CN115206152B - 一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真与模拟教学系统及方法，属于压缩机教学系统领域。本发明对压缩机零部件搭建适应拆装教学的压缩机的图数据结构，规划合理且灵活的拆装序列，提升学习者对压缩机零部件复杂结构、复杂拆装顺序的拆装过程的体验感；本发明还提供不同工作参数条件下，压缩机性能和工作过程模拟，同时将工作过程和状态可视化；此外，本发明在压缩机虚拟环境下，将压缩机零部件拆装、压缩机工作过程可视化模拟、分阶段分类教学功能模式、远程协同实验等功能适应集成到压缩机仿真模拟教学系统，实现多功能高度集成低成本的压缩机仿真模拟教学。本发明还具有提高实验教学效率、减少冗余劳动、节约实验教学费用等优点。

Description

一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统及方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机教学系统及方法，具体涉及一种基于虚拟现实技术的压缩机模拟教学系统及方法，属于压缩机教学系统领域。

背景技术

近年来，在全球顶尖高校中，掀起了一股“虚拟仿真实验室”的风潮，即通过信息化手段结合学科特色，打造富有科技感的虚拟仿真实验，丰富了教学模式，大大推进了教学资源共享化和教育信息数字化。比如斯坦福大学、加州大学伯克利分校等一众顶尖院校都已布局虚拟仿真实验室教学，并逐步推广。

压缩机作为通用机械，在化工、能源、制冷工业和交通运输等领域中，具有广泛的应用，因此成为工科院校机械和化工相关专业的基础课必学知识之一。由于压缩机占用实验室空间较大，采购、维护需要花费较多的资金，大多院校通过实习阶段让学习者在工厂了解一下压缩机，即使在实验室配备压缩机用于实践教学，由于受到设备数量的限制，也不可能使学习者深入学习和掌握机械内部复杂结构和工作原理，而且效率低，成本高。另外，机械课程多年传统的讲授方法，是将机械内部结构通过书本上的图片及课堂中的多媒体展示等形式获得，学习者们容易产生视觉、听觉及情绪上的疲劳,导致学习效果不佳，不利于培养学习者的兴趣和创新能力。和略显枯燥的课堂教学相比，市面上风靡的各种游戏却可以使学习者玩起来不知疲倦，沉迷其中。游戏的本质就是让玩家进入到特定场景，参与其过程。根据研究数据显示,人们对亲身经历或者模拟的内容可以记住90％。将虚拟现实技术应用到具有复杂结构的压缩机教学与培训，为学习者学习提供直观且有效的方式，使学习者参与其中，可以激发学习者的学习兴趣和培养创新意识。因此，研究压缩机虚拟与仿真教学系统，通过虚拟环境，直观展示压缩机的结构部件、装配过程和不同条件下的工作状态，使学习者掌握压缩机结构功能，学会性能分析和故障诊断，提出对压缩机优化和创新的思路，并利用练习和考试等模式的设计实现知识的学习、掌握与评价，为培养具有学习能力、实践能力和创新能力的人才提供基础。

当前市场上的压缩机仿真软件只能对零部件进行自动拆装展示其结构，缺乏对压缩机拆装过程合理顺序安排的自主拆装练习、不同参数条件下压缩机工作过程中的模拟以及可视化分析、以及学习者对于压缩机学习程度测试和评价的软件。本发明在在压缩机虚拟环境下拆装、工作过程模拟和可视化、以及分阶段分类的学习模式集成设置方面有鲜明的特色，为其他设备和机械的虚拟与仿真教学系统的开发提供建设思路和技术基础，有着广泛的需求和现实的教育意义。

发明内容

为解决现有仿真系统只有零部件简单拆装功能，不能模拟压缩机工作状态和压缩机性能，也不能对学习者的学习程度进行考核，不能满足学习者对压缩机系统深入学习的问题。本发明主要目的在于提供一种基于虚拟技术的压缩机仿真与模拟教学系统及方法，根据压缩机结构复杂、拆装顺序复杂的特性，对压缩机零部件搭建适应拆装教学的压缩机的图数据结构，规划合理且灵活的拆装序列，提升学习者对压缩机零部件复杂结构、复杂拆装顺序的拆装过程的体验感；本发明还提供不同工作参数条件下，压缩机性能和工作过程模拟，同时将工作过程和状态可视化；此外，本发明还首次在压缩机虚拟环境下，将压缩机零部件拆装、压缩机工作过程可视化模拟、分阶段分类教学功能模式、远程协同实验等功能适应集成到压缩机仿真模拟教学系统，实现多功能高度集成低成本的压缩机仿真模拟教学，不仅能够培训学习者增加对压缩机结构和工作原理的认识、理解和创新意识的培养，还能够考察学习者对压缩机拆装过程的学习和掌握程度。本发明还具有提高压缩机实验教学效率、减少冗余机械劳动、节约压缩机实验教学费用等优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，包括压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块和数据传输模块。

所述压缩机零部件拆装模块主要用于实现如下功能：根据压缩机结构复杂、拆装顺序复杂的特性，压缩机零部件拆装模块用于规划合理且灵活的拆装序列，拆装序列有很多种组合，根据确认拆装零部件的不同，能够产生众多的拆装序列，拆装序列符合压缩机拆装工艺的要求即为合理。在压缩机虚拟环境下，通过规划合理且灵活的拆装序列，学习者在本压缩机零部件拆装模块开展压缩机的虚拟拆装操作，当拆装顺序错误时，压缩机零部件拆装模块通过拆装顺序错误提示矫正学习者的操作，能够引导学习者向正确的拆装操作进步，因为操作序列的灵活性，学习者有更大的自主操作和思考的空间。在选择子拆装时，会对选择的部件进行虚拟拆装。子拆装能够单独对单个部件进行拆装和结构展示，本压缩机零部件拆装模块通过摄像机的靠近与疏远，能够放大零件细节，有利于观察。当鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装，若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则系统提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为。灵活的拆装序列的规划是通过搭建合理的图数据结构，将零部件映射到该压缩机的图节点上，利用图的搜索算法查找待拆装零部件图节点，根据该图节点是否有指向子节点(子节点非空)的指针判断能否拆卸；根据该图节点装配标记和是否有双亲指针判断能否装配，实现压缩机模型上所有的零部件拆装功能，使学习者掌握压缩机的结构、拆卸和装配过程。子拆装的实现是通过Java多态技术实现的，将压缩机的部件与各压缩机均继承自压缩机基类，每个具备子拆装功能的压缩机部件携带有一个独立的图数据结构。

所述压缩机工作过程模拟及可视化分析模块主要用于实现如下功能。在压缩机虚拟环境下，学习者通过选择进入压缩机工作模拟界面，展现压缩机的三维模型，下部设有压缩机控制按钮，包含压缩机启动、停止、设置、下调节、上调节、右调节、电源、提示、重做、透明等按钮。右侧设有参数显示屏幕，用于帮助调节和显示压缩机工作参数信息。学习者采用控制变量法，通过鼠标点击压缩机控制按钮，分别改变进气温度、排气压强、转速等参数，可以探究对排气温度、排气量、轴功率等性能的影响，实现压缩机工作过程及零部件运动过程模拟，并能够深入分析不同参数对压缩机性能影响，有利于学习者的创新设计。压缩机工作过程模拟及可视化分析的实现原理是通过热力计算公式计算不同状态下的压缩机工作参数，通过二维界面展示压缩机工作参数，通过压缩机三维模型的空间坐标变化(包含转动、摆动与位移)对压缩机的运动过程进行仿真，通过粒子特效的颜色及空间坐标变化模拟气体的温度及运动状态，以上技术能够实现不同工作参数条件下，相互协同的压缩机二维热力参数展示、逼真的压缩机零部件三维运动、压缩气体运动状态。

本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，还包括分阶段分类教学功能模式集成模块和客户端。

所述分阶段分类教学功能模式集成模块主要用于实现如下功能：分阶段教学功能是指在上述压缩机结构和工作过程学习过程中，设计不同阶段的学习模式、练习模式和考试模式，有针对性的分阶段分类教学，进一步改善教学效果。所述分阶段分类教学功能模式集成模块包括学生培训子模块、学生管理子模块。

学习模式下，压缩机在虚拟环境中进行自动的拆卸、装配和工作模拟的演示，演示过程中可以转动摄像机，从不同视角观察压缩机。演示过程中，能够随时控制暂停与继续。练习模式下，学习者通过鼠标点击操作，自由练习拆装过程，进一步熟悉压缩机的拆装工艺和压缩机工作操作，以及通过子拆装熟悉各个零部件的结构和功能，通过子工作模拟熟悉压缩机吸气、压缩、排气过程的机械零部件的运动规律。考试模式下，学习者通过对零部件拆装和工作过程模拟的操作，数据传输模块将本次操作(拆卸或装配或工作模拟)的考试成绩上传到服务器数据库中。教师通过浏览器访问学习者管理系统，了解学习者的综合得分、拆卸得分、装配得分、工作模拟得分，能够分别根据综合得分、拆卸得分、装配得分、工作模拟得分进行区间查询及降序排列，掌握所有学习者的压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块的学习情况。分类教学功能是指压缩机零部件拆装模块、压缩机工作模拟工作过程模拟及可视化分析模块分为学习者和管理者两类模式。学习者登录压缩机桌面客户端，开展压缩机培训。教师能够在压缩机教学系统网站进入学习者管理模块，注册教师号(教师账号)并登录，添加、修改或删除学习者账号。学习者管理子模块采用JavaWeb的典型三层架构搭建，包含表现层、业务层、持久化层，其中表现层包含视图、控制器及数据模型。教师通过浏览器访问学习者管理模块时，与表现层的视图程序人机交互，通过控制器将请求传递到数据传输模块，云服务器内学习者服务端程序监听到数据请求，建立起网络连接，经过业务层及持久化层程序的处理，通过数据传输模块将成绩上传到服务器的数据库中。

作为优选，为了进一步有针对性的提升压缩机仿真模拟教学效果和体验感，在所述压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块考试模式中，构建图数据结构或节点结合压缩机重点装配、教学关注点、实验分析关键参数，分层次设置分数，将主要做功元件和主要性能参数分析设置较高分数，将其他一般教学知识点的测试分数设置为相对较低分数。

作为优选，在所述压缩机零部件拆装模块中，增加子拆卸、子装配功能，更加方便观察部件中的零件细节，学习部件的拆装。

作为优选，本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，还包括远程协同模块。

本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统的工作方法：

步骤一：学习者下载并安装客户端，登录并打开学习模式，学习压缩机零部件拆装和工作过程模拟。通过压缩机学习系统零部件拆装过程和工作过程的自动演示，以及学习者随时控制其进程，进行零部件拆装和压缩机工作过程学习。

步骤二：学习者在练习模式下和考试模式下学习和测试压缩机零部件拆卸装配，鼠标点击零部件一次，则为点选该零部件。鼠标连续两次点选同一零部件，为确定拆或装该零部件。学习者在练习压缩机工作过程模拟时，能够在可视化界面输入或调整压缩机不同工作参数，模拟压缩机过程和预测压缩机性能。

步骤三：压缩机零部件拆装模块根据学习者点选指令，鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装，若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则系统提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为。

步骤四：压缩机工作过程模拟及可视化分析模块根据学习者输入的工作参数，计算该系列工作参数条件下压缩机的性能，判断压缩机做功元件的工作状态，将其数值模拟和可视化分析，通过界面展示压缩机不同工作参数，压缩机零部件模型的空间坐标变化，以及粒子特效，实现不同工作参数条件下，压缩机的工作状态和做功零部件运动仿真。

步骤五：数据传输模块将云服务器内学习者服务端程序监听到数据请求，建立起网络连接，经过业务层及持久化层程序的处理，成绩上传到服务器的数据库中。教师登录管理模块，登录并实时指导学习者的操作和评价学习者的学习程度。

有益效果：

1、本发明基于虚拟技术的压缩机仿真与模拟教学系统及方法，根据压缩机结构复杂、拆装顺序复杂的特性，压缩机零部件拆装模块规划了合理且灵活的拆装序列，拆装序列有很多种组合，根据确认拆装零部件的不同，可以产生众多的拆装序列，拆装序列符合压缩机拆装工艺的要求即为合理。在压缩机虚拟环境下，通过规划合理且灵活的拆装序列，学习者在本系统开展压缩机的虚拟拆装操作，当拆装顺序错误时，系统通过拆装顺序错误提示矫正学习者的操作，可以引导学习者向正确的拆装操作进步，因为操作序列的灵活性，学习者有更大的自主操作和思考的空间。

2、本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机工作过程模拟及可视化分析方法。允许学生通过控制变量法改变进气温度、排气压强、转速等参数，压缩机工作过程模拟及可视化分析模块根据输入的参数，模拟不同参数下压缩机的不同性能和工作状态，并在可视化界面上形象展示压缩机三维零部件的运动仿真和压缩机内气体的状态，加深学生对压缩机工作过程的理解，学会分析工作参数对压缩机性能的影响，有利于压缩机教学过程中的直观感受。

3、本发明公开的一种分阶段分类教学功能模式集成模块主要用于实现如下功能：在压缩机拆装、结构和工作过程学习过程中，设计不同阶段的学习模式、练习模式和考试模式。学习模式下观看演示；练习模式下可以自主进行压缩机拆装练习和工作过程模拟；考试模式下，学生进行压缩机零部件拆装和工作过程模拟测试，根据学习难度和知识点重要性给出不同的评价分数，数据传输模块可以将学生测试得分上传到服务器数据库。学生通过客户端登录学生培训子模块进行压缩机的拆装和工作过程原理的学习，教师通过浏览器访问学生管理子模块，通过学号添加学生账号，查看和管理学生信息。根据压缩机的学习难度划分为不同阶段的分类教学模式，可以循序渐进的引导学习者学习压缩机的拆装、结构和工作原理。

4、与现有技术相比，本技术可以通过对压缩机拆装过程规划合理且灵活的拆装序列，并实现拆装序列的很多种组合，使学习者学习压缩机拆装过程时，有更多自主操作和思考的空间。本技术可以让学习者调整压缩机各种工作参数，通过人机交互，将不同工作参数条件下压缩机的工作状态动态可视化，并能够分析不同参数对压缩机性能的影响规律，培养学习者的创新设计意识。本技术可通过将学习模式、培训模式、考试模式和在线学习者管理系统集成模块，使学习者不仅能在虚拟环境下学习和参与其中练习压缩机装配过程，而且能够模拟和分析压缩机的工作过程。与同类技术对比，本发明可以全面帮助学习者增加对压缩机结构和工作原理的认识、理解和培养创新意识，在科研院所和大专院校学习压缩机方面更具有实用价值。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统流程框图；

图2为压缩机教学虚拟拆卸算法流程框图；

图3为拆卸序列规划算法的图数据结构变化示意图，图3(a)(b)(c)分别为不同的图数据结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以便使技术内容更加清楚和便于理解。所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本实例公开的一种基于虚拟现实技术的压缩机仿真模拟教学系统，包括压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块、分阶段分类教学功能模式集成模块、数据传输模块、远程协同模块和客户端。本实施例首次在压缩机虚拟环境下，将压缩机零部件拆装、压缩机工作过程可视化模拟、分阶段分类教学功能模式、远程协同实验等功能适应集成到压缩机仿真模拟教学系统，实现多功能高度集成低成本的压缩机仿真模拟教学，不仅能够培训学习者增加对压缩机结构和工作原理的认识、理解和创新意识的培养，还能够考察学习者对压缩机拆装过程的学习和掌握程度。

所述压缩机零部件拆装模块主要用于实现如下功能：根据压缩机结构复杂、拆装顺序复杂的特性，压缩机零部件拆装模块用于规划合理且灵活的拆装序列，拆装序列有很多种组合，根据确认拆装零部件的不同，能够产生众多的拆装序列，拆装序列符合压缩机拆装工艺的要求即为合理。在压缩机虚拟环境下，通过规划合理且灵活的拆装序列，学习者在本压缩机零部件拆装模块开展压缩机的虚拟拆装操作，当拆装顺序错误时，压缩机零部件拆装模块通过拆装顺序错误提示矫正学习者的操作，能够引导学习者向正确的拆装操作进步，因为操作序列的灵活性，学习者有更大的自主操作和思考的空间。在选择子拆装时，会对选择的部件进行虚拟拆装。子拆装能够单独对单个部件进行拆装和结构展示，本压缩机零部件拆装模块通过摄像机的靠近与疏远，能够放大零件细节，有利于观察。当鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装，若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则系统提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为。灵活的拆装序列的规划是通过搭建合理的图数据结构，将零部件映射到该压缩机的图节点上，利用图的搜索算法查找待拆装零部件图节点，根据该图节点是否有指向子节点(子节点非空)的指针判断能否拆卸；根据该图节点装配标记和是否有双亲指针判断能否装配，实现压缩机模型上所有的零部件拆装功能，使学习者掌握压缩机的结构、拆卸和装配过程。子拆装的实现是通过Java多态技术实现的，将压缩机的部件与各压缩机均继承自压缩机基类，每个具备子拆装功能的压缩机部件携带有一个独立的图数据结构。为了进一步有针对性的提升压缩机仿真模拟教学效果和体验感，在所述压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块考试模式中，构建图数据结构或节点结合压缩机重点装配、教学关注点、实验分析关键参数，分层次设置分数，将主要做功元件和主要性能参数分析设置较高分数，将其他一般教学知识点的测试分数设置为相对较低分数。在所述压缩机零部件拆装模块中，增加子拆卸、子装配功能，更加方便观察部件中的零件细节，学习部件的拆装。

所述压缩机工作过程模拟及可视化分析模块主要用于实现如下功能。在压缩机虚拟环境下，学习者通过选择进入压缩机工作模拟界面，展现压缩机的三维模型，下部设有压缩机控制按钮，包含压缩机启动、停止、设置、下调节、上调节、右调节、电源、提示、重做、透明等按钮。右侧设有参数显示屏幕，用于帮助调节和显示压缩机工作参数信息。学习者采用控制变量法，通过鼠标点击压缩机控制按钮，分别改变进气温度、排气压强、转速等参数，可以探究对排气温度、排气量、轴功率等性能的影响，实现压缩机工作过程及零部件运动过程模拟，并能够深入分析不同参数对压缩机性能影响，有利于学习者的创新设计。压缩机工作过程模拟及可视化分析的实现原理是通过热力计算公式计算不同状态下的压缩机工作参数，通过二维界面展示压缩机工作参数，通过压缩机三维模型的空间坐标变化(包含转动、摆动与位移)对压缩机的运动过程进行仿真，通过粒子特效的颜色及空间坐标变化模拟气体的温度及运动状态，以上技术能够实现不同工作参数条件下，相互协同的压缩机二维热力参数展示、逼真的压缩机零部件三维运动、压缩气体运动状态。

所述分阶段分类教学功能模式集成模块主要用于实现如下功能：分阶段教学功能是指在上述压缩机结构和工作过程学习过程中，设计不同阶段的学习模式、练习模式和考试模式，有针对性的分阶段分类教学，进一步改善教学效果。所述分阶段分类教学功能模式集成模块包括学生培训子模块、学生管理子模块。

学习模式下，压缩机在虚拟环境中进行自动的拆卸、装配和工作模拟的演示，演示过程中可以转动摄像机，从不同视角观察压缩机。演示过程中，能够随时控制暂停与继续。练习模式下，学习者通过鼠标点击操作，自由练习拆装过程，进一步熟悉压缩机的拆装工艺和压缩机工作操作，以及通过子拆装熟悉各个零部件的结构和功能，通过子工作模拟熟悉压缩机吸气、压缩、排气过程的机械零部件的运动规律。考试模式下，学习者通过对零部件拆装和工作过程模拟的操作，数据传输模块将本次操作(拆卸或装配或工作模拟)的考试成绩上传到服务器数据库中。教师通过浏览器访问学习者管理系统，了解学习者的综合得分、拆卸得分、装配得分、工作模拟得分，能够分别根据综合得分、拆卸得分、装配得分、工作模拟得分进行区间查询及降序排列，掌握所有学习者的压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块的学习情况。分类教学功能是指压缩机零部件拆装模块、压缩机工作模拟工作过程模拟及可视化分析模块分为学习者和管理者两类模式。学习者登录压缩机桌面客户端，开展压缩机培训。教师能够在压缩机教学系统网站进入学习者管理模块，注册教师号(教师账号)并登录，添加、修改或删除学习者账号。学习者管理子模块采用JavaWeb的典型三层架构搭建，包含表现层、业务层、持久化层，其中表现层包含视图、控制器及数据模型。教师通过浏览器访问学习者管理模块时，与表现层的视图程序人机交互，通过控制器将请求传递到数据传输模块，云服务器内学习者服务端程序监听到数据请求，建立起网络连接，经过业务层及持久化层程序的处理，通过数据传输模块将成绩上传到服务器的数据库中。

本实施例公开的一种基于虚拟现实技术的压缩机仿真模拟教学系统使用方法为：

步骤一：学习者下载并安装客户端，登录学生培训模块，选择要学习的压缩机类型，打开学习模式，学习压缩机零部件拆装和工作过程模拟。通过压缩机学习系统零部件拆装过程和工作过程的自动演示，以及学习者随时控制其进程，进行零部件拆装和压缩机工作过程学习。

步骤二：学习者在练习模式下和考试模式下学习和测试压缩机零部件拆卸装配，鼠标点击零部件一次，则为点选该零部件。鼠标连续两次点选同一零部件，为确定拆或装该零部件。学习者在练习压缩机工作过程模拟时，能够在可视化界面输入或调整压缩机工作参数，模拟压缩机过程和预测压缩机性能。考试模式下，学生的拆装测试，零部件复杂程度和重要程度得到不同分数。学生对不同参数下压缩机性能曲线的判断分析是否正确得到不同分数。

步骤三：压缩机零部件拆装模块根据学习者点选指令，如图2所示，鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装。其中一种拆装序列规划示例如图3所示，零部件映射到该图节点上，利用图的搜索算法查找待拆装零部件图节点，根据该图节点是否有指向子节点(子节点非空)的指针判断能否拆卸；根据该图节点装配标记和是否有双亲指针判断能否装配，实现压缩机模型上所有的零部件拆装功能零部件若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则系统提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为。

步骤四：压缩机工作过程模拟及可视化分析模块根据学习者输入的工作参数，计算该系列工作参数条件下压缩机的性能，判断压缩机做功元件的工作状态，将其数值模拟和可视化分析，通过界面展示压缩机不同工作参数，压缩机零部件模型的空间坐标变化，以及粒子特效，实现不同工作参数条件下，压缩机的工作状态和做功零部件运动仿真。

步骤五：数据传输模块将云服务器内学习者服务端程序监听到数据请求，建立起网络连接，经过业务层及持久化层程序的处理，成绩上传到服务器的数据库中。教师登录管理模块，登录并实时指导学习者的操作和评价学习者的学习程度。

实施例二：

本实施例公开的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统的工作方法为：

学习者通过学习模式，观看演示，进行学习，观看过程中可以转动和远近移动摄像头，达到切换视角，从不同方位观察压缩机的局部或整体。在学习模式下，学习者进入系统，不通过鼠标选择要拆装的零部件，系统自动确定下一步要拆装的零部件。在虚拟环境下系统自动演示压缩机的拆卸和装配过程。学习者通过练习模式进行手动练习。拆卸练习时，连续两次点击某零部件，该零部件确认拆卸，根据该零部件图节点是否为叶子节点确认其是否可拆卸。装配练习时，连续两次点击某零部件，该零部件确认装配，根据该零部件图节点是否无双亲指针且装配标记为0确认其是否可装配。如该零部件图节点无双亲指针且装配标记为0，则该零部件可装配，如该零部件图节点有双亲指针或装配标记为1，则该零部件不可装配。学习者通过考试模式测试压缩机学习情况。拆装考试时，通过鼠标点击选中零部件，连续两次点击同一零部件，则确认拆装，根据图数据结构及与练习模式相同的拆装序列规划规则判断是否可拆装，当可拆装时，重要零部件需要输入零部件名称进行模糊匹配，匹配错误会相应扣除一定分数。通过点击上传按钮，将当前操作的得分通过网络通信上传到服务器数据库中。教师通过浏览器登录学生管理模块能够查看到该学习者的得分情况。

学习者进行拆卸时，以图3(a)为例，图数据结构由树中子树节点相交发展得到，图节点I有D和E两个双亲节点。将压缩机除机体外的所有零部件全部作为所示数据结构的图节点，规划拆卸序列。根节点A为最后拆卸的零部件，叶子节点G、H、I、J、F为最先拆卸的图节点。拆卸序列判断的原则是：无子节点的零件图节点可以在当前步骤拆卸；有子节点的零部件图节点暂时不能拆卸；拆卸某个零件后，该零件图节点从其双亲节点上移除。不同的规划序列，就规划出不同的图数据结构，例如图3(b)、图3(c)所示。

虚拟装配与虚拟拆卸互为逆过程，拆装序列规划算法在设计与实现过程中区别在于装配序列规划算法的图数据结构为双向指针，每次装配到位一个零部件后，该零部件在图数据结构中的图节点的所有子节点指向该零部件图节点的指针全部指向空指针。如A已装配，则B指向A、C指向A的指针置为空；若E已装配，则I指向E、J指向E的指针置为空。通过零部件是否存在指向双亲节点的指针判断该零部件能否装配，即存在指向双亲节点的指针，则不能装配；不存在指向双亲节点的指针，则可以装配。

学习者进入活塞式压缩机的工作模拟与可视化分析模块，点击设置按钮，显示参数调节界面，可以调节阀门开度、进气温度、进气压强、排气压强、转速等工作参数，通过点击right键切换待调节的工作参数，通过up键、down键调节工作参数值的大小。点击透明按钮，可以看到压缩机内部运动，工作循环的不同阶段的气体被赋予不同的颜色，压缩和排气阶段，气体温度较高为红色，吸气阶段，气体温度较低为蓝色。活塞式压缩机为8组活塞连杆机构的曲柄连杆运动，将压缩机的内部运动通过三维零部件的运动展现，计算出的压缩机工作参数在界面右侧的虚拟显示屏中显示，整个工作模拟通过运动可视化与工作参数可视化及工作参数的调节达到压缩机变工况条件下的可视化分析的效果。通过工作模拟与可视化分析模块的学习，学习者可以加深对压缩机热力性能参数的变化规律的理解，并能够深入分析不同参数对压缩机性能影响。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员如果没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：包括压缩机零部件拆装模块、压缩机工作过程模拟及可视化分析模块和数据传输模块；

所述压缩机零部件拆装模块主要用于实现如下功能：根据压缩机结构复杂和拆装顺序复杂的特性，压缩机零部件拆装模块用于规划合理且灵活的拆装序列，拆装序列有很多种组合，根据确认拆装零部件的不同，能够产生众多的拆装序列，拆装序列符合压缩机拆装工艺的要求即为合理；在压缩机虚拟环境下，通过规划合理且灵活的拆装序列，学习者在本压缩机零部件拆装模块开展压缩机的虚拟拆装操作，当拆装顺序错误时，压缩机零部件拆装模块通过拆装顺序错误提示矫正学习者的操作，能够引导学习者向正确的拆装操作进步，因为操作序列的灵活性，学习者有更大的自主操作和思考的空间；在选择子拆装时，会对选择的部件进行虚拟拆装；子拆装能够单独对单个部件进行拆装和结构展示，本压缩机零部件拆装模块通过摄像机的靠近与疏远，能够放大零件细节，有利于观察；当鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装，若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则压缩机零部件拆装模块提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为；灵活的拆装序列的规划是通过搭建合理的图数据结构，将零部件映射到该压缩机的图节点上，利用图的搜索算法查找待拆装零部件图节点，根据该图节点是否有指向子节点的指针判断能否拆卸；根据该图节点装配标记和是否有双亲指针判断能否装配，实现压缩机模型上所有的零部件拆装功能，使学习者掌握压缩机的结构、拆卸和装配过程；子拆装将压缩机的部件与各压缩机均继承自压缩机基类，每个具备子拆装功能的压缩机部件携带有一个独立的图数据结构；

所述压缩机工作过程模拟及可视化分析模块主要用于实现如下功能；在压缩机虚拟环境下，学习者通过选择进入压缩机工作模拟界面，展现压缩机的三维模型，下部设有压缩机控制按钮，包含压缩机启动、停止、设置、下调节、上调节、右调节、电源、提示、重做和透明按钮；右侧设有参数显示屏幕，用于帮助调节和显示压缩机工作参数信息；学习者采用控制变量法，通过鼠标点击压缩机控制按钮，分别改变进气温度、排气压强和转速，能够探究对排气温度、排气量和轴功率的性能的影响，实现压缩机工作过程及零部件运动过程模拟，并能够深入分析不同参数对压缩机性能影响，有利于学习者的创新设计；压缩机工作过程模拟及可视化分析的实现原理是通过热力计算公式计算不同状态下的压缩机工作参数，通过二维界面展示压缩机工作参数，通过压缩机三维模型的空间坐标变化对压缩机的运动过程进行仿真，通过粒子特效的颜色及空间坐标变化模拟气体的温度及运动状态，以上技术能够实现不同工作参数条件下，相互协同的压缩机二维热力参数展示、逼真的压缩机零部件三维运动和压缩气体运动状态。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：还包括分阶段分类教学功能模式集成模块；

所述分阶段分类教学功能模式集成模块主要用于实现如下功能：分阶段教学功能是指在上述压缩机结构和工作过程学习过程中，设计不同阶段的学习模式、练习模式和考试模式；

学习模式下，压缩机在虚拟环境中进行自动的拆卸、装配和工作模拟的演示，演示过程中能够转动摄像机，从不同视角观察压缩机；演示过程中，能够随时控制暂停与继续；练习模式下，学习者通过鼠标点击操作，自由练习拆装过程，进一步熟悉压缩机的拆装工艺和压缩机工作操作，以及通过子拆装熟悉各个零部件的结构和功能，通过子工作模拟熟悉压缩机吸气、压缩、排气过程的机械零部件的运动规律；考试模式下，学习者通过对零部件拆装和工作过程模拟的操作，压缩机零部件拆装模块将本次操作的考试成绩上传到服务器数据库中；教师通过浏览器访问学习者管理系统，了解学习者的综合得分、拆卸得分、装配得分和工作模拟得分，能够分别根据综合得分、拆卸得分、装配得分和工作模拟得分进行区间查询及降序排列，掌握所有学习者的压缩机零部件拆装模块的学习情况；分类教学功能是指压缩机零部件拆装模块分为学习者和管理者两类模式；学习者登录压缩机桌面客户端，开展压缩机培训；教师能够在压缩机零部件拆装模块网站进入学习者管理模块，注册教师号并登录，添加、修改或删除学习者账号；学习者管理模块采用JavaWeb的典型三层架构搭建，包含表现层、业务层和持久化层，其中表现层包含视图、控制器及数据模型；教师通过浏览器访问学习者管理模块时，与表现层的视图程序人机交互，通过控制器将请求传递到数据模型，通过数据模型将请求传递到业务层，业务层程序根据请求的类型处理请求，业务层的数据处理需要持久化层提供服务，持久化层与数据库连接，向数据库读取或写入数据；学习者桌面客户端点击成绩上传后，通过数据传输模块将成绩上传到服务器的数据库中。

3.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：为了进一步有针对性的提升压缩机仿真模拟教学效果和体验感，在所述压缩机零部件拆装模块和工作模拟考试模式中，构建图数据结构或节点结合压缩机重点装配、教学关注点及实验分析关键参数，分层次设置分数，将主要做功元件和主要性能参数分析设置相对较高分数，将其他一般教学知识点的测试分数设置为相对较低分数。

4.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：在所述压缩机零部件拆装模块中，增加子拆卸和子装配功能，更加方便观察部件中的零件细节，学习部件的拆装。

5.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：还包括远程协同模块。

6.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟技术的压缩机仿真模拟教学系统，其特征在于：工作方法为，

步骤一：学习者下载并安装压缩机零部件拆装模块客户端，登录并打开学习模式，学习压缩机零部件拆装和工作过程模拟；通过压缩机学习系统零部件拆装过程和工作过程的自动演示，以及学习者随时控制其进程，进行零部件拆装和压缩机工作过程学习；

步骤二：学习者在练习模式下和考试模式下学习和测试压缩机零部件拆卸装配，鼠标点击零部件一次，则为点选该零部件；鼠标连续两次点选同一零部件，为确定拆或装该零部件；学习者在练习压缩机工作过程模拟时，能够在可视化界面输入或调整压缩机不同工作参数，模拟压缩机过程和预测压缩机性能；

步骤三：压缩机零部件拆装模块根据学习者点选指令，鼠标确认拆或装某个零部件后，会根据拆装序列判断该零部件当前是否允许拆装，若符合拆装序列，则零部件被拆卸或装配，发生相应的拆卸或装配行为；若不符合拆装序列，则系统提示拆装顺序错误，发生拆装顺序错误的行为；

步骤四：压缩机零部件拆装模块根据学习者输入的工作参数，计算该学习者输入的工作参数条件下压缩机的性能，判断压缩机做功元件的工作状态，将其数值模拟和可视化分析，通过界面展示压缩机不同工作参数，压缩机零部件模型的空间坐标变化，以及粒子特效，实现不同工作参数条件下，压缩机的工作状态和做功零部件运动仿真；

步骤五：压缩机零部件拆装模块将云服务器内学习者服务端程序监听到数据请求，建立起网络连接，经过业务层及持久化层程序的处理，通过数据传输模块将成绩上传到服务器的数据库中；教师登录压缩机零部件拆装模块的管理模块，登录并实时指导学习者的操作和评价学习者的学习程度。