一种基于半实物仿真的实验教学系统及方法

技术领域

本发明涉及试验教学技术领域，尤其涉及一种基于半实物仿真的实验教学系统及方法。

背景技术

实验教学是绝大多数工科专业教学中不可或缺的一部分，在实验教学中目前还存在着教学仪器成本昂贵、设备维护困难、使用条件复杂等问题。随着计算机、通信以及互联网等技术的高速发展，全球范围内出现了大量远程实验室和虚拟实验，虚拟实验有内容丰富能够包含常见仪器设备，并且能配上图文并茂的介绍起到辅助教学的作用，同时虚拟实验能避免学生进行危险程度高的实验时发生事故，学生可以通过网页端远程进行访问，实现实验资源共享。

虚拟仿真实验室虽然优点明显但也存在其缺点，在一些专业中只采用纯虚拟实验无法完成实验教学任务，例如在自动化专业的控制实验教学时，需要学生学习不同控制器的使用方法，如果使用纯虚拟实验学生在实验过程中不会用到真实控制器，将无法完成学习控制器使用方法的课程要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于半实物仿真的实验教学系统及方法，以解决现有纯虚拟实验无法完成实验教学任务的技术问题。

本发明的目的是采用以下技术方案实现的：一种基于半实物仿真的实验教学系统，包括虚拟实验平台和帮助系统平台，所述虚拟实验平台通过3D建模以及数学建模的方式进行半实物仿真实验，所述帮助系统平台采用知识图谱技术搭建，并进行人机交互。

进一步的，所述虚拟实验平台包括3D建模模块和数学建模模块，所述3D建模模块对实验所需模型进行3D建模，在3D建模后，通过数学建模模块对实验进行数学建模。

进一步的，采用3DsMax或Maya对实验所需模型进行3D建模。

进一步的，采用有限状态机方法建立实验流程的数学模型，并使用Unity引擎完成实验的逻辑、场景、动画和UI界面的搭建。

进一步的，所述帮助系统平台包括知识图谱模块和问答模块，所述知识图谱模块用以建立知识图谱，所述问答模块用以构建问答平台，所述问答平台根据提问输出答案。

进一步的，所述知识图谱的建立包括：收集实验相关知识和数据、相关知识数据清洗和处理以及知识图谱建立。

进一步的，所述问答平台的构建：问句实体提取、问句分类、查询语句转换以及知识图谱答案获取。

进一步的，所述半实物仿真实验包括传送带实验、电梯实验和水塔实验中的一种或多种。

一种基于半实物仿真的实验教学方法，包括如下步骤：

S1：虚拟实验平台通过3D建模以及数学建模的方式进行半实物仿真实验；

S2：通过帮助系统平台进行人机交互，输出问题答案，完成实验教学。

本发明的有益效果在于：本发明解决了传统实验中实验设备不足，设备维护困难等问题，同时解决了纯虚拟仿真覆盖范围不够全面的问题，为实验教学提供一条新思路，同时针对实验开放的帮助系统能够让使用者在没有教师和专业人员指导下凭借帮助系统完成实验极大提高了教学效率节约了教学资源。

本发明的被控对象均为虚拟实验设备成本低廉且能达到与真实实验设备相同效果，同时半实物仿真技术能够使用真实控制器来完成对虚拟设备的控制，延伸了虚拟仿真技术的辐射半径，针对本实验平台的帮助系统能辅助教师完成教学，减轻教师教学压力，并且系统采用Unity引擎开发对于设备兼容性高，对计算机硬件要求较低，极大节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明系统框图；

图2为传送带实验流程图；

图3为电梯实验流程图；

图4为水塔实验示意图；

图5为水塔实验流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

参阅图1，一种基于半实物仿真的实验教学系统，包括虚拟实验平台和帮助系统平台，所述虚拟实验平台通过3D建模以及数学建模的方式进行半实物仿真实验，所述帮助系统平台采用知识图谱技术搭建，并进行人机交互。

在本实施例当中，所述虚拟实验平台包括3D建模模块和数学建模模块，所述3D建模模块对实验所需模型进行3D建模，在3D建模后，通过数学建模模块对实验进行数学建模。进一步的，采用3DsMax或Maya对实验所需模型进行3D建模。更进一步的，采用有限状态机方法建立实验流程的数学模型，并使用Unity引擎完成实验的逻辑、场景、动画和UI界面的搭建。

有限状态机（FSM）是一种通过事物状态来描述事物模型的方法，它一般有以下几个特点：可以用状态来描述事物，并且任一时刻，事物总是处于一种状态；事物拥有的状态总数是有限的；通过触发事物的某些行为，可以导致事物从一种状态过渡到另一种状态；事物状态变化是有规则的，A状态可以变换到B，B可以变换到C，A却不一定能变换到C；同一种行为，可以将事物从多种状态变成同种状态，但是不能从同种状态变成多种状态。

在本实施例当中，所述半实物仿真实验包括传送带实验、电梯实验和水塔实验。其中，传送带实验由四个状态以及七个触发条件构成，四个状态分别为传送带工件停止、传送带工件运动、机械臂装载、机械臂卸载；七个触发条件分别为阻挡开关开启、阻挡开关关闭、红外检测1、红外检测2、开始装载、装载完成、开始卸载。传送带实验流程可参阅图2：

当传送带开动时工件盘最初未装载工件，当工件盘驶过红外检测1时生产线上的气动阻挡开关会弹出阻挡工件盘继续移动，并且机械臂会抓取工件将其放到工件盘上，当工件安放完毕则收回启动阻挡开关，工件盘继续移动到生产线终点，终点的红外检测2检测到带工件的工件盘后会将工件取下从而完成一个装卸流程。

电梯实验由5个状态以及8个触发条件构成，五个状态分别为：上行中、下行中、上行至i层、下行至i层、储存k；触发条件分别为：按键楼层i高于当前位置、按键楼层i低于当前位置、按键楼层k高于当前位置、按键楼层k低于当前位置、有更高楼层i输入、有更低楼层i输入、无更高楼层按键、无更低楼层按键。电梯实验流程可参阅图3：

对于一个三层电梯一共有7个按钮，当在电梯内外按下某个按钮时会将按钮按下信息传递给控制器；电梯当前所在的楼层信息也会发送给控制器。电梯自身分为上下和下行两种状态，当电梯在上下行状态时，会将自身状态通过串口发出，电梯在上行状态时只会响应在其楼层之上的上行任务，下行任务或在其当前所处楼层之下的上行任务将会被储存，同理在下行时只会响应在其楼层之下的下行任务，上行任务或者在其楼层之上的下行任务将被储存。

水塔实验示意图可参阅图4，由12个状态以及11个触发条件构成，8个状态分别为S1OFF、S2OFF、S3OFF、S4OFF、S1ON、S2ON、S3ON、S4ON、阀门Y开、阀门Y关、电机M开、电机M关；11个状态分别为S1ON、S2ON、S3ON、S4ON、S4OFF、低于下水池低水位、高于下水池低水位、高于下水池高水位、低于下水池高水位、低于水塔低水位、高于水塔高水位，其中S1ON、S2ON、S3ON、S4ON、S4OFF、既是状态也是触发条件。水塔实验流程可参阅图5：

实验有四个传感器分别为图4上的S1-S4，一个进水阀Y一个电机M，当水池水位低于水池低水位界（S4 为 ON 表示），阀 Y 打开进水（Y 为 ON），当水位超过水池低水位界时，S4转为OFF；当水位到水池达高水位界，S3 为 ON，阀 Y 关闭（Y 为 OFF）。当 S4 为 OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时 ，S2 为 ON，电机 M 运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机 M 停止。

在本实施例当中，所述帮助系统平台包括知识图谱模块和问答模块，所述知识图谱模块用以建立知识图谱，所述问答模块用以构建问答平台，所述问答平台根据提问输出答案。

进一步的，所述知识图谱的建立包括：1. 收集PLC实验相关知识和数据，实验数据的搜集采用网络爬虫以及相关书籍查询的方式进行；2. 相关知识数据清洗和处理，由于PLC实验相关数据的数据量不大因此使用人工方式手动处理数据,并建立包含实体知识与知识关系的逗号分隔值（.csv）文件；3. 知识图谱图建立，知识图谱的建立使用neo4j图数据库，使用Python脚本编程将之前建立的逗号分隔值（.csv）文件导入neo4j图数据库，并用脚本设置知识实体和知识关系之间的联系。

更进一步的，所述问答平台的构建：问句实体提取、问句分类、查询语句转换以及知识图谱答案获取。其中，问句中实体提取：使用AC自动机算法，给定一个带匹配的字符串string，给定一个字典dictionary，dictionary中有多个字符串{ str1,str2, str3 … }通过多模匹配得到string字符串中出现了dictionary的哪些字符，且这些字符出现在了string中的哪个位置。问句分类：使用分类器对问题的特征向量进行分类，将问题归为某类问题（分类器使用Python脚本写得）。查询语句转换：输入的问句需要经过处理让自然语句变为Cypher语句才能在neo4j数据库中进行查询，因此需要用Python写查询语句转换脚本。知识图谱答案获取：自然语句转换为Cypher语句之后将语句传给neo4j数据库，对数据库的答案进行匹配，如果有符合要求答案则输出。

一种基于半实物仿真的实验教学方法，采用上述基于半实物仿真的实验教学系统实现，该方法包括如下步骤：

S1：虚拟实验平台通过3D建模以及数学建模的方式进行半实物仿真实验；

S2：通过帮助系统平台进行人机交互，输出问题答案，完成实验教学。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明解决了传统实验中实验设备不足，设备维护困难等问题，同时解决了纯虚拟仿真覆盖范围不够全面的问题，为实验教学提供一条新思路。同时针对实验开放的帮助系统能够让使用者在没有教师和专业人员指导下凭借帮助系统完成实验极大提高了教学效率节约了教学资源。

本发明的被控对象均为虚拟实验设备成本低廉且能达到与真实实验设备相同效果，同时半实物仿真技术能够使用真实控制器来完成对虚拟设备的控制，延伸了虚拟仿真技术的辐射半径，针对本实验平台的帮助系统能辅助教师完成教学，减轻教师教学压力，并且系统采用Unity引擎开发对于设备兼容性高，对计算机硬件要求较低，极大节约成本。

需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。