導(dǎo)語：虛擬仿真實驗平臺對實踐教學(xué)的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著我國教育水平的不斷提高，高校更加重視對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，進一步推進虛擬仿真與實驗教學(xué)的結(jié)合。虛擬仿真與真實設(shè)備混合的“翻轉(zhuǎn)課堂”實驗教學(xué)新模式正是在此大背景下產(chǎn)生的。光伏微電網(wǎng)數(shù)字孿生虛擬仿真實驗教學(xué)平臺搭建起虛擬仿真與實物實驗的橋梁，此平臺的創(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)；實驗教學(xué)平臺

實驗實踐教學(xué)是高校培養(yǎng)學(xué)生實驗、實踐和創(chuàng)新能力的重要平臺，是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的必備過程[1]。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，智能型儀器儀表得到廣泛應(yīng)用，對相關(guān)領(lǐng)域的人才提出了更高的要求[2-3]。然而在教學(xué)實踐過程中存在一些問題，例如，有些儀器危險性高、占地面積大，不允許缺乏實際經(jīng)驗的學(xué)生進行建設(shè)、安裝、調(diào)試和測試等操作[4-6]；或者只有虛擬仿真實驗平臺，無真實的設(shè)備與之對照，使得學(xué)生不能體驗真實的交互過程[7]；部分學(xué)校實驗場地資源緊缺，無法滿足學(xué)生多人同時進行實驗的要求[8]。學(xué)生的實操能力無法得到充分的鍛煉，理論學(xué)習(xí)與實際操作嚴重脫節(jié)。為了進一步促進實驗教學(xué)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，面向電氣工程及自動化、新能源等專業(yè)，提出一種虛擬仿真與真實設(shè)備混合的“翻轉(zhuǎn)課堂”實驗教學(xué)新模式，開發(fā)了光伏微電網(wǎng)運行過程的數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺。該平臺采用虛擬仿真、虛實結(jié)合的手段使學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)的方式理解并掌握光伏微電網(wǎng)從建設(shè)、測試到優(yōu)化的全過程。

1數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺的多樣化教學(xué)方法

數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺采用線上教學(xué)與現(xiàn)場教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實物實驗相結(jié)合、講與練相結(jié)合、理論與實踐相結(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，同時提高分析問題、解決問題的能力及動手能力[9-10]。本實驗平臺既可以做純虛擬仿真實驗，也可以做純實物實驗，還可以做虛實結(jié)合的實驗。純虛擬仿真實驗，如圖1所示。純虛擬仿真實驗針對沒有真實實驗設(shè)備的學(xué)校及社會群體，參與者可通過實驗平臺的仿真環(huán)境，掌握光伏微電網(wǎng)建設(shè)方法、測試技術(shù)和最大功率點跟蹤控制優(yōu)化方法。純實物實驗，如圖2所示。利用實驗室現(xiàn)有的設(shè)備開展實驗，學(xué)生通過實驗可直接掌握光伏微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及測試方式?；谔搶嵔Y(jié)合的數(shù)字孿生實驗，如圖3所示。采用虛實結(jié)合方式，也稱為半實物虛擬仿真[11]。該實驗借助實驗室現(xiàn)有的光伏微電網(wǎng)實驗設(shè)備開展實驗，讓學(xué)生掌握光伏微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及測試方式；再通過物聯(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)生可通過網(wǎng)上實驗平臺掌握光伏微電網(wǎng)設(shè)計方法、測試技術(shù)和最大功率點跟蹤控制優(yōu)化方法，最后通過真實設(shè)備驗證實驗結(jié)果。

2數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺的基本架構(gòu)

所提出的數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺包含兩個主要組成部分：微型電力系統(tǒng)和云服務(wù)平臺。微型電力系統(tǒng)包括模擬電網(wǎng)和獨立發(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，模擬市電運行。獨立發(fā)電系統(tǒng)采集太陽能電池板直流輸出時的電壓電流數(shù)據(jù)發(fā)送給DC/DC控制器，通過最大功率跟蹤器來控制電流的輸出，并進行輸出能量并網(wǎng)。云服務(wù)平臺通過互聯(lián)網(wǎng)云計算平臺構(gòu)建，在原有云服務(wù)平臺基礎(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，會發(fā)送相應(yīng)的警報給管理員，從而將損失降低到最小。云服務(wù)平臺擁有自主開發(fā)的智慧能源管理軟件和智慧教育軟件，可以遠程操控該智慧型教學(xué)用儀器儀表進行相應(yīng)的實驗并采集實驗數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)遠程終端工作模式選擇和電力系統(tǒng)運維管理及數(shù)據(jù)采集、存儲、大數(shù)據(jù)分析等，具有強大的遠程調(diào)度、監(jiān)視、控制與故障診斷功能?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)的物理實驗臺與基于云服務(wù)架構(gòu)的仿真實驗臺，形成了一對可同步運行的數(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，智慧能源管理軟件可以從云平臺下載數(shù)據(jù)并對其進行分析和顯示；另一方面，用戶可以在智慧能源管理軟件中遠程控制微型電力系統(tǒng)。

3新平臺的實驗教學(xué)案例與分析

3.1教學(xué)實驗準備內(nèi)容

首先，打開光伏電站教學(xué)儀器的設(shè)備總開關(guān)、儲電系統(tǒng)開關(guān)、傳感器開關(guān)和直流負載開關(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，這時可從軟件學(xué)習(xí)平臺上觀察實時數(shù)據(jù)是否顯示正常，如不正常，需檢查設(shè)備是否正常開啟并運行、網(wǎng)絡(luò)連接是否正常。在室內(nèi)實驗時，需要使用一盞可調(diào)節(jié)PHILIP鹵素?zé)裟M太陽光源，調(diào)節(jié)輻照度值，輻照度可由儀器上的輻照度傳感器測得。同時，需要注意實驗的安全性和可行性。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，打開實驗平臺軟件后需測試通信是否正常。

3.2面向人工智能課程的教學(xué)案例

以支持向量機分類和密度聚類分析為例展示教學(xué)實驗內(nèi)容。通過光伏電站教學(xué)儀器模擬不同的運行情況，并分別采用基于支持向量機的分類方法和基于密度的聚類方法來識別運行狀態(tài)，可幫助學(xué)生學(xué)習(xí)分類和聚類的方法，并評價密度分類和聚類的性能，加深學(xué)生對分類和聚類方法的理解。在進行支持向量機分類實驗的時候，設(shè)置兩種儀器運行情況，即：正常運行與陰影遮擋。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進行模擬。本實驗提供了兩種得到實驗數(shù)據(jù)集的方法：一種是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自帶的數(shù)據(jù)集，另一種是通過現(xiàn)場實驗檢測采集。在每類運行狀況和光照強度下，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)集隨機地劃分為兩個子集：40組數(shù)據(jù)樣本為訓(xùn)練集和10組數(shù)據(jù)樣本為測試集。圖5提供了一種數(shù)據(jù)格式實例。本實驗一共有8種輻照度的實驗環(huán)境和兩類運行情況，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)化目標函數(shù)。迭代優(yōu)化終止后，整個訓(xùn)練過程結(jié)束，就可以采用訓(xùn)練好的SVM模型對測試集進行分類，最后統(tǒng)計分類結(jié)果及兩類測試數(shù)據(jù)的正確率。在進行密度聚類分析實驗的過程中，需設(shè)置四種運行狀況：正常運行、斷路、陰影遮擋和局部陰影遮擋。將連接電池板的電線斷開來模擬斷路狀況，將一塊不透光的黑布覆蓋在光伏電池板上來模擬陰影遮擋狀況，將樹葉覆蓋在光伏電池片上來模擬局部陰影遮擋狀況。同樣的，本實驗可利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)集，也可通過現(xiàn)場實驗檢測得到數(shù)據(jù)集。在每類運行狀況和光照強度下，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)集隨機地劃分為兩個子集：40組數(shù)據(jù)樣本為訓(xùn)練集和10組數(shù)據(jù)樣本為測試集。8種光照強度的實驗環(huán)境和兩類運行情況下，數(shù)據(jù)集為8×4×50=1600(組)，其中包括1280組訓(xùn)練集和320組測試集。假定在未知標簽的情況下對1600組樣本數(shù)據(jù)進行聚類分析，預(yù)先設(shè)定聚類族的個數(shù)、學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，然后開始對樣本數(shù)據(jù)進行聚類分析。最后，比較聚類結(jié)果與標簽結(jié)果的差異，并分析原因。

3.3翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)效果分析

運用此數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺實現(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行理論知識的學(xué)習(xí)和實踐，但易受場地和時間的影響，較為不便，而通過本實驗平臺，學(xué)生不僅可在課堂上做實驗，還可以利用課余時間在線上進行實驗的回顧和仿真，學(xué)習(xí)不懂的知識點，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)生沒有親自進行理論知識的實踐，對知識掌握不夠牢固，而運用本實驗平臺學(xué)生不僅可以在線上學(xué)習(xí)理論知識，還可進行“遠程實境”實驗，真實性相對較高。第三，本實驗平臺可利用“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)生由被動學(xué)習(xí)者變?yōu)橹鲃忧笾?，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驗相比，該實驗平臺運用數(shù)字孿生技術(shù)可將虛擬仿真實驗操作結(jié)果傳回真實光伏微電網(wǎng)實驗教學(xué)設(shè)備，現(xiàn)場實時驗證學(xué)生實驗結(jié)果，所獲得的數(shù)據(jù)具有多維耦合、復(fù)雜度高、代表性強等特點。該項目能夠解決原有實訓(xùn)臺占用物理空間大、危險性高、學(xué)生無法現(xiàn)場實驗等難題，僅在線上就能大幅度擴展實驗教學(xué)內(nèi)容，虛實結(jié)合的教學(xué)模式可以大大增強實驗教學(xué)效果，提高學(xué)生的綜合實踐與創(chuàng)新能力。

4結(jié)語

數(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺將虛擬仿真技術(shù)與實踐教學(xué)相結(jié)合，從教學(xué)中的重點和難點出發(fā)進行有關(guān)光伏虛擬仿真教學(xué)項目的開發(fā)和設(shè)計，既可以較好地拓展實踐教學(xué)的內(nèi)容，也可以讓學(xué)生突破現(xiàn)實教學(xué)中時空的限制，做到成本低、無污染的科學(xué)知識的傳遞，達到提高實踐教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和解決問題能力的良好效果。在新工科建設(shè)方面，本項目所研究的虛擬仿真實驗平臺可將線上教學(xué)與現(xiàn)場教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與實物實驗相結(jié)合，實現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，為市場培養(yǎng)輸送大量新時代人才，滿足電力與新能源領(lǐng)域人才市場需求，實現(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)對了新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，推動了新工科、智慧教育的建設(shè)和發(fā)展。

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