CN105719211A - 基于虚拟现实的教学培训考核方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于虚拟现实的教学培训考核方法及系统，该教学培训考核方法包括输入输出步骤、数据控制步骤、逻辑运算步骤、事件响应步骤、建立虚拟场景步骤。本发明的有益效果是：本发明开发了一种在虚拟现实场景中对设备及运行环境的物理环境进行模拟并与虚拟场景外的数据和信号进行同步互动以完成教学培训考核的开发方法，营造“自主学习”的环境，主要用与中等职业、高等职业教学实训以及企业培训，通过可视化的编程操作交互界面，完成不同场景的教学学习，根据后台数据的记录完成智能考核，特别针对于工程现场教学，打破了空间、时间的限制，使实践训练内容及时更新，有利于提升学生技能训练的效果。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及基于虚拟现实的教学培训考核方法及系统。
背景技术
在传统教学培训领域中，控制对象作为检验教学效果的终极方法被广泛应用到整个教学过程，但随着社会科学技术的发展，实物控制对象越来越复杂、越来越庞大，成本越来越高，而作为引入教学必要手段，其越真实，达到的效果越好，而其体积、成本、综合应用环境匹配使其很难直接走进教室，并且还要适应教学人数规模的要求，人们开始寻求折中且经济的做法，建立模拟实训对象，使用文字标签和指示灯在图案上进行演示，其结构简单，经济适用，因其脱离实际，造成学习兴趣缺乏，严重影响教学效果，于是人们开始适用软件仿真技术，适用视频或flash，引入软件技术，在演示原理上取得了较好的效果，但其完全脱离实际，并且对实物进行效果美化，增加了学生学习兴趣，达到了一定的学习效果提升，但其完全脱离实际，无动手实际操作，仅停留在理论学习阶段，随着时间推移，作为教辅的工具慢慢的被边缘化。
现有实训对象主要是通过图片展板内嵌工作指示灯进行模拟指示，控制主机通过接线端子，使用封闭性安全连接线，将控制主机的控制信号传递给工作指示灯，以验证控制主机编程是否达到预期效果，模拟对象的工作状态通过手动或自动开关的闭合或打开，通过安全连接导线，反馈给控制主机，控制主机通过逻辑编程对反馈信号进行处理，完成整个闭环控制。
在这一过程中，控制对象的动作只能够通过指示灯来模拟风机旋转、水泵启动、水流指示灯，无法给学生直观的视觉效果，同时，其模拟指示灯动作后，需要人工将状态反馈到控制主机，在工作逻辑上与实际不符，造成学生理解混乱。更为重要的是无法给学生现实的工程应用效果，依然无法跨越教室到工程实际的应用的鸿沟，长期以往，造成学校与社会实践的脱节，使整个教学环节在低效率运行。
发明内容
本发明提供了一种基于虚拟现实的教学培训考核方法，包括如下步骤：
输入输出步骤：用于处理信号，并接收控制主机发出的信号，对输入输出信号进行自定义；
数据控制步骤：通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制；
逻辑运算步骤：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据；
事件响应步骤：响应逻辑运算步骤中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算步骤，最终传递到输入输出步骤给用户使用；
建立虚拟场景步骤：建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换；
设备模块通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
作为本发明的进一步改进，在所述输入输出步骤中，能够处理的信号包括电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量信号。
作为本发明的进一步改进，在所述逻辑运算步骤中，通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；在所述数据控制步骤中，通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新。
作为本发明的进一步改进，从虚拟场景到采集板的过程中，虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器保存的配置关系信息，到数据库进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
作为本发明的进一步改进，从采集板到虚拟场景的过程中，首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库，同时，监听器检测到数据库点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
本发明还提供了一种基于虚拟现实的教学培训考核系统，包括：
输入输出模块：用于处理信号，并接收控制主机发出的信号，对输入输出信号进行自定义；
数据控制模块：通过计算机通信技术，对输入输出模块中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制；
逻辑运算模块：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据；
事件响应模块：用于响应逻辑运算模块中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算模块，最终传递到输入输出模块给用户使用；
建立虚拟场景模块：用于建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换；
设备模块通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
作为本发明的进一步改进，在所述输入输出模块中，能够处理的信号包括电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量信号。
作为本发明的进一步改进，在所述逻辑运算模块中，通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；在所述数据控制模块中，通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新。
作为本发明的进一步改进，从虚拟场景到采集板的过程中，虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器保存的配置关系信息，到数据库进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
作为本发明的进一步改进，从采集板到虚拟场景的过程中，首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库，同时，监听器检测到数据库点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
本发明的有益效果是：本发明开发了一种在虚拟现实场景中对设备及运行环境的物理环境进行模拟并与虚拟场景外的数据和信号进行同步互动以完成教学培训考核的开发方法，营造“自主学习”的环境，主要用与中等职业、高等职业教学实训以及企业培训，通过可视化的编程操作交互界面，完成不同场景的教学学习，根据后台数据的记录完成智能考核，特别针对于工程现场教学，打破了空间、时间的限制，使实践训练内容及时更新，有利于提升学生技能训练的效果。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图；
图2是本发明的系统架构图；
图3是本发明的运行原理图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于虚拟现实的教学培训考核方法，包括如下步骤：
输入输出步骤：用于处理信号，并接收控制主机发出的信号，对输入输出信号进行自定义；
数据控制步骤：通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新；
逻辑运算步骤：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；
事件响应步骤：响应逻辑运算步骤中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算步骤，最终传递到输入输出步骤给用户使用；
建立虚拟场景步骤：建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换；
设备模块通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
在所述输入输出步骤中，能够处理的信号包括电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量信号。
从虚拟场景到采集板的过程中，虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器保存的配置关系信息，到数据库进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
从采集板到虚拟场景的过程中，首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库，同时，监听器检测到数据库点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
如图1所示，本发明还公开了一种基于虚拟现实的教学培训考核系统，包括：
输入输出模块：用于处理信号，可以处理电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量等信号，并接收控制主机发出的信号，通过软件对输入输出信号进行自定义，学员可以完成学习过程中重要的连接任务，增加动手操作能力，模块具有过压、短路等保护功能，为实训过程提供保护；
数据控制模块：通过计算机通信技术，对输入输出模块中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成虚拟场景对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新；
逻辑运算模块：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；
事件响应模块：用于响应逻辑运算模块中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算模块，最终传递到输入输出模块给用户使用；
建立虚拟场景模块：用于建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换，为学生提供一个生动、逼真的工程实际环境；
设备模块(3D设备模块)通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
如图2所示，本发明基于虚拟现实的教学培训考核系统分三层：
(1)Unity3D展示层，主要负责获取事件后的效果展示，可以通过移动终端、虚拟现实设备(显示器、头盔或眼镜)该层通过Unity3D原生socket.io和Http扩展能力与系统服务交换数据。
(2)NODEJS服务层，通过NODE.js将内核接口数据转换为socket.io或者Http协议映射，并负责与管理软件进行对接，其中Http协议是被动的，socket.io是主动的。
(3)Linux内核模块，通过扩展linux内核模块的方式，直接通过串口和网卡接口做linux驱动层映射，可以完全模拟真实设备原理，相当于把设备控制电路写在内核里面，比服务或者应用程序级别的仿真更稳定可靠。
如图3所示，虚拟现实技术及开发方法，前端展示使用Unity3D技术开发，服务层使用java语言开发，采集板底层驱动使用C语言开发。互动过程分为：从虚拟场景到采集板和从采集板到虚拟场景两种模式。
从虚拟场景到采集板：虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器(mysql)保存的配置关系信息，到数据库(redis)进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
从采集板到虚拟场景：首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库(redis)，同时，监听器(quartz)检测到数据库(redis)点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器(mysql)配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
随着技术进步和发展，3D虚拟现实技术的发展条件已经成熟，通过3D虚拟现实技术，运用计算机的采集分析及通信原理，将控制对象在3D场景中现实化处理，并通过通信送入输入输出接口，既完成原理验证，也提高学生的动手能力，同时，通过现场工程应用虚拟化，使学生能够身临其境的进行学习，教学培训的老师也能够将其难于表达的现场环境通过虚拟现实技术简洁明快的表达清楚，达到工学一体化的教学效果。
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，他利用计算机生成一种模拟环境是一种多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真使用沉浸到该环境中，虚拟现实技术是仿真技术的一个重要的方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口多媒体技术传感器技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术主要包括模拟环境，感知、自然技能和传感器设备等方面。
本发明开发了一种在虚拟现实场景中对设备及运行环境的物理环境进行模拟并与虚拟场景外的数据和信号进行同步互动以完成教学培训考核的开发方法，营造“自主学习”的环境，主要用与中等职业、高等职业教学实训以及企业培训，通过可视化的编程操作交互界面，完成不同场景的教学学习，根据后台数据的记录完成智能考核，特别针对于工程现场教学，打破了空间、时间的限制，使实践训练内容及时更新，有利于提升学生技能训练的效果。
虚拟现实技术在教学培训考核系统中应用了更加丰富和生动的互动属性，弥补了传统教学培训的诸多缺陷，无疑将对现有的教学思想和教学方式产生深远的影响。首先，弥补现有教育经费、教学条件的不足，在现实教学培训考核中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实技术，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，达到即节省资金、有提高教学质量的目的。经费只需一次投入，而实验内容的变更可以根据需要通过修改软件系统来实现。其次，避免真实实验或操作所带来的危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验室环境中，可以放心地去做各种危险的或者危害人体的实验。再次，突破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间限制，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，这是其他媒介所无法比拟的。虚拟现实技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，可以在很短的时间内呈现给学生观察。第四，可以虚拟人物形象，虚拟现实技术可以虚拟历时人物、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。第五，可以充分发挥学生的想象力和创造力，不同的学生在同一虚拟现实系统中会有不同的经历，也就是说同一个仿真系统可以根据每个学生不同的情况进行仿真。这就为探索式学习、交互式学习提供了广阔的前景。最后，具有高度的灵活性，因为虚拟现实系统仅需要通过修改软件中视景图像的有关参数设置，就可以模拟显示世界中物理参数的变化，这样，随着任务的变化，已有软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分方便、灵活。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实的教学培训考核方法，其特征在于，包括如下步骤：
输入输出步骤：用于处理信号，并接收控制主机发出的信号，对输入输出信号进行自定义；
数据控制步骤：通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制；
逻辑运算步骤：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据；
事件响应步骤：响应逻辑运算步骤中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算步骤，最终传递到输入输出步骤给用户使用；
建立虚拟场景步骤：建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换；
设备模块通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
2.根据权利要求1所述的教学培训考核方法，其特征在于，在所述输入输出步骤中，能够处理的信号包括电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量信号。
3.根据权利要求1所述的教学培训考核方法，其特征在于，在所述逻辑运算步骤中，通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；
在所述数据控制步骤中，通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新。
4.根据权利要求1所述的教学培训考核方法，其特征在于，从虚拟场景到采集板的过程中，虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器保存的配置关系信息，到数据库进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
5.根据权利要求1所述的教学培训考核方法，其特征在于，从采集板到虚拟场景的过程中，首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库，同时，监听器检测到数据库点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
6.一种基于虚拟现实的教学培训考核系统，其特征在于，包括：
输入输出模块：用于处理信号，并接收控制主机发出的信号，对输入输出信号进行自定义；
数据控制模块：通过计算机通信技术，对输入输出模块中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制；
逻辑运算模块：通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据；
事件响应模块：用于响应逻辑运算模块中的运算结果，将事件与虚拟场景中的设备模块进行关联，完成数字量、开关量的变化显示，并响应虚拟场景中的输入事件，传递到逻辑运算模块，最终传递到输入输出模块给用户使用；
建立虚拟场景模块：用于建立虚拟场景，根据不同的应用和教学实际需要，进行虚拟场景变换；
设备模块通过软件界面的操作选择，加载到虚拟场景中，根据事件的变化，完成人机交互。
7.根据权利要求6所述的教学培训考核系统，其特征在于，在所述输入输出模块中，能够处理的信号包括电流、电压、总线检测、脉冲、数字量、模拟量信号。
8.根据权利要求6所述的教学培训考核系统，其特征在于，在所述逻辑运算模块中，通过对比数据库的点位数据变化分析，根据导入的虚拟场景及设备模块的物理属性的变化进行逻辑运算，并将运算的数据通知数据库进行更新数据，并将结果通知到时间模块；
在所述数据控制模块中，通过计算机通信技术，对输入输出步骤中的采集信息在数据库中进行实时更新，完成对外界的同步控制，并根据网络对数据进行下载更新。
9.根据权利要求6所述的教学培训考核系统，其特征在于，从虚拟场景到采集板的过程中，虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时发送自定义报文，由后台服务层前置转发到虚实映射模块，获取当前配置的点位状态信息，虚实映射模块收到请求后，根据数据库服务器保存的配置关系信息，到数据库进行轮询查找物理点位实时信息并汇总数据，转换成自定义报文原路返回虚拟场景，虚拟场景再根据具体报文逻辑做出响应。
10.根据权利要求6所述的教学培训考核系统，其特征在于，从采集板到虚拟场景的过程中，首先虚拟场景通过TCP/IP协议与后台服务层前置建立连接通讯关系，同时开始监听前置报文，采集板驱动程序监听采集板端子高低电频变化，一检测电频发生变化，采集板驱动程序将变化的数值和对应的点位写入数据库，同时，监听器检测到数据库点位值发生变化，将变化的值收集后传送到虚实映射模块，虚实映射模块通过数据库服务器配置关系转化为虚拟场景的报文，转给后台服务层前置，再由后台服务层前置分发给对应的虚拟场景。
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