虚拟仿真实验平台对实践教学的应用

摘要：随着我国教育水平的不断提高，高校更加重视对学生实践能力的培养，进一步推进虚拟仿真与实验教学的结合。虚拟仿真与真实设备混合的“翻转课堂”实验教学新模式正是在此大背景下产生的。光伏微电网数字孪生虚拟仿真实验教学平台搭建起虚拟仿真与实物实验的桥梁，此平台的创建和推广将在培养大学生创新精神和工程实践能力等方面发挥重要作用。

关键词：数字孪生；虚拟仿真；光伏微电网；实验教学平台

实验实践教学是高校培养学生实验、实践和创新能力的重要平台，是创新创业型人才培养的必备过程[1]。随着我国工业的快速发展，智能型仪器仪表得到广泛应用，对相关领域的人才提出了更高的要求[2-3]。然而在教学实践过程中存在一些问题，例如，有些仪器危险性高、占地面积大，不允许缺乏实际经验的学生进行建设、安装、调试和测试等操作[4-6]；或者只有虚拟仿真实验平台，无真实的设备与之对照，使得学生不能体验真实的交互过程[7]；部分学校实验场地资源紧缺，无法满足学生多人同时进行实验的要求[8]。学生的实操能力无法得到充分的锻炼，理论学习与实际操作严重脱节。为了进一步促进实验教学的信息化、网络化和智能化，面向电气工程及自动化、新能源等专业，提出一种虚拟仿真与真实设备混合的“翻转课堂”实验教学新模式，开发了光伏微电网运行过程的数字孪生虚拟仿真实验平台。该平台采用虚拟仿真、虚实结合的手段使学生通过在线学习的方式理解并掌握光伏微电网从建设、测试到优化的全过程。

1数字孪生虚拟仿真实验平台的多样化教学方法

数字孪生虚拟仿真实验平台采用线上教学与现场教学相结合、虚拟仿真与实物实验相结合、讲与练相结合、理论与实践相结合的教学方法。此方法能使学生真正理解和掌握所学知识，同时提高分析问题、解决问题的能力及动手能力[9-10]。本实验平台既可以做纯虚拟仿真实验，也可以做纯实物实验，还可以做虚实结合的实验。纯虚拟仿真实验，如图1所示。纯虚拟仿真实验针对没有真实实验设备的学校及社会群体，参与者可通过实验平台的仿真环境，掌握光伏微电网建设方法、测试技术和最大功率点跟踪控制优化方法。纯实物实验，如图2所示。利用实验室现有的设备开展实验，学生通过实验可直接掌握光伏微电网的组成结构、工作原理以及测试方式。基于虚实结合的数字孪生实验，如图3所示。采用虚实结合方式，也称为半实物虚拟仿真[11]。该实验借助实验室现有的光伏微电网实验设备开展实验，让学生掌握光伏微电网的组成结构、工作原理及测试方式；再通过物联网和数字孪生等技术，将光伏微电网模型映射至网络空间，学生可通过网上实验平台掌握光伏微电网设计方法、测试技术和最大功率点跟踪控制优化方法，最后通过真实设备验证实验结果。

2数字孪生虚拟仿真实验平台的基本架构

所提出的数字孪生虚拟仿真实验平台包含两个主要组成部分：微型电力系统和云服务平台。微型电力系统包括模拟电网和独立发电系统两部分，如图4所示。模拟电网主要利用蓄电池产生220V/50Hz交流电，模拟市电运行。独立发电系统采集太阳能电池板直流输出时的电压电流数据发送给DC/DC控制器，通过最大功率跟踪器来控制电流的输出，并进行输出能量并网。云服务平台通过互联网云计算平台构建，在原有云服务平台基础上，设置自主判断故障及电力系统监视、控制与决策等智能化的功能。其本身也搭载了智慧报警系统，在其发现某些需人为操作才能解决的故障时，会发送相应的警报给管理员，从而将损失降低到最小。云服务平台拥有自主开发的智慧能源管理软件和智慧教育软件，可以远程操控该智慧型教学用仪器仪表进行相应的实验并采集实验数据，还能够实现远程终端工作模式选择和电力系统运维管理及数据采集、存储、大数据分析等，具有强大的远程调度、监视、控制与故障诊断功能。基于物联网架构的物理实验台与基于云服务架构的仿真实验台，形成了一对可同步运行的数字孪生体。一方面，微型电力系统将其产生的数据上传至云平台，智慧能源管理软件可以从云平台下载数据并对其进行分析和显示；另一方面，用户可以在智慧能源管理软件中远程控制微型电力系统。

3新平台的实验教学案例与分析

3.1教学实验准备内容

首先，打开光伏电站教学仪器的设备总开关、储电系统开关、传感器开关和直流负载开关；然后，选择一种光伏阵列结构使CPES光伏电站教学仪器正常工作，这时可从软件学习平台上观察实时数据是否显示正常，如不正常，需检查设备是否正常开启并运行、网络连接是否正常。在室内实验时，需要使用一盏可调节PHILIP卤素灯模拟太阳光源，调节辐照度值，辐照度可由仪器上的辐照度传感器测得。同时，需要注意实验的安全性和可行性。例如，操作人员需要按照规定操作设备，禁止触碰内部高压器件，打开实验平台软件后需测试通信是否正常。

3.2面向人工智能课程的教学案例

以支持向量机分类和密度聚类分析为例展示教学实验内容。通过光伏电站教学仪器模拟不同的运行情况，并分别采用基于支持向量机的分类方法和基于密度的聚类方法来识别运行状态，可帮助学生学习分类和聚类的方法，并评价密度分类和聚类的性能，加深学生对分类和聚类方法的理解。在进行支持向量机分类实验的时候，设置两种仪器运行情况，即：正常运行与阴影遮挡。阴影遮挡情况是将一块不透光的黑布覆盖在光伏电池板上来进行模拟。本实验提供了两种得到实验数据集的方法：一种是系统数据库自带的数据集，另一种是通过现场实验检测采集。在每类运行状况和光照强度下，连续采样50次离散数据，得到50组数据集。将50组数据集随机地划分为两个子集：40组数据样本为训练集和10组数据样本为测试集。图5提供了一种数据格式实例。本实验一共有8种辐照度的实验环境和两类运行情况，数据集为8×2×50=800(组)，其中包括640组训练集和160组测试集。根据数据集，确定学习率和迭代次数，采用梯度下降法优化目标函数。迭代优化终止后，整个训练过程结束，就可以采用训练好的SVM模型对测试集进行分类，最后统计分类结果及两类测试数据的正确率。在进行密度聚类分析实验的过程中，需设置四种运行状况：正常运行、断路、阴影遮挡和局部阴影遮挡。将连接电池板的电线断开来模拟断路状况，将一块不透光的黑布覆盖在光伏电池板上来模拟阴影遮挡状况，将树叶覆盖在光伏电池片上来模拟局部阴影遮挡状况。同样的，本实验可利用系统数据库提供的数据集，也可通过现场实验检测得到数据集。在每类运行状况和光照强度下，连续采样50次离散数据，得到50组数据集。将50组数据集随机地划分为两个子集：40组数据样本为训练集和10组数据样本为测试集。8种光照强度的实验环境和两类运行情况下，数据集为8×4×50=1600(组)，其中包括1280组训练集和320组测试集。假定在未知标签的情况下对1600组样本数据进行聚类分析，预先设定聚类族的个数、学习率和迭代次数，然后开始对样本数据进行聚类分析。最后，比较聚类结果与标签结果的差异，并分析原因。

3.3翻转课堂实验教学效果分析

运用此数字孪生虚拟仿真实验平台实现了“翻转课堂”的教学模式，其具有诸多优越性。第一，原有线下教学模式虽然可在课堂上进行理论知识的学习和实践，但易受场地和时间的影响，较为不便，而通过本实验平台，学生不仅可在课堂上做实验，还可以利用课余时间在线上进行实验的回顾和仿真，学习不懂的知识点，具有较大的灵活性。第二，普通线上教学模式虽然可避免环境因素的影响，但由于学生没有亲自进行理论知识的实践，对知识掌握不够牢固，而运用本实验平台学生不仅可以在线上学习理论知识，还可进行“远程实境”实验，真实性相对较高。第三，本实验平台可利用“翻转课堂”教学模式，将线上线下相结合，改变填鸭式教学的弊端，使学生由被动学习者变为主动求知者，逐渐成为学习的主角，提高学生学习的自主性。与原有光伏虚拟仿真实验相比，该实验平台运用数字孪生技术可将虚拟仿真实验操作结果传回真实光伏微电网实验教学设备，现场实时验证学生实验结果，所获得的数据具有多维耦合、复杂度高、代表性强等特点。该项目能够解决原有实训台占用物理空间大、危险性高、学生无法现场实验等难题，仅在线上就能大幅度扩展实验教学内容，虚实结合的教学模式可以大大增强实验教学效果，提高学生的综合实践与创新能力。

4结语

数字孪生虚拟仿真实验平台将虚拟仿真技术与实践教学相结合，从教学中的重点和难点出发进行有关光伏虚拟仿真教学项目的开发和设计，既可以较好地拓展实践教学的内容，也可以让学生突破现实教学中时空的限制，做到成本低、无污染的科学知识的传递，达到提高实践教学、培养学生创新和解决问题能力的良好效果。在新工科建设方面，本项目所研究的虚拟仿真实验平台可将线上教学与现场教学相结合、虚拟仿真与实物实验相结合，实现“翻转课堂”的教学模式，为市场培养输送大量新时代人才，满足电力与新能源领域人才市场需求，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合，应对了新经济的挑战，推动了新工科、智慧教育的建设和发展。

作者：刘光宇 朱凌 俞玮捷 吕强 俞武嘉 单位：杭州电子科技大学自动化学院 浙江财经大学信息管理与人工智能学院