天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 李征

考慮到復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的可操作性和安全性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高、數(shù)量少，且異常工況和緊急操作在實(shí)驗(yàn)室中難于復(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)和實(shí)訓(xùn)要求，依托學(xué)院控制工程市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，基于實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程多年教學(xué)成果，運(yùn)用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等技術(shù)，開發(fā)了智能化工業(yè)控制技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生應(yīng)用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)也可以利用虛擬仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可運(yùn)用虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制方案及設(shè)置參數(shù)，綜合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性及科學(xué)性，將虛擬仿真與實(shí)際系統(tǒng)充分結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。最終，提高學(xué)生安全操作、創(chuàng)新創(chuàng)意以及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

人工智能[1]的發(fā)展歷史是和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史聯(lián)系在一起的。除了計(jì)算機(jī)科學(xué)以外，人工智能還涉及信息論、控制論、自動(dòng)化、仿生學(xué)及數(shù)理邏輯等多門學(xué)科。人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括：知識(shí)表示、自動(dòng)推理和搜索方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)獲取、知識(shí)處理系統(tǒng)、自然語(yǔ)言理解、計(jì)算機(jī)視覺、智能機(jī)器人和自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。人工智能的實(shí)際應(yīng)用包括機(jī)器視覺[2]、人臉識(shí)別、專家系統(tǒng)、自動(dòng)規(guī)劃、智能搜索、智能控制、機(jī)器人學(xué)、語(yǔ)言和圖像處理等。隨著“智能制造2025”的推進(jìn)，我國(guó)制造業(yè)水平不斷提升，以智能化控制技術(shù)應(yīng)用[3]為核心的生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，系統(tǒng)功能和復(fù)雜性不斷提升。在高校，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才的需求，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的智能化程度需要提高，融合人工智能[4]的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和實(shí)踐教學(xué)體系亟需引入到實(shí)踐課程的教學(xué)中來(lái)。

教育部印發(fā)《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號(hào)），為學(xué)習(xí)貫徹黨的十九大精神，適應(yīng)信息化背景下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，經(jīng)研究，決定開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。2018年教育部認(rèn)定了首批國(guó)家虛擬仿真[5-6]實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目來(lái)自全國(guó)多所高校，分布各個(gè)省份，對(duì)提升全國(guó)高校教學(xué)水平發(fā)揮一定作用，讓“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”和“虛擬做真實(shí)驗(yàn)[7]”成為現(xiàn)實(shí)。

1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與目的

實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)是在理解實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基本通信知識(shí)的基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的典型控制對(duì)象，對(duì)流量、液位、壓力、溫度加以控制[8]，重點(diǎn)在于控制邏輯的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，核心控制器采用西門子S7-300 PLC，借助PLC的組態(tài)和編程實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信與控制，控制器與服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī)相連，組態(tài)軟件WinCC指揮整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、記錄、存儲(chǔ)及報(bào)警。

實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是以工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化過(guò)程生產(chǎn)線為原型開發(fā)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)綜合教學(xué)平臺(tái)，系統(tǒng)采用法蘭結(jié)構(gòu)連接各子系統(tǒng)管路設(shè)備，選用多種控制儀表對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，儀表的通信方式涵蓋了工業(yè)以太網(wǎng)、有線HART和無(wú)線HART等，系統(tǒng)控制過(guò)程涵蓋基本控制方法，同時(shí)應(yīng)用了組態(tài)控制、工業(yè)總線、計(jì)算機(jī)視覺和實(shí)時(shí)監(jiān)控。整套實(shí)訓(xùn)設(shè)備充分還原了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)線中的典型部分，將工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在實(shí)訓(xùn)室中復(fù)現(xiàn)，旨在讓學(xué)生了解真實(shí)的生產(chǎn)工藝及控制過(guò)程，為培養(yǎng)現(xiàn)代化應(yīng)用型人才搭建了完整、靈活、模塊化、易擴(kuò)展的理想工業(yè)場(chǎng)景。

2 建設(shè)背景

復(fù)雜設(shè)備成本高、規(guī)模大、臺(tái)套數(shù)少，實(shí)訓(xùn)中無(wú)法做到一人一機(jī)或一組一機(jī)，因此教學(xué)過(guò)程中往往十?dāng)?shù)人乃至數(shù)十人“圍觀”實(shí)訓(xùn)設(shè)備，甚至課程結(jié)束時(shí)仍有一定數(shù)量的學(xué)生未曾“觸碰”過(guò)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生從“實(shí)訓(xùn)的探索者”變?yōu)榱恕皵?shù)據(jù)的記錄者”，實(shí)訓(xùn)效果大打折扣。

復(fù)雜系統(tǒng)的操作、控制邏輯設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)試具有極高的專業(yè)性，連鎖保護(hù)回路考慮不周、參數(shù)設(shè)置不合理、誤操作等都有可能損壞設(shè)備，甚至造成事故。因此涉及設(shè)備操作的實(shí)踐都有嚴(yán)格的操作規(guī)程，并且不允許隨意調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)生成為機(jī)械化的“操作指令的執(zhí)行者”與“記錄結(jié)果的旁觀者”，既沒(méi)有真正參與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試過(guò)程，更難以通過(guò)實(shí)訓(xùn)將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能。

工業(yè)生產(chǎn)緊急情況的處理能力對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要，但通常在實(shí)驗(yàn)室不允許設(shè)備工作在此種極端工況下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法為學(xué)生提供應(yīng)急訓(xùn)練場(chǎng)合。

3 平臺(tái)開發(fā)

針對(duì)實(shí)訓(xùn)課程的特點(diǎn)和實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的特性，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)拓展實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)校和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了智能化工業(yè)控制技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)建立智能化工業(yè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，利用VR虛擬仿真技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)景再現(xiàn)與控制，可查看設(shè)備的3D爆炸視圖、虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、系統(tǒng)配置和仿真運(yùn)行，如圖1所示。

智能化工業(yè)控制技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)致力于解決實(shí)際設(shè)備臺(tái)套數(shù)少、特殊工況無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，為學(xué)生實(shí)景再現(xiàn)水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程，為學(xué)生提供控制回路參數(shù)整定操作模塊，并通過(guò)設(shè)備的拆解和組裝、異常工況應(yīng)急處理、以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的滅火操作指引等模塊提升學(xué)生的設(shè)備檢修維護(hù)能力及安全操作意識(shí)，為學(xué)生提供一個(gè)理論結(jié)合實(shí)際、開放的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

4 系統(tǒng)用戶端及功能

智能化工業(yè)控制技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供VR端和Web端兩個(gè)系統(tǒng)。在VR端，學(xué)生佩戴頭盔、操作手柄控制設(shè)備運(yùn)行。在Web端，學(xué)生可通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。水循環(huán)工藝系統(tǒng)的操作流程有著一定的規(guī)范，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可幫助操作者熟悉、掌握操作流程，在虛擬場(chǎng)景中操作者按下手柄按鍵發(fā)出射線，點(diǎn)擊操作按鈕，當(dāng)操作者完成正確的操作后，方可進(jìn)行后續(xù)內(nèi)容，根據(jù)操作提示進(jìn)入到下一步，以此類推，完成整個(gè)實(shí)訓(xùn)。如果操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)有提示，操作者可返回并重新操作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是可以反復(fù)操作，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化訓(xùn)練，掌握實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的目的。虛擬仿真與實(shí)際實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)虛實(shí)互補(bǔ)，提供了安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)訓(xùn)模式，解決設(shè)備昂貴和臺(tái)套數(shù)受限的問(wèn)題，提升學(xué)生獨(dú)立操作能力。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具Unity3D[9]開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該工具支持多腳本語(yǔ)言，擁有強(qiáng)大的物理引擎?；谔摂M現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具Unity3D，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)象的動(dòng)態(tài)交互行為，按一定的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程邏輯合理并且可控。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生模擬主要工藝環(huán)節(jié)的操作與控制，對(duì)不同制備工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行沉浸式交互實(shí)驗(yàn)，而后通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作運(yùn)行實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互補(bǔ)，豐富和深化實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括安全培訓(xùn)、事故處理、虛擬系統(tǒng)等模塊。在登陸界面輸入用戶名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)，用戶可通過(guò)射線點(diǎn)擊相應(yīng)模塊，進(jìn)入場(chǎng)景進(jìn)行操作，如圖2所示。在安全培訓(xùn)模塊中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊安全培訓(xùn)模塊進(jìn)入系統(tǒng)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊簡(jiǎn)介出現(xiàn)關(guān)于滅火器的詳細(xì)介紹，內(nèi)置三種類型滅火器可查看簡(jiǎn)介及使用方法。在事故處理模塊中，射線點(diǎn)擊事故處理模塊進(jìn)入系統(tǒng)，查看起火點(diǎn)，尋找滅火器，根據(jù)提示進(jìn)行滅火。在虛擬系統(tǒng)模塊中，打開主電源開關(guān)，依次打開水泵電源，調(diào)整閥門開度，通過(guò)OPC接通數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行系統(tǒng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作Fig.2 Experiment operation

5 特色與創(chuàng)新

融合人工智能和虛擬仿真的實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革的特色和亮點(diǎn)是：(1)既有“實(shí)”，又有“虛”，實(shí)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，虛是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既可以連接真實(shí)設(shè)備也可以連接實(shí)驗(yàn)原有仿真系統(tǒng)。(2)既可“線上”，又可“線下”，創(chuàng)建Web端虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生亦可到實(shí)驗(yàn)室做真實(shí)驗(yàn)，也可以“虛擬做真實(shí)驗(yàn)”。最終的目的是將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互補(bǔ)充。(3)融合了人工智能、虛擬仿真、計(jì)算機(jī)視覺、人機(jī)交互等技術(shù)，開發(fā)了先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，真正應(yīng)用到了現(xiàn)代化實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。

6 結(jié)論

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠針對(duì)工業(yè)中典型控制對(duì)象，借助PLC組態(tài)和WinCC HMI設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化過(guò)程控制，學(xué)生掌握基于實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、組態(tài)、調(diào)試方法，深化對(duì)實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理解與應(yīng)用，并能夠進(jìn)一步掌握復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試。合理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、參數(shù)調(diào)試任務(wù)，通過(guò)知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和科學(xué)思維。該課程具備一定的創(chuàng)新性，該實(shí)訓(xùn)教學(xué)能夠支撐自動(dòng)化類專業(yè)人才培養(yǎng)方案，進(jìn)一步培養(yǎng)更寬領(lǐng)域的工程技術(shù)人才，學(xué)生較好地掌握運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)過(guò)程控制、自動(dòng)化儀表等方面的知識(shí)，較好掌握本專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和技能，了解學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢(shì)，提升工程實(shí)踐能力。本虛擬仿真系統(tǒng)可面向高校和社會(huì)進(jìn)行推廣應(yīng)用。