解宁，张卫清，阎知知

武汉军械士官学校，湖北武汉430075

 

摘要：本文针对目前计算机硬件维修虚拟实验室较为缺乏，教学需求量大的情况，在对计算机硬件维修的虚拟实验流程及相关技术进行探讨的基础上，提出了建立计算机硬件维修虚拟实验室的设计思想与实现方案，并基于计算机网络、数据库、三维建模、虚拟仿真等诸多技术实现了“计算机硬件维护维修”课程仿真教学系统，对相关课程的教学实验环节具有实际意义。

关键词：计算机仿真  虚拟维修  三维建模

 

计算机设备使用和操作过程中，难免产生故障，《计算机硬件维护维修》是一门理论与实践紧密结合的计算机专业基础课程。该课程的实验部分比重较大，而计算机硬件维修实验教学大都需采用专用设备作为实验平台，成本高，功能受硬件配置限制，操作不便且设备易损坏。所以传统的实验教学环节多为演示性、验证性的实验讲解居多，学员在学习过程中缺乏实际动手机会且互动较少，更无法充分了解计算机设备内部工作原理。

虚拟维修训练是虚拟现实在计算机硬件维修领域的一个重要应用方面【1】，是一种重要实验教学资源。计算机硬件虚拟维修实验室对于计算机硬件维护维修课程的实验教学方式和手段的改革有着重要作用。根据计算机硬件维护维修课程特点与要求，通过抽象元器件、部件数据模型和案例收集、分析，建立虚拟元器件数据库和案例库；采用基于C/S的通信结构和虚拟仿真开发引擎，设计和实现 “计算机硬件维护维修”课程的仿真教学平台。 

 

1. 系统架构

主要包括“理论学习”、“模拟训练”、“虚拟考试”、以及“案例库”四大功能模块。“理论学习”模块包括近200分钟的动画演示内容；“模拟训练”和“虚拟考试”模块包括数十个设备级数据模型和千余步仿真交换动作；“案例库”精选了数十个典型案例（用户可自行添加），内容非常丰富。本系统理论学习模块形象直观，模拟训练考试模块具有趣味性，达到了不使用实物就能迅速掌握计算机硬件维修相关知识及训练内容的目的。

通信结构为C/S结构【2】，服务器端的待选方式有IIS/HTTP、IOCP、multiThread三种方式。其中IIS/HTTP方案通信较为规范稳定，但通信量较大，为建立人员信息管理平台，需要一个服务器和一个信息管理平台，对服务器可视性不好；IOCP是事件并发模型，可以做到单台服务器的数千级并发响应。故在本项目最终确定分组十组，每组5人操作的规模条件下，选择应用multiThread方式，为每个客户创建线程，就当前计算机的运算速度，同时存在50个左右的线程完全可以接受。

 

2. 实施方案

① 客户端

采用UNITY3D实现所有三维【3】，二维的实现根据项目后续更新不多的情况采用FAT客户机的模式，不需要再从其他地方下载资源。优点：开发中减少了很多打包环节；缺点：对后续的更新带来不便。

② 服务端

UNITY3D主要采用C#开发，所以为了获得更好的一致性，也采用了.NET SOCKET套接字，考虑到客户端的规模，放弃了效率更高的C++，主体通信采用了TCP/IP协议。

③ 服务器

服务器对所有的设置参数及消息都只进行转发，不作任何处理。对人员关键信息作登记。因为每个用户都有一组标识，与地址无关，所以不管人员身处何地，只要能连通就能参与训练。

④ 数据库

没有采用SQL SERVER，而是应用了使用较普遍的MICROSOFT ACCESS，方便以后部署。

 

3. 典型设计环节

① 仿真设计

系统的虚拟仿真部分采用外协的方式进行开发。虚拟仿真子系统采用美国军方虚拟现实开发平台VTree SDK为虚拟仿真开发引擎【4】，以Visual C++为开发环境进行开发。采用3DMAX软件开发仿真元器件和部件模型；利用Creator 2.6软件进行多边形优化，增强仿真模型的细腻真实程度；采用VTree实时三维图形引擎对仿真数据进行实时解算，实现数据驱动的实时仿真，提高了仿真沉浸感。同时系统可在异构网络中完成仿真数据交换，实现了简单的分布式实时仿真；通过调用VTree SDK的立体投影功能，综合实现了虚拟仿真子系统的所需功能。

② 人机交互功能设计

为提高学员的实际体验效果，采用人物动画，在各个环节对操作困难的学员给予提示，并可对学员实际操作过程进行自动评分。

客户端三维是依据真实设备而制作的三维模型，设置界面是拍摄真实设备而制作的不同部件画面，在程序控制下完成模拟，学员可以进入一个和真实硬件设备维修场所较为相似的漫游环境，真正体验到与实物操作仿真度较高的维修过程。

管理人员在服务端可以监控学员的操作情况、记录登录日志和操作训练评分、方便快捷地修改学员信息、允许或限制某个学员参与训练，分配不同类型的计算机设备给不同学员等。

系统的理论学习部分采用FLASH实现所有的图示部分，语音集成可以在进入仿真训练之前对待修设备进行图文并茂的讲解，这样可使学员对系统中计算机硬件设备的理论及维修等知识具备全面的学习功能。

 

4. 结论

本文主要对计算机硬件维修的虚拟实验流程及相关实现技术进行了探讨，并基于计算机网络、数据库、三维建模、虚拟仿真等诸多技术实现了“计算机硬件维护维修”课程仿真教学系统，该系统的建立为计算机硬件虚拟维修的应用发展提供了一定的理论和实际作用。

参考文献

1. 马麟，吕川. 虚拟维修技术的探讨. 计算机辅助设计与图形学学报[J]，2005，第12期：2729-2733.

2. 夏碧瑜，刘光昌. 基于C/S结构的课程管理系统的设计与实现[J]. 计算机工程与设计，2005，第6期：1623-1625.

3. 郭芮，蒋明，郑劼恒，等. 基于Unity3D的加油车虚拟训练系统设计[J]. 机械科学与技术，2014，第03期：84-87.

4. 李小平，张凌，朱孝政，等. 基于Vtree的某仿真模拟器技术的探讨[J]. 弹箭与制导学报，2006，第03期：222-224.