前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的虛擬仿真綜合布線教學系統的設計分析，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要為了豐富綜合布線課程資源，提高實訓室的使用效率，降低實訓成本，使得學生能夠在生動形象的虛擬環境中學習，本文設計了虛擬仿真綜合布線教學系統。該系統分為機房布線和建筑群布線2個系統和10個子系統，采用虛擬現實技術開發，綜合運用Unity的交互功能、3DSMax建模、Photoshop圖片處理等軟件技術。系統的使用減少了器材損耗，降低了實訓風險，提高了學生的學習效率和學習興趣，有效提升了課堂教學效果。
關鍵詞交互功能；綜合布線；仿真教學系統
1引言
虛擬現實技術(VirtualReality，VR)，產生于20世紀80年代，最初主要用于對宇航員和飛行員的培訓中，然后逐漸在教育、醫療、商業等領域得到普及。VR技術能夠運用計算機的軟硬件技術營造出與現實實驗環境相仿的情境，使用戶可以身臨其境般地進入情境中。近年來，VR技術在教育領域得到了蓬勃的應用和發展。由VR技術實現的教學情境，為教育教學提供了一個全新的授課方式。Unity是實時3D互動內容創作和運營平臺。借助Unity可以將包括游戲開發、美術、建筑、影視在內的所有創意變為現實。Unity平臺具有強大的交互功能，能夠和數據庫連接，可以跨平臺操作。本文利用Unity的虛擬仿真技術設計開發計算機網絡綜合布線教學系統。該系統包含了綜合布線的所有實訓項目。學生能夠通過本系統直觀地體驗和了解實訓內容，增加了實踐機會，使枯燥的動手操作變得生動有趣，加深了對知識的記憶，提高了學生自主學習的能力。
2綜合布線實訓現狀
由于網絡綜合布線實訓室需要花費很大費用成套購入廠家的硬件和軟件，而且后期還要不斷地投入耗材，因此有的高職學校因缺乏相應的實訓設施而采用減少學生的動手操作，增加理論課學時，或者通過視頻教學。這樣學生無法直接動手操作，使得理論與實踐脫節，極大地影響了教學效果[1]。對于有實訓設施的學校，也存在以下問題：有的學生不認真觀看教師的演示，導致實際操作中頻繁出錯，浪費材料，損壞設備，甚至出現安全隱患。基于虛擬仿真的綜合布線教學系統能夠解決學校缺少實訓室的問題，使學生能夠身臨其境地進入虛擬的網絡布線環境，利用虛擬手段設計布線路由、設備端接、網線連接、光纖熔接等。對于有實訓室的學校，該系統以其生動形象的虛擬環境，能夠極大地提升學生的學習興趣，減少實驗材料的浪費，提高實訓室的使用效率。
3系統總體結構設計
根據綜合布線實訓課程的要求，虛擬仿真綜合布線教學系統分為機房布線系統和建筑群布線系統兩部分，見圖1。其中，機房布線系統包括：主配線區，水平配線區，區域配線區，設備配線區[2]。建筑物群布線系統包括：工作區子系統，水平子系統，垂直主干線子系統，管理間子系統，設備間子系統，建筑群子系統[3]。機房布線系統可以實訓線路端接、路由交換機、機柜機架的安裝等。其中主配線區是機房綜合布線的中心配線點，里面主要是一些網絡設備，如路由器、交換機、防火墻等。水平配線區主要應用于機柜較多的機房，以減少主配線區的壓力，主要有水平配線設備、交換機等。區域配線區主要應用于機器設備較多的大型機房中，將控制維修區域從機房區域中獨立出來，在該區域對機房區域進行控制和管理。設備配線區用于為PC（PersonalComputer）終端、服務區等設備提供鏈路連接[2]。建筑群布線系統中的工作區子系統又稱服務區子系統，主要實訓跳線和信息插座等終端設備的安裝。水平子系統又稱配線子系統，由工作區信息插座模塊、水平電纜、配線設備等組成，主要實訓連接纜線、配線架、跳線等。垂直子系統又稱干線子系統，連接管理間子系統到設備間子系統，實現主配線架和中間配線架，主要實訓布線施工和安裝布線設備。管理間子系統也稱配線間、電線間，主要實訓安裝配線架、樓層機柜、交換機，是連接配線子系統和干線子系統的設備。設備間子系統也稱網絡中心或機房，實現網絡管理和信息交換功能，主要熟練安裝網絡設備，包括路由器、防火墻、建筑群交換機等。建筑群子系統又稱樓宇層子系統，主要實訓線纜，端接設備和電氣保護裝置[4]。根據錦州師范高等專科學校實際情況，系統主要的功能模塊如圖2所示。各個模塊的主要功能有：（1）安裝配線架：在機柜中固定配線架，整理線纜。（2）安裝信息面板：信息模塊的端接，線序標準。（3）安裝網絡：面板、安裝盒及信息插座之間使用，主要是墻體內安裝，線序標準。（4）安裝接線底盒：信息點安裝位置，底盒安裝，模塊安裝，面板安裝。（5）安裝網絡交換機：安裝支架，固定在機柜中，連接線路。（6）安裝機柜：組裝機柜，安裝位置，機內接線，接線端子標識。（7）網絡模塊端接：剝線，線序標準，制作RJ45水晶頭，端接網絡模塊。（8）語音模塊端接：大對數電纜，剝除外護套，鴨嘴跳線，標記線序。（9）網絡配線架端接：安裝理線架，整理線纜，端接線纜，粘貼標簽。（10）語音配線架端接：大對數電纜端接語音配線架上，理線規范。（11）網絡語音線纜敷設：網絡機柜安裝，光纖接線，安裝交換機，電話外線端接。（12）管線管槽安裝：根據圖紙要求，安裝金屬槽、PVC線槽/線管，對各布線路由預定位。
4仿真教學系統的開發
系統開發平臺主要使用的應用軟件有：Unity3D、3DSMax、Photoshop和Flash等軟件。Unity3D作為一款可以橫跨多個平臺的游戲開發引擎，交互功能特別強大，可以創建實時三維動畫、可視化建筑、三維視頻動畫游戲等互動型游戲。另外Unity主要采用C#和JavaScript作為腳本語言，能夠發布到的平臺系統有Windows、Mac、Wii、Android、IOS或OSX，也可以利用Unitywebplayer插件將作品發布到Web服務器端，而且只要稍加改動，就可以發布到不同平臺，不必重新開發，因此特別適合用于開發虛擬仿真的綜合布線教學系統。系統開發的系統軟件和硬件條件主要有：操作系統采用MicrosoftWindows系列的64位操作系統(現在基本上都是Win10系統)；中央處理器CPU采用IntelCorei7四核處理器或以上的或性能相當的AMD--A12處理器；內存至少16G以上；顯卡緩存4GB并支持DirectX10及ShaderModel；視頻顯示21寸或以上，2K以上，1920X1200真彩色顯示。由于虛擬環境模仿的是現場環境，因此需要根據每個實訓項目的具體內容，采集現場設備的圖像、聲音等素材來制作虛擬環境中的模型和紋理貼圖。使用三維工具3DSMax進行場景搭建和模型制作，以及動畫的制作，用Photoshop軟件處理貼圖，導入Unity軟件，創建圖形用戶界面，進行交互設計與實現，并編寫交互腳本代碼。最后在計算機端或手機端上發布。開發流程見圖3。系統的開發有利于提升學生的自主學習能力[5]。
4.1系統設計
綜合布線實訓涉及的模型和貼圖資源較多。為了滿足交互式實訓的需要，制作虛擬環境中的模型時，要準確測量模型及場地尺寸，以保證模型的準確性，拍攝多角度圖片，最后用Photoshop合成。虛擬仿真系統中的模型均為多邊形建模，包括布線實訓室場景漫游、各種器材設備。其中器材和設備的形狀結構差異很大，可以適當降低模型精度，采用貼圖加光照再渲染的方法，可以加快系統的運行效率。模型制作完成后還需要為模型繪制貼圖并展開UV（水平方向是U，垂直方向是V，這里是指u、v紋理貼圖坐標的簡稱），以便還原模型的顏色和質感。Unity中的貼圖僅支持標準材質和多維子對象材質。貼圖類型僅支持位圖、JPG及帶通道的TGA貼圖[6]。
4.2系統交互功能的實現
交互功能是虛擬仿真教學系統的關鍵，使用Unity可以實現人機交互，給人一種身臨其境的效果。系統通過提供鼠標、鍵盤、電子頭盔、數據手套等虛擬現實設備，使得用戶能夠和虛擬場景進行交互。實現人機交互要將模型、貼圖等美術資源導入Unity，再添加相應的操作交互腳本組件，達到控制游戲對象在虛擬場景的交互行為?，F以機房機柜組裝和連線為例，演示交互功能是如何實現的。在菜單中選擇組裝機柜，系統會提供機柜的相關零部件（如機柜的底座、外邊框、機柜門、隔板等）。在虛擬機房的相應位置，按照機柜模型點擊組裝即可。再將系統提供的交換機放到隔板上等待安裝連接線。然后添加具有兩個方向柱的線槽。根據機房實際情況安裝到網線改變走向的地方，點擊連線，將交換機的線孔和線槽之間連接線路，再將線槽與終端計算機相連，連接成功后安裝標簽紙。水晶頭的制作、光纖的熔接技術、機柜內部綜合布線技術都是實訓的小項目。
4.3系統開發過程中的優化
在仿真教學系統設計過程中還需要進行各種優化動作。例如在創建模型時，建模單位設置為m，還要盡量減少模型的面數，對模型進行優化，使教學仿真系統更流暢。在對貼圖進行優化時，紋理貼圖的長寬比最好是1:1，而且長度的數值最好是2的整數冪，才可以發揮優化策略的最大效用[6]。還需要特別注意的是，模型和貼圖都不要使用中文名稱，要使用英文名稱。在設計界面時，Unity的圖形用戶界面（GUI）雖然能夠安裝各種控制按鈕，設計者也可以直接使用，但是它們不夠穩定，因此設計者可以使用NGUI（Next-GenUIkit）或UGUI（UnityGraphicalUserInterface）作為插件。NGUI需要使用工具手動拼接圖片成圖集，UGUI開發期間可以直接使用圖片作為元素，打包時會自動拼接成圖集。NGUI組件比較多，UGUI組件比較少，設計者可以根據Unity版本或設計者的使用熟練程度選擇不同的插件。對界面優化時，要將貼圖的讀寫選項禁用，否則將導致大量的內存被占用。在系統中，UI模塊占據著非常大的比重，UI元素越多，其消耗越大。NGUI默認的每個元素的錨點更新模式為每幀更新(onupdate)。這樣越多的UI元素，則其uirect.update的開銷越大。為了減少uirect.update的開銷，提升fps，可以使用UnityNGUI控件錨點更新模式優化方法和設置，來修改UI控件的錨點更新模式[8]。仿真系統需要調用大量腳本。Unity優化腳本設計方法有：在編寫代碼時，減少代碼浪費或結構性差的問題；減少對其他代碼進行不必要的大量調用，以減少CPU的開銷；避免代碼在不需要調用它的時候依然被調用；盡量將代碼移除循環；只有情況發生改變時才調用代碼；每隔X幀執行代碼；使用正確的數據結構；減少垃圾回收的影響；有效地使用對象池；減少調用昂貴的UnityAPI。最后值得注意的是，解決腳本性能問題最有效的方法不是使用高級技術而是刪除不需要的代碼。
4.4系統的測試與發布
虛擬仿真教學系統針對綜合布線實訓教學大綱，對每一章節的實訓項目都進行了相應的虛擬仿真設計，學生可以選擇任何章節進行學習和操作。本系統主要包括四種模式：演示模式、指導操作模式、獨立操作模式和測試模式。演示模式主要是通過視頻演示講解每一步的實際操作過程，學生通過觀看視頻進行學習，熟練掌握每一步驟的操作。指導操作模式就是學生在操作過程中，有語音提示學生每一步的具體操作方法。如果學生出現操作錯誤的情況，系統將不會向下進行，直到學生操作正確為止，以達到實時指導學生的目的。獨立操作模式是如果學生能夠合格地完成實訓項目，系統將不會發出任何提示信息，只有當學生出現錯誤時，系統才會通過語音及時提醒學生所犯的錯誤，達到及時發現錯誤、改正錯誤的目的。測試模式是對學生操作能力的測試。學生在進行實訓項目測試全過程中，系統沒有任何提示，完全由學生獨立完成。學生在規定時間內完成項目后，點擊完成測試，系統會給出相應分數，還會根據學生的具體操作過程，提示錯誤點以及每個錯誤出現的具體步驟。學生可以對照演示視頻改正自己所犯的錯誤。最后對該系統進行調試，以達到視頻畫面清晰、流暢的目的。Unity打包發布非常簡單，在File中點擊Buildsettings，在ScenesInBuild中點擊下方的AddOpenScenes添加場景，發布平臺可以選擇PC端或Android端。這里需要注意的是，如果選擇Android端，之前需要安裝好環境才能發布。再點擊Build進行發布，生成的可執行文件和數據文件缺一不可，需要放到同一文件夾中。
5結語
通過虛擬仿真教學實訓，可以彌補學校硬件資源不足的缺點，提升學生自主學習的能力。學生利用該系統可以更加生動、具體、深刻地理解實訓項目內容，減少實訓過程中的浪費現象，避免一些不必要的危險情況，提高實際操作技術和能力。
參考文獻
[1]王準.高校網絡工程綜合布線實驗實訓室的建設與合理利用.太原城市職業技術學院學報,2018(04):137-139
[2]舒祜.機房工程綜合布線系統設計.智能建筑,2015(06):70-73
[3]綜合布線實踐教學大綱-廣州鐵路職業技術學院,
[4]袁凌浩.半山半島小區園區網的規劃與實施.電腦迷,2017(02):86
[5]徐媛,崔學鵬.基于VR技術的網絡綜合布線虛擬實訓平臺的設計研究.電腦知識與技術,2019(18):75-76
[6]丁晨,劉橋.綜合布線虛擬仿真設計.電腦知識與技術,2020(9):66-67,75
[7]謝愛弟,劉超,郭高麗,等.引入虛擬實驗增強精品課程網站輔學功能的分析.廣西教育,2010(30):31-33
[8]閻雙.基于Unity的計算機硬件組裝仿真教學系統設計.遼寧師專學報(自然科學版),2021(1):97-99
作者:羅港 單位:錦州師范高等?？茖W校計算機科學學院
