍的局域网技术，不仅具有开放性、低成本以及广泛的软硬件支持等特点，而且能够突破现场总线通信距离和速率的限制。建立计算机控制中心，通过工业以太网实现控制中心与实训基地各类工控设备的通讯，实现集群化的软硬件通讯目标。

2.数据采集功能

在PC端交互控制软件中，数据采集功能是数字孪生系统中最基本的一项功能，需要通过设备厂商提供的应用编程接口开发设备驱动，从而实现PC与工控设备的连接和数据交互。由于可能会存在多台设备的数据采集情况，我们采用线程池来进行多任务并发处理。同时，考虑到将来要新增设备，我们将PC端设备采集模块进行插件化开发，提高了程序的可扩展性。

3.信号配置功能

PC端交互控制软件需要具有可视化界面，在界面上就能对物理信号及虚拟信号进行添加和更改，并通过INI配置文件保存和恢复配置信息。考虑到新增设备及设备类型的不同，我们将设备界面插件化开发，根据设备的不同功能需求单独设计界面，并提高程序的可扩展性。

4.虚实信号交互功能

PC端交互控制软件界面上信号配置完成后，需要将物理信号与虚拟信号进行交互。信号数据序列化后统一缓存于数据库中，物理设备和虚拟设备都从数据库中获取输入信号。这样既能保证信号交互的实时性，又能实现物理设备与虚拟设备读写信号的分离。

5.虚拟仿真功能

为了模拟现场的生产线环境，需要在仿真软件中搭建相应的虚拟工作站。我们通过Socket与外部应用程序建立连接，虚拟模型根据物理设备传输的信号来运行，一方面能够规避设备意外碰撞带来的损失和风险，另一方面能够清晰地看到设备运行的过程，验证程序的逻辑。

（二）依据实物建立虚拟3D模型及场景，建立数字化虚拟车间

基于人工智能物流平台、智能数控生产平台、光雕集成产线平台，建立虚拟3D设备模型和虚拟生产线，依据AGV、倍速链、机械臂、立体库、RFID通道、数控机床、光雕加工单元等设备的外形尺寸，等比例建立虚拟模型；通过加工区域的布局信息，建立数字化生产线和生产车间，实现了场景可视化、车间机床设备的生产过程虚拟化和数据可视化[9]。

（三）实现虚实设备间的仿真模拟和双向控制，布局集群化控制中心

一是将PLC、机器人控制器、数控系统等工控设备通过工业以太网进行集成通讯，使工控设备与PC机之间兼容性好、数据传输速度快，为虚拟调试的数据传输实时性提供了保证。

二是根据所开发的设备驱动，设计人性化的PC端交互控制软件，用于工控设备与虚拟设备的数据交互。交互控制系统采用插件框架，按照设备分类，每个设备应用程序以插件形式独立开发。每个设备插件中包括数据采集模块、交互界面模块以及数据缓存模块。其中交互界面用于观察设备数据和配置虚实交互信号，通过线程池实现多线程任务管理，使用数据库对虚实设备信号进行高速缓存。

三是通过三维建模技术搭建智能制造生产线场景，以数据库作为数据交互中心，结合ERP、MES、PLC、工业机器人控制器、数控系统功能，通过MES系统指令、PLC程序、机器人程序和代码协同控制虚实环境中的智能制造产线系统运行；同时利用数据库技术还可将连续的设备通讯过程进行动作分解，更加便于进行教学演示。

（四）基于生产设备和过程控制建立手持端教学平台

手持端教学平台系统设置仓储物流数字孪生虚拟仿真实验系统，利用三维建模技术，搭建光雕集成产线和智能制造产线的三维虚拟仿真平台，动态加载各个设备模型。模型按照1:1的比例和真实的布局创建。每一个组成部分和设备部件均根据真实的数据、机械原理、机构联动和仿真技术的要求，创建真实孪生生产状态和物流动态工作过程。

（五）搭建线上实训教学管理平台

以智能物流平台过程控制教学虚拟仿真实训系统为例，系统采用C/S架构，以虚拟仿真技术针对教学现场智能物流平台定制化开发，通过三维建模技术在虚拟环境中实现仓储车间、立体库、堆垛机、AGV小车、物料、电器柜、控制台设备1:1等比例建模，并按照实体设备的运行动作逻辑进行数字模型运行动作的仿真设计。按照智能物流平台设备的基本信息进行设备展示设计，参照智能物流平台运行控制逻辑进行虚拟仿真实训流程开发，分别对立体库、堆垛机、AGV小车进行过程控制逻辑编程，并结合传感器与执行器模组功能，通过虚拟设备控制面板，对虚拟智能物流平台进行生产过程控制实训，进而实现对智能物流平台的仿真实训目的[10]。

综上所述，虚拟仿真技术在职业教育中的应用，是遵循职业教育发展规律，推动职业教育与信息技术深度融合，能够整合资源、优化结构：通过育人环境的数字化，落实立德树人根本任务；通过教育教学的数字化，推进以学生为中心的“三教”改革；通过教育管理的数字化，提升管理服务水平与效率；通过专业的数字化升级与发展，培养支撑产业数字化的适应性人才。