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摘要为了丰富综合布线课程资源，提高实训室的使用效率，降低实训成本，使得学生能够在生动形象的虚拟环境中学习，本文设计了虚拟仿真综合布线教学系统。该系统分为机房布线和建筑群布线2个系统和10个子系统，采用虚拟现实技术开发，综合运用Unity的交互功能、3DSMax建模、Photoshop图片处理等软件技术。系统的使用减少了器材损耗，降低了实训风险，提高了学生的学习效率和学习兴趣，有效提升了课堂教学效果。
关键词交互功能；综合布线；仿真教学系统
1引言
虚拟现实技术(VirtualReality，VR)，产生于20世纪80年代，最初主要用于对宇航员和飞行员的培训中，然后逐渐在教育、医疗、商业等领域得到普及。VR技术能够运用计算机的软硬件技术营造出与现实实验环境相仿的情境，使用户可以身临其境般地进入情境中。近年来，VR技术在教育领域得到了蓬勃的应用和发展。由VR技术实现的教学情境，为教育教学提供了一个全新的授课方式。Unity是实时3D互动内容创作和运营平台。借助Unity可以将包括游戏开发、美术、建筑、影视在内的所有创意变为现实。Unity平台具有强大的交互功能，能够和数据库连接，可以跨平台操作。本文利用Unity的虚拟仿真技术设计开发计算机网络综合布线教学系统。该系统包含了综合布线的所有实训项目。学生能够通过本系统直观地体验和了解实训内容，增加了实践机会，使枯燥的动手操作变得生动有趣，加深了对知识的记忆，提高了学生自主学习的能力。
2综合布线实训现状
由于网络综合布线实训室需要花费很大费用成套购入厂家的硬件和软件，而且后期还要不断地投入耗材，因此有的高职学校因缺乏相应的实训设施而采用减少学生的动手操作，增加理论课学时，或者通过视频教学。这样学生无法直接动手操作，使得理论与实践脱节，极大地影响了教学效果[1]。对于有实训设施的学校，也存在以下问题：有的学生不认真观看教师的演示，导致实际操作中频繁出错，浪费材料，损坏设备，甚至出现安全隐患。基于虚拟仿真的综合布线教学系统能够解决学校缺少实训室的问题，使学生能够身临其境地进入虚拟的网络布线环境，利用虚拟手段设计布线路由、设备端接、网线连接、光纤熔接等。对于有实训室的学校，该系统以其生动形象的虚拟环境，能够极大地提升学生的学习兴趣，减少实验材料的浪费，提高实训室的使用效率。
3系统总体结构设计
根据综合布线实训课程的要求，虚拟仿真综合布线教学系统分为机房布线系统和建筑群布线系统两部分，见图1。其中，机房布线系统包括：主配线区，水平配线区，区域配线区，设备配线区[2]。建筑物群布线系统包括：工作区子系统，水平子系统，垂直主干线子系统，管理间子系统，设备间子系统，建筑群子系统[3]。机房布线系统可以实训线路端接、路由交换机、机柜机架的安装等。其中主配线区是机房综合布线的中心配线点，里面主要是一些网络设备，如路由器、交换机、防火墙等。水平配线区主要应用于机柜较多的机房，以减少主配线区的压力，主要有水平配线设备、交换机等。区域配线区主要应用于机器设备较多的大型机房中，将控制维修区域从机房区域中独立出来，在该区域对机房区域进行控制和管理。设备配线区用于为PC（PersonalComputer）终端、服务区等设备提供链路连接[2]。建筑群布线系统中的工作区子系统又称服务区子系统，主要实训跳线和信息插座等终端设备的安装。水平子系统又称配线子系统，由工作区信息插座模块、水平电缆、配线设备等组成，主要实训连接缆线、配线架、跳线等。垂直子系统又称干线子系统，连接管理间子系统到设备间子系统，实现主配线架和中间配线架，主要实训布线施工和安装布线设备。管理间子系统也称配线间、电线间，主要实训安装配线架、楼层机柜、交换机，是连接配线子系统和干线子系统的设备。设备间子系统也称网络中心或机房，实现网络管理和信息交换功能，主要熟练安装网络设备，包括路由器、防火墙、建筑群交换机等。建筑群子系统又称楼宇层子系统，主要实训线缆，端接设备和电气保护装置[4]。根据锦州师范高等专科学校实际情况，系统主要的功能模块如图2所示。各个模块的主要功能有：（1）安装配线架：在机柜中固定配线架，整理线缆。（2）安装信息面板：信息模块的端接，线序标准。（3）安装网络：面板、安装盒及信息插座之间使用，主要是墙体内安装，线序标准。（4）安装接线底盒：信息点安装位置，底盒安装，模块安装，面板安装。（5）安装网络交换机：安装支架，固定在机柜中，连接线路。（6）安装机柜：组装机柜，安装位置，机内接线，接线端子标识。（7）网络模块端接：剥线，线序标准，制作RJ45水晶头，端接网络模块。（8）语音模块端接：大对数电缆，剥除外护套，鸭嘴跳线，标记线序。（9）网络配线架端接：安装理线架，整理线缆，端接线缆，粘贴标签。（10）语音配线架端接：大对数电缆端接语音配线架上，理线规范。（11）网络语音线缆敷设：网络机柜安装，光纤接线，安装交换机，电话外线端接。（12）管线管槽安装：根据图纸要求，安装金属槽、PVC线槽/线管，对各布线路由预定位。
4仿真教学系统的开发
系统开发平台主要使用的应用软件有：Unity3D、3DSMax、Photoshop和Flash等软件。Unity3D作为一款可以横跨多个平台的游戏开发引擎，交互功能特别强大，可以创建实时三维动画、可视化建筑、三维视频动画游戏等互动型游戏。另外Unity主要采用C#和JavaScript作为脚本语言，能够发布到的平台系统有Windows、Mac、Wii、Android、IOS或OSX，也可以利用Unitywebplayer插件将作品发布到Web服务器端，而且只要稍加改动，就可以发布到不同平台，不必重新开发，因此特别适合用于开发虚拟仿真的综合布线教学系统。系统开发的系统软件和硬件条件主要有：操作系统采用MicrosoftWindows系列的64位操作系统(现在基本上都是Win10系统)；中央处理器CPU采用IntelCorei7四核处理器或以上的或性能相当的AMD--A12处理器；内存至少16G以上；显卡缓存4GB并支持DirectX10及ShaderModel；视频显示21寸或以上，2K以上，1920X1200真彩色显示。由于虚拟环境模仿的是现场环境，因此需要根据每个实训项目的具体内容，采集现场设备的图像、声音等素材来制作虚拟环境中的模型和纹理贴图。使用三维工具3DSMax进行场景搭建和模型制作，以及动画的制作，用Photoshop软件处理贴图，导入Unity软件，创建图形用户界面，进行交互设计与实现，并编写交互脚本代码。最后在计算机端或手机端上发布。开发流程见图3。系统的开发有利于提升学生的自主学习能力[5]。
4.1系统设计
综合布线实训涉及的模型和贴图资源较多。为了满足交互式实训的需要，制作虚拟环境中的模型时，要准确测量模型及场地尺寸，以保证模型的准确性，拍摄多角度图片，最后用Photoshop合成。虚拟仿真系统中的模型均为多边形建模，包括布线实训室场景漫游、各种器材设备。其中器材和设备的形状结构差异很大，可以适当降低模型精度，采用贴图加光照再渲染的方法，可以加快系统的运行效率。模型制作完成后还需要为模型绘制贴图并展开UV（水平方向是U，垂直方向是V，这里是指u、v纹理贴图坐标的简称），以便还原模型的颜色和质感。Unity中的贴图仅支持标准材质和多维子对象材质。贴图类型仅支持位图、JPG及带通道的TGA贴图[6]。
4.2系统交互功能的实现
交互功能是虚拟仿真教学系统的关键，使用Unity可以实现人机交互，给人一种身临其境的效果。系统通过提供鼠标、键盘、电子头盔、数据手套等虚拟现实设备，使得用户能够和虚拟场景进行交互。实现人机交互要将模型、贴图等美术资源导入Unity，再添加相应的操作交互脚本组件，达到控制游戏对象在虚拟场景的交互行为。现以机房机柜组装和连线为例，演示交互功能是如何实现的。在菜单中选择组装机柜，系统会提供机柜的相关零部件（如机柜的底座、外边框、机柜门、隔板等）。在虚拟机房的相应位置，按照机柜模型点击组装即可。再将系统提供的交换机放到隔板上等待安装连接线。然后添加具有两个方向柱的线槽。根据机房实际情况安装到网线改变走向的地方，点击连线，将交换机的线孔和线槽之间连接线路，再将线槽与终端计算机相连，连接成功后安装标签纸。水晶头的制作、光纤的熔接技术、机柜内部综合布线技术都是实训的小项目。
4.3系统开发过程中的优化
在仿真教学系统设计过程中还需要进行各种优化动作。例如在创建模型时，建模单位设置为m，还要尽量减少模型的面数，对模型进行优化，使教学仿真系统更流畅。在对贴图进行优化时，纹理贴图的长宽比最好是1:1，而且长度的数值最好是2的整数幂，才可以发挥优化策略的最大效用[6]。还需要特别注意的是，模型和贴图都不要使用中文名称，要使用英文名称。在设计界面时，Unity的图形用户界面（GUI）虽然能够安装各种控制按钮，设计者也可以直接使用，但是它们不够稳定，因此设计者可以使用NGUI（Next-GenUIkit）或UGUI（UnityGraphicalUserInterface）作为插件。NGUI需要使用工具手动拼接图片成图集，UGUI开发期间可以直接使用图片作为元素，打包时会自动拼接成图集。NGUI组件比较多，UGUI组件比较少，设计者可以根据Unity版本或设计者的使用熟练程度选择不同的插件。对界面优化时，要将贴图的读写选项禁用，否则将导致大量的内存被占用。在系统中，UI模块占据着非常大的比重，UI元素越多，其消耗越大。NGUI默认的每个元素的锚点更新模式为每帧更新(onupdate)。这样越多的UI元素，则其uirect.update的开销越大。为了减少uirect.update的开销，提升fps，可以使用UnityNGUI控件锚点更新模式优化方法和设置，来修改UI控件的锚点更新模式[8]。仿真系统需要调用大量脚本。Unity优化脚本设计方法有：在编写代码时，减少代码浪费或结构性差的问题；减少对其他代码进行不必要的大量调用，以减少CPU的开销；避免代码在不需要调用它的时候依然被调用；尽量将代码移除循环；只有情况发生改变时才调用代码；每隔X帧执行代码；使用正确的数据结构；减少垃圾回收的影响；有效地使用对象池；减少调用昂贵的UnityAPI。最后值得注意的是，解决脚本性能问题最有效的方法不是使用高级技术而是删除不需要的代码。
4.4系统的测试与发布
虚拟仿真教学系统针对综合布线实训教学大纲，对每一章节的实训项目都进行了相应的虚拟仿真设计，学生可以选择任何章节进行学习和操作。本系统主要包括四种模式：演示模式、指导操作模式、独立操作模式和测试模式。演示模式主要是通过视频演示讲解每一步的实际操作过程，学生通过观看视频进行学习，熟练掌握每一步骤的操作。指导操作模式就是学生在操作过程中，有语音提示学生每一步的具体操作方法。如果学生出现操作错误的情况，系统将不会向下进行，直到学生操作正确为止，以达到实时指导学生的目的。独立操作模式是如果学生能够合格地完成实训项目，系统将不会发出任何提示信息，只有当学生出现错误时，系统才会通过语音及时提醒学生所犯的错误，达到及时发现错误、改正错误的目的。测试模式是对学生操作能力的测试。学生在进行实训项目测试全过程中，系统没有任何提示，完全由学生独立完成。学生在规定时间内完成项目后，点击完成测试，系统会给出相应分数，还会根据学生的具体操作过程，提示错误点以及每个错误出现的具体步骤。学生可以对照演示视频改正自己所犯的错误。最后对该系统进行调试，以达到视频画面清晰、流畅的目的。Unity打包发布非常简单，在File中点击Buildsettings，在ScenesInBuild中点击下方的AddOpenScenes添加场景，发布平台可以选择PC端或Android端。这里需要注意的是，如果选择Android端，之前需要安装好环境才能发布。再点击Build进行发布，生成的可执行文件和数据文件缺一不可，需要放到同一文件夹中。
5结语
通过虚拟仿真教学实训，可以弥补学校硬件资源不足的缺点，提升学生自主学习的能力。学生利用该系统可以更加生动、具体、深刻地理解实训项目内容，减少实训过程中的浪费现象，避免一些不必要的危险情况，提高实际操作技术和能力。
参考文献
[1]王准.高校网络工程综合布线实验实训室的建设与合理利用.太原城市职业技术学院学报,2018(04):137-139
[2]舒祜.机房工程综合布线系统设计.智能建筑,2015(06):70-73
[3]综合布线实践教学大纲-广州铁路职业技术学院,
[4]袁凌浩.半山半岛小区园区网的规划与实施.电脑迷,2017(02):86
[5]徐媛,崔学鹏.基于VR技术的网络综合布线虚拟实训平台的设计研究.电脑知识与技术,2019(18):75-76
[6]丁晨,刘桥.综合布线虚拟仿真设计.电脑知识与技术,2020(9):66-67,75
[7]谢爱弟,刘超,郭高丽,等.引入虚拟实验增强精品课程网站辅学功能的分析.广西教育,2010(30):31-33
[8]阎双.基于Unity的计算机硬件组装仿真教学系统设计.辽宁师专学报(自然科学版),2021(1):97-99
作者:罗港 单位:锦州师范高等专科学校计算机科学学院
