CN116188209B - 一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法，属于虚拟仿真实验技术领域。为解决学生实验存在安全隐患以及教师难以一对一观察的问题，模拟层可以生成虚拟现实模拟场景并且根据控制层的控制指令对物理实验过程进行模拟，根据不同的实验内容选择相适配的虚拟现实场景，同时提高了物理实验的便利性，不仅安全性能更强，同时相较于单一的文字数字展示，给使用者提供沉浸式实验和探索的环境，应用层可以对模拟层的物理实验模拟进行结果分析及流程评分，学生可以更加直观的对比观察到自身的实验过程与正确的过程所存在的差异，实验过程可以云端保存并反复观看，也便于老师对其进行讲解，提高教育教学质量和评测效率。

Description

一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统
技术领域
本发明涉及虚拟仿真实验技术领域，特别涉及一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统。
背景技术
在进行物理教学时，往往需要进行物理实验的教学，已有相关专利，比如公开号CN112365761A公开了一种虚拟仿真教学实验模拟系统，包括数据录入模块，用于录入并发送不同类型的实验课程数据；器材数据模块，用于获取并发送每个类型的实验课程所需的虚拟仿真实验器材；模型建立模块，用于建立匹配模型；身份验证模块，用于获取用户登录请求，录入用户身份信息，开放用户使用权限；实时匹配模块，用于获取用户实时课程数据，并导入到匹配模型中，生成并发送匹配结果；器材调取模块，用于调取并发送对应的虚拟仿真实验器材至用户；数据存储模块，用于获取并存储用户的仿真实验数据。该专利可针对不同的教学实验进行仿真模拟，以满足教学需求，实时跟进教学进度，提高仿真教学效率。
上述专利其实在实际的操作中还存在以下问题：
1、在进行物理实验教学时，往往需要学生亲手进行实验才能提高知识的掌握，然而教师往往一对多教学，学生进行试验往往存在一定的风险，教师难以对每一个学生都进行百分百的监控，从而会带来安全隐患。
2、在进行物理实验教学时，需要对学生的实验过程和结果进行评价，然而教师往往一对多教学，难以对每个学生的实验流程进行全程观测，从而会影响评定以及教学效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，包括控制层、实施层、模拟层、应用层和云平台，其中，
所述控制层，用于生成控制数据并向实施层发送信号，实现通信以及人机界面交互功能，并通过实施层对模拟层所生成的虚拟现实下的物理仿真实验进行操控以及对应用层进行操控；
所述实施层，用于实时运行所述控制层的控制数据信号，并实施所述模拟层上的操作指令及展示虚拟现实场景，对模拟层和应用层进行操作；
所述模拟层，用于生成虚拟现实模拟场景并且根据控制层的控制指令对物理实验过程进行模拟；
所述应用层，用于对模拟层的物理实验模拟进行结果分析及流程评分；
所述云平台，用于对控制层、实施层、模拟层和应用层运行所需的数据信息通过云端储存和编辑后，将分类信息分别输送并将反馈信息回传。
进一步的，所述控制层包括人机交互模块、I/O组态模块和数据接口模块；
所述人机交互模块，用于生成人机交互界面，通过人机交互模块对实施层和模拟层的实时操控信息以及操作指令实时情况进行显示，同时操作者通过人机交互模块对实施层和模拟层进行实时操控，从而对物理实验进行控制；
所述I/O组态模块，用于信号数字化，配置模拟组态信息并将组态信息发送至实施层进行处理；
所述数据接口模块，用于将控制层产生的操作指令译制成实施层可读数据格式。
进一步的，所述实施层包括数据读取模块、故障诊断模块、数据交互模块和控制发送模块；
所述数据读取模块用于读取控制层发送的物理仿真实验控制信号数据，对物理实验具体控制流程进行读取；
所述故障诊断模块用于对实施层以及模拟层的运行进行实时的监控诊断，与数据交互模块协同工作在出现异常或故障时发送故障诊断信号给控制层；
所述数据交互模块用于对控制层以及模拟层进行数据交互连接；
所述控制发送模块用于将物理实验具体控制流程生成流程模拟指令并对模拟层发送模拟指令信号。
进一步的，所述模拟层包括虚拟场景模拟单元和物理实验仿真单元；
所述虚拟场景模拟单元，用于对物理仿真实验的虚拟现实场景进行模拟搭建；
所述物理实验仿真单元，用于在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟。
进一步的，所述虚拟场景模拟单元包括场景制作模块、环境模拟模块和实验仿真模块；
所述场景制作模块用于获取物理仿真实验虚拟动画场景数据和现实场景地形图，并建立场景模型标签；
所述环境模拟模块用于获取预设环境数据库中的环境模拟数据和光源模拟数据；
所述实验仿真模块用于与物理实验仿真单元协同，并在虚拟现实场景中构建电路模型、物理结构和实验系数数据，并建立数据标签；
将获取的所述数据标签与所述场景模型标签一一匹配，生成多个物理实验模拟模式，并为所述多个模拟模式进行标号。
进一步的，所述应用层包括实验记录模块、实验对比模块和系统评价模块；
所述实验记录模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行记录，记录形式包括实验操作流程文字记录、实验操作结果文字记录以及物理实验虚拟影像记录；
所述实验对比模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果；
所述系统评价模块，用于根据实验对比模块的对比结果，对物理仿真实验进行整体评分。
进一步的，所述云平台包括云端数据库、数据处理模块和数据匹配模块；
所述云端数据库用于将接收到的若干数据流组依据数据流标签进行分类储存，云端数据库还用于储存模拟层的模型构建数据库、若干视频数据流组和若干图片数据流组的历史数据库以及若干视频数据流组和若干图片数据流组传输所挟带的时间、位置子数据；
所述数据处理模块，用于将分类储存的数据依据流属性信息和数据内容进行分组，并分类标记，所述分组包括模拟数据集、环境数据集、电路数据集和公式数据集；
所述数据匹配模块，用于将数据处理模块处理分组后的数据集分别根据实施层、模拟层和应用层属性信息匹配生成相对应的数据流的数据要求，并将该数据流的数据要求与数据集对接。
进一步的，所述物理实验仿真单元在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟，具体为：
获取实验资源的资源参数信息和目标物理仿真实验的仿真参数；
根据所述仿真参数从资源参数信息中获取目标物理仿真实验的刚需资源参数信息；
获取所述目标物理仿真实验的实验流程参数，根据所述实验流程参数获取对应的操作行为参数；
根据所述实验流程参数确定目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件；
根据每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件从所述刚需资源参数信息中筛选每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息；
基于所述操作行为参数和每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息对目标物理仿真实验进行推演，获取推演数据；
根据所述推演数据获取目标物理仿真实验的实验进度，根据实验进度判断目标物理仿真实验是否可行；
若判断目标物理仿真实验可行，根据目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件和该阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息生成目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码；
将目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码导入到所述虚拟现实场景中以生成每个阶段的触发事件同时设置每个事件触发对象的状态改变值区间；
为每个阶段分配资源节点，根据分配结果配置每个资源节点的控制属性；
根据每个资源节点的控制属性控制所有分配节点依次进行实验仿真，获取仿真模拟结果。
进一步的，所述为每个阶段分配资源节点，包括：
获取每个阶段对应的实验相关元素，根据所述实验相关元素确定该阶段对于节点的调度资源比例；
获取每个资源节点的节点信息，根据所述节点信息确定每个资源节点的每种资源的预设分配比例；
根据每个阶段对于节点的调度资源比例和每个资源节点的每种资源的预设分配比例计算出每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数：
其中，表示为第b个资源节点运载目标物理仿真实验第a个阶段的能效系数，表示为第b个资源节点在运行时的随机系统变量，/>表示为第b个资源节点在运行时的固定系统变量，/>表示为第b个资源节点的状态评分值，/>表示为为第b个资源节点中所有分配资源的工作竞争系数，/>表示为第b个资源节点的分配资源的种类数量，i表示为第i种分配资源，/>表示为目标物理仿真实验第a个阶段对第i种分配资源的调度比例，/>表示为第b个资源节点的第i种分配资源的预设分配比例，/>表示为第b个资源节点在运行时的资源输出偏移优化因子，/>表示为第b个资源节点的性能指数；
根据每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数确定该资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段时的当前状态与最佳状态的偏移度；
选择出每个资源节点的状态偏移度最小的匹配阶段作为匹配阶段；
当一个资源节点存在两个匹配阶段时，获取每个匹配阶段的时序特征，根据时序特征选择实验靠前的第一匹配阶段作为该资源节点的最终匹配阶段，为实验靠后的第二匹配阶段选择状态偏移度次小的目标资源节点。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：通过虚拟场景模拟单元对物理实验虚拟现实模拟场景进行生成；
步骤二：通过人机交互模块发送物理实验控制指令，I/O组态模块和数据接口模块对指令进行加工并发送至实施层；
步骤三：通过物理实验仿真单元对物理实验控制指令进行实施并模拟物理实验的流程及结果，通过实验记录模块对物理仿真实验进行试验流程及结果的记录；
步骤四：通过实验对比模块对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果，通过系统评价模块对模拟实验进行评分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.现有技术下，在进行物理实验教学时，往往需要学生亲手进行实验才能提高知识的掌握，然而教师往往一对多教学，学生进行试验往往存在一定的风险，教师难以对每一个学生都进行百分百的监控，从而会带来安全隐患，而本发明的模拟层可以生成虚拟现实模拟场景并且根据控制层的控制指令对物理实验过程进行模拟，在进行虚拟现实的物理实验仿真模拟前，通过虚拟场景模拟单元建立虚拟现实场景，将具体的物理实验形式内容与虚拟场景相结合，根据不同的实验内容选择相适配的虚拟现实场景，通过在虚拟现实场景中对物理实验进行模拟操作加深使用者对实验内容的理解，同时提高了物理实验的便利性，方便在教育教学时对学生进行展示操作，不仅安全性能更强，同时相较于单一的文字数字展示，给使用者提供沉浸式实验和探索的环境。
2.现有技术下，在进行物理实验教学时，需要对学生的实验过程和结果进行评价，然而教师往往一对多教学，难以对每个学生的实验流程进行全程观测，从而会影响评定以及教学效率，而本发明的应用层可以对模拟层的物理实验模拟进行结果分析及流程评分，在进行虚拟现实的物理实验仿真模拟时，通过实验记录模块对物理仿真实验整体过程及结果进行操作流程文字记录、操作结果文字记录以及虚拟影像记录，并且在模拟实验结束后对该记录进行对比评分，通过与数据库内的正确实验流程和数据，在一定的范围内对使用者的模拟过程及结果进行对比，从而可以教学的过程中对学生的掌握情况进行了解，并且学生可以更加直观的对比观察到自身的实验过程与正确的过程所存在的差异，实验过程可以云端保存并反复观看，也便于老师对其进行讲解，提高教育教学质量和评测效率。
附图说明
图1为本发明的系统整体模块示意图；
图2为本发明的控制层模块示意图；
图3为本发明的实施层模块示意图；
图4为本发明的模拟层模块示意图；
图5为本发明的应用层模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，包括控制层、实施层、模拟层、应用层和云平台；
其中，控制层，用于生成控制数据并向实施层发送信号，实现通信以及人机界面交互功能，并通过实施层对模拟层所生成的虚拟现实下的物理仿真实验进行操控以及对应用层进行操控；实施层，用于实时运行所述控制层的控制数据信号，并实施所述模拟层上的操作指令及展示虚拟现实场景，对模拟层和应用层进行操作；模拟层，用于生成虚拟现实模拟场景并且根据控制层的控制指令对物理实验过程进行模拟；应用层，用于对模拟层的物理实验模拟进行结果分析及流程评分；云平台，用于对控制层、实施层、模拟层和应用层运行所需的数据信息通过云端储存和编辑后，将分类信息分别输送并将反馈信息回传。
具体的，在进行物理实验模拟的过程中，通过模拟层对物理实验虚拟现实模拟场景进行生成，随后通过控制层对发送物理实验控制指令，并且对指令进行加工并发送至实施层，通过模拟层对物理实验控制指令进行实施并模拟物理实验的流程及结果，通过应用层对物理仿真实验进行试验流程及结果的记录，随后对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果，并且对模拟实验进行评分，从而完成虚拟现实的物理实验仿真模拟。
请参阅图2，控制层包括人机交互模块、I/O组态模块和数据接口模块；
其中，人机交互模块，用于生成人机交互界面，通过人机交互模块对实施层和模拟层的实时操控信息以及操作指令实时情况进行显示，同时操作者通过人机交互模块对实施层和模拟层进行实时操控，从而对物理实验进行控制；I/O组态模块，用于信号数字化，配置模拟组态信息并将组态信息发送至实施层进行处理；数据接口模块，用于将控制层产生的操作指令译制成实施层可读数据格式。
具体的，I/O组态模块和数据接口模块的设置可以对人机交互模块发出的操控指令进行转化配置模拟组态，使得可以更灵活、更开放地进行虚拟现实的物理实验仿真模拟。
为了解决在进行物理实验教学时，往往需要学生亲手进行实验才能提高知识的掌握，然而教师往往一对多教学，学生进行试验往往存在一定的风险，教师难以对每一个学生都进行百分百的监控，从而会带来安全隐患的技术问题，请参阅图3-4，本发明提供以下技术方案：
实施层包括数据读取模块、故障诊断模块、数据交互模块和控制发送模块；
其中，数据读取模块用于读取控制层发送的物理仿真实验控制信号数据，对物理实验具体控制流程进行读取；故障诊断模块用于对实施层以及模拟层的运行进行实时的监控诊断，与数据交互模块协同工作在出现异常或故障时发送故障诊断信号给控制层；数据交互模块用于对控制层以及模拟层进行数据交互连接；控制发送模块用于将物理实验具体控制流程生成流程模拟指令并对模拟层发送模拟指令信号。
具体的，故障诊断模块可以在系统整体加载运行的过程中对其运行的状态进行实时的监控和诊断，在诊断出异常错误的情况下将诊断结果发送至人机交互模块进行处理，从而对虚拟现实的物理实验仿真模拟进行监控控制，以实现更好的过程控制。
模拟层包括虚拟场景模拟单元和物理实验仿真单元；
其中，虚拟场景模拟单元，用于对物理仿真实验的虚拟现实场景进行模拟搭建；物理实验仿真单元，用于在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟。
虚拟场景模拟单元包括场景制作模块、环境模拟模块和实验仿真模块；
其中，场景制作模块用于获取物理仿真实验虚拟动画场景数据和现实场景地形图，并建立场景模型标签；环境模拟模块用于获取预设环境数据库中的环境模拟数据和光源模拟数据；实验仿真模块用于与物理实验仿真单元协同，并在虚拟现实场景中构建电路模型、物理结构和实验系数数据，并建立数据标签，将获取的所述数据标签与所述场景模型标签一一匹配，生成多个物理实验模拟模式，并为所述多个模拟模式进行标号。
具体的，在进行虚拟现实的物理实验仿真模拟前，通过虚拟场景模拟单元建立虚拟现实场景，将具体的物理实验形式内容与虚拟场景相结合，根据不同的实验内容选择相适配的虚拟现实场景，通过在虚拟现实场景中对物理实验进行模拟操作加深使用者对实验内容的理解，同时提高了物理实验的便利性，方便在教育教学时对学生进行展示操作，不仅安全性能更强，同时相较于单一的文字数字展示，给使用者提供沉浸式实验和探索的环境。
为了解决在进行物理实验教学时，需要对学生的实验过程和结果进行评价，然而教师往往一对多教学，难以对每个学生的实验流程进行全程观测，从而会影响评定以及教学效率的技术问题，请参阅图5，本发明提供以下技术方案：
应用层包括实验记录模块、实验对比模块和系统评价模块；
其中，实验记录模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行记录，记录形式包括实验操作流程文字记录、实验操作结果文字记录以及物理实验虚拟影像记录；实验对比模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果；系统评价模块，用于根据实验对比模块的对比结果，对物理仿真实验进行整体评分。
具体的，在进行虚拟现实的物理实验仿真模拟时，通过实验记录模块对物理仿真实验整体过程及结果进行操作流程文字记录、操作结果文字记录以及虚拟影像记录，并且在模拟实验结束后对该记录进行对比评分，通过与数据库内的正确实验流程和数据，在一定的范围内对使用者的模拟过程及结果进行对比，从而可以教学的过程中对学生的掌握情况进行了解，并且学生可以更加直观的对比观察到自身的实验过程与正确的过程所存在的差异，实验过程可以云端保存并反复观看，也便于老师对其进行讲解，提高教育教学质量和评测效率。
云平台包括云端数据库、数据处理模块和数据匹配模块；
其中，云端数据库用于将接收到的若干数据流组依据数据流标签进行分类储存，云端数据库还用于储存模拟层的模型构建数据库、若干视频数据流组和若干图片数据流组的历史数据库以及若干视频数据流组和若干图片数据流组传输所挟带的时间、位置子数据；数据处理模块，用于将分类储存的数据依据流属性信息和数据内容进行分组，并分类标记，所述分组包括模拟数据集、环境数据集、电路数据集和公式数据集；数据匹配模块，用于将数据处理模块处理分组后的数据集分别根据实施层、模拟层和应用层属性信息匹配生成相对应的数据流的数据要求，并将该数据流的数据要求与数据集对接。
具体的，云端数据库可以对虚拟现实的物理实验仿真模拟的实验操作流程文字记录、实验操作结果文字记录以及物理实验虚拟影像记录进行存储，便于反复查询和调取。
在一个实施例中，所述物理实验仿真单元在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟，具体为：
获取实验资源的资源参数信息和目标物理仿真实验的仿真参数；
根据所述仿真参数从资源参数信息中获取目标物理仿真实验的刚需资源参数信息；
获取所述目标物理仿真实验的实验流程参数，根据所述实验流程参数获取对应的操作行为参数；
根据所述实验流程参数确定目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件；
根据每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件从所述刚需资源参数信息中筛选每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息；
基于所述操作行为参数和每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息对目标物理仿真实验进行推演，获取推演数据；
根据所述推演数据获取目标物理仿真实验的实验进度，根据实验进度判断目标物理仿真实验是否可行；
若判断目标物理仿真实验可行，根据目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件和该阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息生成目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码；
将目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码导入到所述虚拟现实场景中以生成每个阶段的触发事件同时设置每个事件触发对象的状态改变值区间；
为每个阶段分配资源节点，根据分配结果配置每个资源节点的控制属性；
根据每个资源节点的控制属性控制所有分配节点依次进行实验仿真，获取仿真模拟结果。
在本实施例中，资源参数信息表示为所有虚拟物理实验资源对应的功能参数信息和物理量参数信息；
在本实施例中，仿真参数表示为目标物理仿真实验的仿真指标参数；
在本实施例中，实验流程参数表示为目标物理仿真实验的实验过程中每个操作流程的实验响应参数；
在本实施例中，操作行为参数表示为对于目标物理仿真实验的人为操作行为对应的行动参数；
在本实施例中，触发条件表示为实验原料与触发实验容器之间的实验开始的触发条件；
在本实施例中，触发脚本代码表示为目标物理仿真实验的虚拟实验控制程序代码；
在本实施例中，事件触发对象包括实验原料与触发实验容器以及二者产生的实验现象；
在本实施例中，控制属性表示每个分配资源节点在进行虚拟实验时的资源分配属性；
上述技术方案的有益效果为：通过确定目标物理仿真实验的实验指标和流程触发参数进而来对其进行推演可以在进行虚拟实验之前对目标物理仿真实验进行可靠的可行性评估，从而一定程度上避免了后续无用流程的进行，提高了工作效率和实用性，进一步地，通过生成目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码可以在虚拟实验过程中对实验流程进行稳定的控制，提高了稳定性，进一步地，通过配置每个资源节点的控制属性可以保证每个阶段在虚拟实验过程中的资源后续补给保障，进一步地提高了稳定性。
在一个实施例中，所述为每个阶段分配资源节点，包括：
获取每个阶段对应的实验相关元素，根据所述实验相关元素确定该阶段对于节点的调度资源比例；
获取每个资源节点的节点信息，根据所述节点信息确定每个资源节点的每种资源的预设分配比例；
根据每个阶段对于节点的调度资源比例和每个资源节点的每种资源的预设分配比例计算出每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数：
其中，表示为第b个资源节点运载目标物理仿真实验第a个阶段的能效系数，表示为第b个资源节点在运行时的随机系统变量，/>表示为第b个资源节点在运行时的固定系统变量，/>表示为第b个资源节点的状态评分值，/>表示为为第b个资源节点中所有分配资源的工作竞争系数，/>表示为第b个资源节点的分配资源的种类数量，i表示为第i种分配资源，/>表示为目标物理仿真实验第a个阶段对第i种分配资源的调度比例，/>表示为第b个资源节点的第i种分配资源的预设分配比例，/>表示为第b个资源节点在运行时的资源输出偏移优化因子，/>表示为第b个资源节点的性能指数；
根据每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数确定该资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段时的当前状态与最佳状态的偏移度；
选择出每个资源节点的状态偏移度最小的匹配阶段作为匹配阶段；
当一个资源节点存在两个匹配阶段时，获取每个匹配阶段的时序特征，根据时序特征选择实验靠前的第一匹配阶段作为该资源节点的最终匹配阶段，为实验靠后的第二匹配阶段选择状态偏移度次小的目标资源节点。
在本实施例中，每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数表示为每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的实验效果评估值；
在本实施例中，状态评分值表示为每个资源节点的响应状态、工作状态、处理状态和稳定状态各个维度的平均评分值；
上述技术方案的有益效果为：通过计算每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数可以准确地确定目标物理仿真实验每个阶段的最适配资源节点从而保证在虚拟实验过程中的稳定性和可靠性，进一步地，通过将同一资源节点分配的不同匹配阶段按照时序进行认定和重新分配节点流程可以保证目标物理仿真实验每个阶段的衔接稳定性的同时也可以保证整个实验过程的流畅性，进一步地提高了稳定性和实用性。
为了更好的展现虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的使用流程，本实施例现提出一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：通过虚拟场景模拟单元对物理实验虚拟现实模拟场景进行生成；
步骤二：通过人机交互模块发送物理实验控制指令，I/O组态模块和数据接口模块对指令进行加工并发送至实施层；
步骤三：通过物理实验仿真单元对物理实验控制指令进行实施并模拟物理实验的流程及结果，通过实验记录模块对物理仿真实验进行试验流程及结果的记录；
步骤四：通过实验对比模块对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果，通过系统评价模块对模拟实验进行评分。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于，包括控制层、实施层、模拟层、应用层和云平台，其中，
所述控制层，用于生成控制数据并向实施层发送信号，实现通信以及人机界面交互功能，并通过实施层对模拟层所生成的虚拟现实下的物理仿真实验进行操控以及对应用层进行操控；
所述实施层，用于实时运行所述控制层的控制数据信号，并实施所述模拟层上的操作指令及展示虚拟现实场景，对模拟层和应用层进行操作；
所述模拟层，用于生成虚拟现实模拟场景并且根据控制层的控制指令对物理实验过程进行模拟；
所述应用层，用于对模拟层的物理实验模拟进行结果分析及流程评分；
所述云平台，用于对控制层、实施层、模拟层和应用层运行所需的数据信息通过云端储存和编辑后，将分类信息分别输送并将反馈信息回传，所述模拟层包括虚拟场景模拟单元和物理实验仿真单元；
所述虚拟场景模拟单元，用于对物理仿真实验的虚拟现实场景进行模拟搭建；
所述物理实验仿真单元，用于在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟，
所述物理实验仿真单元在虚拟场景模拟单元所搭建的虚拟现实场景中对物理仿真实验的过程及结果进行仿真模拟，具体为：
获取实验资源的资源参数信息和目标物理仿真实验的仿真参数；
根据所述仿真参数从资源参数信息中获取目标物理仿真实验的刚需资源参数信息；
获取所述目标物理仿真实验的实验流程参数，根据所述实验流程参数获取对应的操作行为参数；
根据所述实验流程参数确定目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件；
根据每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件从所述刚需资源参数信息中筛选每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息；
基于所述操作行为参数和每个阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息对目标物理仿真实验进行推演，获取推演数据；
根据所述推演数据获取目标物理仿真实验的实验进度，根据实验进度判断目标物理仿真实验是否可行；
若判断目标物理仿真实验可行，根据目标物理仿真实验每个阶段的实验原料和触发实验容器以及二者之间的触发条件和该阶段的目标实验原料的种类信息和目标触发实验容器的规格信息生成目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码；
将目标物理仿真实验每个阶段的触发脚本代码导入到所述虚拟现实场景中以生成每个阶段的触发事件同时设置每个事件触发对象的状态改变值区间；
为每个阶段分配资源节点，根据分配结果配置每个资源节点的控制属性；
根据每个资源节点的控制属性控制所有分配节点依次进行实验仿真，获取仿真模拟结果。
2.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述控制层包括人机交互模块、I/O组态模块和数据接口模块；
所述人机交互模块，用于生成人机交互界面，通过人机交互模块对实施层和模拟层的实时操控信息以及操作指令实时情况进行显示，同时操作者通过人机交互模块对实施层和模拟层进行实时操控，对物理实验进行控制；
所述I/O组态模块，用于信号数字化，配置模拟组态信息并将组态信息发送至实施层进行处理；
所述数据接口模块，用于将控制层产生的操作指令译制成实施层可读数据格式。
3.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述实施层包括数据读取模块、故障诊断模块、数据交互模块和控制发送模块；
所述数据读取模块用于读取控制层发送的物理仿真实验控制信号数据，对物理实验具体控制流程进行读取；
所述故障诊断模块用于对实施层以及模拟层的运行进行实时的监控诊断，与数据交互模块协同工作在出现异常或故障时发送故障诊断信号给控制层；
所述数据交互模块用于对控制层以及模拟层进行数据交互连接；
所述控制发送模块用于将物理实验具体控制流程生成流程模拟指令并对模拟层发送模拟指令信号。
4.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述虚拟场景模拟单元包括场景制作模块、环境模拟模块和实验仿真模块；
所述场景制作模块,用于获取物理仿真实验虚拟动画场景数据和现实场景地形图，并建立场景模型标签；
所述环境模拟模块，用于获取预设环境数据库中的环境模拟数据和光源模拟数据；
所述实验仿真模块,用于与物理实验仿真单元协同，并在虚拟现实场景中构建电路模型、物理结构和实验系数数据，并建立数据标签；
将获取的所述数据标签与所述场景模型标签一一匹配，生成多个物理实验模拟模式，并为所述多个物理实验模拟模式进行标号。
5.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述应用层包括实验记录模块、实验对比模块和系统评价模块；
所述实验记录模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行记录，记录形式包括实验操作流程文字记录、实验操作结果文字记录以及物理实验虚拟影像记录；
所述实验对比模块，用于对物理仿真实验整体过程及结果进行实验准确性对比，并输出对比结果；
所述系统评价模块，用于根据实验对比模块的对比结果，对物理仿真实验进行整体评分。
6.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述云平台包括云端数据库、数据处理模块和数据匹配模块；
所述云端数据库用于将接收到的若干数据流组依据数据流标签进行分类储存，云端数据库还用于储存模拟层的模型构建数据库、若干视频数据流组和若干图片数据流组的历史数据库以及若干视频数据流组和若干图片数据流组传输所挟带的时间、位置子数据；
所述数据处理模块，用于将分类储存的数据依据流属性信息和数据内容进行分组，并分类标记，所述分组包括模拟数据集、环境数据集、电路数据集和公式数据集；
所述数据匹配模块，用于将数据处理模块处理分组后的数据集分别根据实施层、模拟层和应用层属性信息匹配生成相对应的数据流的数据要求，并将该数据流的数据要求与数据集对接。
7.如权利要求1所述的一种虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统，其特征在于：所述为每个阶段分配资源节点，包括：
获取每个阶段对应的实验相关元素，根据所述实验相关元素确定该阶段对于节点的调度资源比例；
获取每个资源节点的节点信息，根据所述节点信息确定每个资源节点的每种资源的预设分配比例；
根据每个阶段对于节点的调度资源比例和每个资源节点的每种资源的预设分配比例计算出每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数：
其中，表示为第b个资源节点运载目标物理仿真实验第a个阶段的能效系数，/>表示为第b个资源节点在运行时的随机系统变量，/>表示为第b个资源节点在运行时的固定系统变量，/>表示为第b个资源节点的状态评分值，/>表示为为第b个资源节点中所有分配资源的工作竞争系数，/>表示为第b个资源节点的分配资源的种类数量，i表示为第i种分配资源，/>表示为目标物理仿真实验第a个阶段对第i种分配资源的调度比例，/>表示为第b个资源节点的第i种分配资源的预设分配比例，/>表示为第b个资源节点在运行时的资源输出偏移优化因子，/>表示为第b个资源节点的性能指数；
根据每个资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段的能效系数确定该资源节点运载目标物理仿真实验每个阶段时的当前状态与最佳状态的偏移度；
选择出每个资源节点的状态偏移度最小的匹配阶段作为匹配阶段；
当一个资源节点存在两个匹配阶段时，获取每个匹配阶段的时序特征，根据时序特征选择实验靠前的第一匹配阶段作为该资源节点的最终匹配阶段，为实验靠后的第二匹配阶段选择状态偏移度次小的目标资源节点。
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EP1605420A3 (fr) * 2004-06-09 2010-05-05 Nexter Training Système de formation à l'exploitation, l'utilisation ou la maintenance d'un cadre de travail dans un environnement de realité virtuelle
CN104504632A (zh) * 2014-12-26 2015-04-08 重庆机电职业技术学院 一种虚拟仿真教学实训平台构建方法
CN106777764A (zh) * 2016-12-31 2017-05-31 佛山市幻云科技有限公司 存储仿真方法、系统及虚拟现实服务器
CN108806385A (zh) * 2018-05-08 2018-11-13 上海工程技术大学 一种vr沉浸式多人协同汽车教学实训系统及教学方法
CN110428684A (zh) * 2019-07-19 2019-11-08 暨南大学 虚拟现实的物理实验仿真智能引擎系统及工作方法

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