建设虚拟建筑电气实验室的理论及研究

建设虚拟建筑电气实验室的理论及研究

傅森源

博菲特环境科技有限公司 湖北省武汉市 430000

摘要：随着国家经济建设的发展和社会对高素质人才需求的不断提高，建筑电气工程专业人才的培养越来越受到重视。本文结合作者多年来从事实验室建筑电气设计及管理方面的经验，提出建设虚拟建筑电气实验室，从建筑电气实验室建设理论与方法、建筑电气实验室建设的指导思想和原则、建筑电气实验室建设方案以及虚拟建筑电气实验室的主要功能等方面进行了详细论述。

关键词：虚拟建筑；电气实验室；理论；应用研究

引言

随着我国建筑行业的发展，我国对建筑电气工程专业人才的需求日益增加，但目前各高校对建筑电气专业人才的培养存在诸多问题，如缺乏综合性强的实验教学平台，实验教学内容不能满足教学改革的需要等。本文主要基于建设虚拟建筑电气实验室的理论与方法，旨在通过建设虚拟建筑电气实验室，使相关工作人员能够在虚拟的环境中进行建筑电气专业的实验、实训等实践教学活动，提高其整体的创新意识和实践能力。

1 虚拟建筑电气实验室理论概述

虚拟建筑电气实验室，即借助计算机技术，模拟建筑电气专业的实验、实训环境，使其在虚拟的环境中进行建筑电气专业的实验、实训等实践教学活动。建筑电气专业的课程设置较多，且内容丰富，因此对学生的实践能力和创新意识都提出了较高的要求，但由于建筑电气专业实验、实训等实践教学活动受传统条件限制，在课程设置、实训设备等方面都存在一定的不足，因此在建筑电气专业教学过程中，其教学模式仍需要进行优化和改进，以适应新时期下对建筑电气专业人才培养的需要。

在虚拟建筑电气实验室中，将计算机技术与建筑电气专业课程设置相结合，建设一个虚拟的实验平台，将相关设备以及实验项目整合到这个虚拟的平台上，学生可以通过虚拟平台来模拟和学习相关的实践操作知识。

2 建筑电气虚拟实验室的整体结构

2.1 试验资料库模块

在整个建筑电气虚拟实验室的体系结构中，试验资料库模块是核心组成部分，它的主要功能是为用户提供一个试验、训练、测试和仿真的环境。该模块的主要功能有：

（1）用户可以通过试验资料库模块中的各种工具（如：图形化操作界面、编辑功能、对话框等）来完成对试验、训练和测试环境的创建，并可以在系统中对这些环境进行浏览和编辑，同时还可以通过查询相关文献和资料来获取该环境下所需要的试验和测试结果。

（2）用户可以通过试验资料库中提供的各种工具来完成对某一试验室的创建，并可以在系统中对其进行浏览和编辑。

2.2 电气设备组装模块

通过对建筑电气设备的设计、分析、制造和组装，可以实现对建筑电气设备的仿真。目前，国内有很多科研机构、高校和生产厂家都在致力于这方面的研究和开发。

在建筑电气设备的仿真中，最重要的是对建筑电气设备结构和工作原理的了解，而这往往需要较长的时间。通过虚拟现实技术，可以把设计和制造过程直观地展现出来，使得学生能够在计算机上建立一个虚拟现实环境，根据所学的知识自己设计一个理想的建筑电气设备。本系统采用“虚拟现实”技术模拟电气设备制造过程，提供与实际建筑电气设备完全一致的环境，并以“动画”方式直观地显示出来。

2.3 虚拟线缆装配模块

虚拟线缆装配模块主要由电缆、导线、开关、按钮等组成，它是建筑电气设备组装模块的核心部分，也是建筑电气虚拟实验室的重要组成部分。电缆和导线是建筑电气设备中常用的电线和电缆，也是建筑电气虚拟实验室的重点研究对象。线缆与导线的区别在于其截面、线芯和绝缘层，因此线缆的结构设计要根据实际情况进行分析，比如：（1）导体和绝缘层的结构设计要考虑到实际情况，避免造成不必要的浪费。（2）导线直径和线芯要选择合适，避免造成不必要的浪费。（3）绝缘层设计要注意是否满足电器设备运行环境。（4）导线线芯与绝缘层之间的连接方式要根据实际情况进行设计。

2.4 电气设备运行模块

电气设备运行模块是建立在建筑电气虚拟实验室的基础上，提供了一种可供用户实际操作的建筑电气设备运行环境。该模块为用户提供了一个与真实的建筑电气设备类似的环境，具有如下特点：

（1）与真实建筑电气设备相同的操作界面，包括了操作控制面板、模拟按钮、模拟开关等，并可进行快速操作；

（2）能与真实建筑电气设备相对应的电气元件；

（3）能对各种常用电器元件进行组合，并能显示其基本运行原理；

（4）能够模拟各种开关、按钮等电器元件，并可进行快速操作；

（5）能够在虚拟环境中实现自动或手动控制，对各类电器元件进行保护和故障报警。

2.5 在线帮助模块

在线帮助模块是一个独立的系统，它由学生登陆和教师登录两部分组成。教师登录是指教师在规定的时间内登录系统，查看学生在实验过程中遇到的问题并给予相应的解决方法。教师可以对学生的操作进行详细地指导，也可以向学生发出一些提示，比如实验步骤、注意事项等。学生登陆是指学生可以通过自己的登陆 IP进入系统，浏览实验内容，并可以向老师提出问题或解决问题。

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虚拟建筑电气实验室的功能

3.1 深化对电气设备的认识和掌握

传统的电气实验教学，多是通过教师在黑板上画图、讲解来完成的，教学的主要目的是使学生掌握实验内容，但这种教学方式仅仅停留在理论层面上，学生缺乏感性认识，对实验现象不能深入理解和掌握。

虚拟实验室采用仿真的方法模拟建筑电气设备运行和操作过程，学生通过使用计算机等各种先进的人机交互设备，能够直观地认识、掌握和操作建筑电气设备。在虚拟实验室中，学生可以看到各种不同类型的电气设备的运行状况及运行过程中存在的问题；可以根据教学需要任意调节自己想要学习的内容；还可以改变自己学习、工作和生活环境。

3.2有效模拟建筑电气设备的操作、运行和维护

建筑电气设备的运行、维护、检修是建筑工程的重要组成部分，建筑电气设备的故障、事故直接影响到建筑物的正常使用和安全运行，建筑电气设备的检修也是建筑工程施工中的重要环节。

通过虚拟建筑电气实验室的建设，可以对常见的建筑电气设备进行操作、运行和维护等方面进行模拟。这样，学生在学习时可以有针对性地学习一些典型设备和典型故障，掌握其基本原理和操作方法，熟悉其构造和安装位置，并能熟练操作；在实践中，学生还可以根据实际需要，在虚拟实验环境中对多种类型的电气设备进行模拟运行和维护操作，提高学生综合运用理论知识分析问题、解决问题的能力。

3.3虚拟实验室提供线缆装配功能能深化学生对建筑电气走线认知理解

目前建筑电气专业教材中多采用文字说明加图纸的方式介绍建筑电气布线知识，由于文字说明比较枯燥、抽象，学生理解起来难度较大。因此，教学中教师应结合建筑电气施工规范要求和学生的认知特点，将建筑电气布线知识以生动活泼、形象直观的方式呈现给学生，使其更易于理解。

教学中采用虚拟实验室提供的线缆装配功能，在虚拟实验室中仿真显示出建筑电气走线的具体过程，让学生直观地看到线缆的装配过程和接线方式。学生通过虚拟实验室能直观地看到线缆在各个接线点的位置和走向，从而加深对建筑电气布线知识的理解。

结束语

总而言之，建筑电气实验教学是提高学生工程实践能力和创新能力的重要手段，对培养具有较强实践能力和创新意识的人才具有十分重要的意义。在对虚拟建筑电气实验室进行建设过程中，将需要针对实际情况，设计基于计算机仿真技术的虚拟建筑电气实验室。通过对该虚拟建筑电气实验室的设计和建设，使学生在学习过程中能更好地理解、掌握和巩固所学知识，培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生的工程实践能力。

参考文献

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[3]刘海珊,刘瑾,李洪芹.新工科下电气类虚拟仿真实验中心建设的探讨[J].教育教学论坛,2020(14):383-384.