導(dǎo)語(yǔ)：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著我國(guó)教育水平的不斷提高，高校更加重視對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，進(jìn)一步推進(jìn)虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合。虛擬仿真與真實(shí)設(shè)備混合的“翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式正是在此大背景下產(chǎn)生的。光伏微電網(wǎng)數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建起虛擬仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的橋梁，此平臺(tái)的創(chuàng)建和推廣將在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力等方面發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；虛擬仿真；光伏微電網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的重要平臺(tái)，是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的必備過(guò)程[1]。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，智能型儀器儀表得到廣泛應(yīng)用，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的人才提出了更高的要求[2-3]。然而在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在一些問(wèn)題，例如，有些儀器危險(xiǎn)性高、占地面積大，不允許缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行建設(shè)、安裝、調(diào)試和測(cè)試等操作[4-6]；或者只有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)真實(shí)的設(shè)備與之對(duì)照，使得學(xué)生不能體驗(yàn)真實(shí)的交互過(guò)程[7]；部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地資源緊缺，無(wú)法滿足學(xué)生多人同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求[8]。學(xué)生的實(shí)操能力無(wú)法得到充分的鍛煉，理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作嚴(yán)重脫節(jié)。為了進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，面向電氣工程及自動(dòng)化、新能源等專業(yè)，提出一種虛擬仿真與真實(shí)設(shè)備混合的“翻轉(zhuǎn)課堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，開(kāi)發(fā)了光伏微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程的數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用虛擬仿真、虛實(shí)結(jié)合的手段使學(xué)生通過(guò)在線學(xué)習(xí)的方式理解并掌握光伏微電網(wǎng)從建設(shè)、測(cè)試到優(yōu)化的全過(guò)程。

1數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的多樣化教學(xué)方法

數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用線上教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、講與練相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法。此方法能使學(xué)生真正理解和掌握所學(xué)知識(shí)，同時(shí)提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及動(dòng)手能力[9-10]。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以做純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，也可以做純實(shí)物實(shí)驗(yàn)，還可以做虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)沒(méi)有真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)校及社會(huì)群體，參與者可通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的仿真環(huán)境，掌握光伏微電網(wǎng)建設(shè)方法、測(cè)試技術(shù)和最大功率點(diǎn)跟蹤控制優(yōu)化方法。純實(shí)物實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可直接掌握光伏微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及測(cè)試方式?；谔搶?shí)結(jié)合的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。采用虛實(shí)結(jié)合方式，也稱為半實(shí)物虛擬仿真[11]。該實(shí)驗(yàn)借助實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光伏微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握光伏微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及測(cè)試方式；再通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等技術(shù)，將光伏微電網(wǎng)模型映射至網(wǎng)絡(luò)空間，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)掌握光伏微電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法、測(cè)試技術(shù)和最大功率點(diǎn)跟蹤控制優(yōu)化方法，最后通過(guò)真實(shí)設(shè)備驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本架構(gòu)

所提出的數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含兩個(gè)主要組成部分：微型電力系統(tǒng)和云服務(wù)平臺(tái)。微型電力系統(tǒng)包括模擬電網(wǎng)和獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)兩部分，如圖4所示。模擬電網(wǎng)主要利用蓄電池產(chǎn)生220V/50Hz交流電，模擬市電運(yùn)行。獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)采集太陽(yáng)能電池板直流輸出時(shí)的電壓電流數(shù)據(jù)發(fā)送給DC/DC控制器，通過(guò)最大功率跟蹤器來(lái)控制電流的輸出，并進(jìn)行輸出能量并網(wǎng)。云服務(wù)平臺(tái)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建，在原有云服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)置自主判斷故障及電力系統(tǒng)監(jiān)視、控制與決策等智能化的功能。其本身也搭載了智慧報(bào)警系統(tǒng)，在其發(fā)現(xiàn)某些需人為操作才能解決的故障時(shí)，會(huì)發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)給管理員，從而將損失降低到最小。云服務(wù)平臺(tái)擁有自主開(kāi)發(fā)的智慧能源管理軟件和智慧教育軟件，可以遠(yuǎn)程操控該智慧型教學(xué)用儀器儀表進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程終端工作模式選擇和電力系統(tǒng)運(yùn)維管理及數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等，具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程調(diào)度、監(jiān)視、控制與故障診斷功能?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)的物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)與基于云服務(wù)架構(gòu)的仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)，形成了一對(duì)可同步運(yùn)行的數(shù)字孿生體。一方面，微型電力系統(tǒng)將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，智慧能源管理軟件可以從云平臺(tái)下載數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析和顯示；另一方面，用戶可以在智慧能源管理軟件中遠(yuǎn)程控制微型電力系統(tǒng)。

3新平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例與分析

3.1教學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容

首先，打開(kāi)光伏電站教學(xué)儀器的設(shè)備總開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、傳感器開(kāi)關(guān)和直流負(fù)載開(kāi)關(guān)；然后，選擇一種光伏陣列結(jié)構(gòu)使CPES光伏電站教學(xué)儀器正常工作，這時(shí)可從軟件學(xué)習(xí)平臺(tái)上觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否顯示正常，如不正常，需檢查設(shè)備是否正常開(kāi)啟并運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要使用一盞可調(diào)節(jié)PHILIP鹵素?zé)裟M太陽(yáng)光源，調(diào)節(jié)輻照度值，輻照度可由儀器上的輻照度傳感器測(cè)得。同時(shí)，需要注意實(shí)驗(yàn)的安全性和可行性。例如，操作人員需要按照規(guī)定操作設(shè)備，禁止觸碰內(nèi)部高壓器件，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件后需測(cè)試通信是否正常。

3.2面向人工智能課程的教學(xué)案例

以支持向量機(jī)分類和密度聚類分析為例展示教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)光伏電站教學(xué)儀器模擬不同的運(yùn)行情況，并分別采用基于支持向量機(jī)的分類方法和基于密度的聚類方法來(lái)識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)，可幫助學(xué)生學(xué)習(xí)分類和聚類的方法，并評(píng)價(jià)密度分類和聚類的性能，加深學(xué)生對(duì)分類和聚類方法的理解。在進(jìn)行支持向量機(jī)分類實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，設(shè)置兩種儀器運(yùn)行情況，即：正常運(yùn)行與陰影遮擋。陰影遮擋情況是將一塊不透光的黑布覆蓋在光伏電池板上來(lái)進(jìn)行模擬。本實(shí)驗(yàn)提供了兩種得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的方法：一種是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)自帶的數(shù)據(jù)集，另一種是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)采集。在每類運(yùn)行狀況和光照強(qiáng)度下，連續(xù)采樣50次離散數(shù)據(jù)，得到50組數(shù)據(jù)集。將50組數(shù)據(jù)集隨機(jī)地劃分為兩個(gè)子集：40組數(shù)據(jù)樣本為訓(xùn)練集和10組數(shù)據(jù)樣本為測(cè)試集。圖5提供了一種數(shù)據(jù)格式實(shí)例。本實(shí)驗(yàn)一共有8種輻照度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和兩類運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)集為8×2×50=800(組)，其中包括640組訓(xùn)練集和160組測(cè)試集。根據(jù)數(shù)據(jù)集，確定學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，采用梯度下降法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。迭代優(yōu)化終止后，整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程結(jié)束，就可以采用訓(xùn)練好的SVM模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行分類，最后統(tǒng)計(jì)分類結(jié)果及兩類測(cè)試數(shù)據(jù)的正確率。在進(jìn)行密度聚類分析實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，需設(shè)置四種運(yùn)行狀況：正常運(yùn)行、斷路、陰影遮擋和局部陰影遮擋。將連接電池板的電線斷開(kāi)來(lái)模擬斷路狀況，將一塊不透光的黑布覆蓋在光伏電池板上來(lái)模擬陰影遮擋狀況，將樹(shù)葉覆蓋在光伏電池片上來(lái)模擬局部陰影遮擋狀況。同樣的，本實(shí)驗(yàn)可利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù)集，也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到數(shù)據(jù)集。在每類運(yùn)行狀況和光照強(qiáng)度下，連續(xù)采樣50次離散數(shù)據(jù)，得到50組數(shù)據(jù)集。將50組數(shù)據(jù)集隨機(jī)地劃分為兩個(gè)子集：40組數(shù)據(jù)樣本為訓(xùn)練集和10組數(shù)據(jù)樣本為測(cè)試集。8種光照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和兩類運(yùn)行情況下，數(shù)據(jù)集為8×4×50=1600(組)，其中包括1280組訓(xùn)練集和320組測(cè)試集。假定在未知標(biāo)簽的情況下對(duì)1600組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，預(yù)先設(shè)定聚類族的個(gè)數(shù)、學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，然后開(kāi)始對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。最后，比較聚類結(jié)果與標(biāo)簽結(jié)果的差異，并分析原因。

3.3翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

運(yùn)用此數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，其具有諸多優(yōu)越性。第一，原有線下教學(xué)模式雖然可在課堂上進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，但易受場(chǎng)地和時(shí)間的影響，較為不便，而通過(guò)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生不僅可在課堂上做實(shí)驗(yàn)，還可以利用課余時(shí)間在線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的回顧和仿真，學(xué)習(xí)不懂的知識(shí)點(diǎn)，具有較大的靈活性。第二，普通線上教學(xué)模式雖然可避免環(huán)境因素的影響，但由于學(xué)生沒(méi)有親自進(jìn)行理論知識(shí)的實(shí)踐，對(duì)知識(shí)掌握不夠牢固，而運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生不僅可以在線上學(xué)習(xí)理論知識(shí)，還可進(jìn)行“遠(yuǎn)程實(shí)境”實(shí)驗(yàn)，真實(shí)性相對(duì)較高。第三，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可利用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，將線上線下相結(jié)合，改變填鴨式教學(xué)的弊端，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)橹鲃?dòng)求知者，逐漸成為學(xué)習(xí)的主角，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。與原有光伏虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)可將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果傳回真實(shí)光伏微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)驗(yàn)證學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所獲得的數(shù)據(jù)具有多維耦合、復(fù)雜度高、代表性強(qiáng)等特點(diǎn)。該項(xiàng)目能夠解決原有實(shí)訓(xùn)臺(tái)占用物理空間大、危險(xiǎn)性高、學(xué)生無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等難題，僅在線上就能大幅度擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式可以大大增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

4結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，從教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行有關(guān)光伏虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，既可以較好地拓展實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，也可以讓學(xué)生突破現(xiàn)實(shí)教學(xué)中時(shí)空的限制，做到成本低、無(wú)污染的科學(xué)知識(shí)的傳遞，達(dá)到提高實(shí)踐教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和解決問(wèn)題能力的良好效果。在新工科建設(shè)方面，本項(xiàng)目所研究的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可將線上教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，為市場(chǎng)培養(yǎng)輸送大量新時(shí)代人才，滿足電力與新能源領(lǐng)域人才市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，應(yīng)對(duì)了新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，推動(dòng)了新工科、智慧教育的建設(shè)和發(fā)展。

作者：劉光宇 朱凌 俞瑋捷 呂強(qiáng) 俞武嘉 單位：杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)信息管理與人工智能學(xué)院