瑞士洛桑联邦理工学院-远程工程实验室十年创新之路
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    二十多年来，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的高级研究员兼讲师Dr. Christophe Salzmann一直致力于为全球学生打造高质量且易于获取的工程实验室体验。他希望让实验室学习变得更加包容和灵活，于是在1997年率先创建了最早的远程实验室之一，让学生无论身处何地，都能在线控制和观察实验。

    为了满足工程教育不断变化的需求，Dr. Christophe Salzmann专注于将最先进的硬件与强大的软件相结合，创造出引人入胜且具有互动性的学习体验。在过去25年与Quanser公司的合作中，他成功升级了远程实验室基础设施，引入了诸如Qube Servo 2和Aero系统等尖端工具，以及一个复杂精良的软件框架。如今，他管理着一个拥有25套设备的远程实验平台（很快将扩展到60套），为全球的学生和教育工作者提供沉浸式、动手实践的学习机会，这些机会全天候24小时免费开放，帮助他们无论身处何地都能掌握必要的实践技能。
    接下来的案例研究将深入探讨Dr. Christophe Salzmann扩大和现代化远程实验室的历程，他所面临的挑战，以及那些将他的愿景变为现实的创新解决方案。
挑战来袭：我们面临的问题
    早在1997年，洛桑联邦理工学院（EPFL）的Dr. Christophe Salzmann就率先创建了最早的远程实验室之一，让学生能够通过网络在线控制和观察实验。他开发了一套可扩展且可靠的软件，这套软件成为了远程实验室的基础，能够高效地管理网络通信、视频采集、实时控制和数据处理，能让大规模的班级灵活地使用实验室。
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图1：Dr. Christophe Salzmann 1997年使用的早期远程实验装置
    传感器、执行器和实时数据处理能力是现代工程教育的“必备神器”。现在远程学习越来越火，大家也更看重能动手操作、互动性强的学习方式。所以，远程实验室的硬件必须得升级，这样才能打造一个更强大、更方便用、技术更牛的平台，学习效果自然也会更好，也更符合现在的教学潮流。
破局之策：我们的解决方案

    为了对远程实验室进行全面升级，Dr. Christophe Salzmann借助与Quanser公司长达25年的合作基础，决定分阶段引入先进的实验设备。首先，他引入了Qube Servo系统，并计划后续引入Aero系统。他指出：

  “我与Quanser公司合作已有25年，对其产品和技术非常熟悉，也对其能力深信不疑。在Quanser的全力支持下，我们已将25套Qube Servo 2成功集成到远程实验室中，并且还有35套设备即将投入使用，包括Qube Servo和Aero 2系统。”
此次升级方案不仅涵盖了硬件设备的更新，还包括与Quanser工程师团队的深度合作，针对远程实验室的软件环境对硬件进行必要的适配和定制化改造。接下来，我将详细介绍该远程实验室的软硬件组成及关键特性。
软件架构
    现有的软件系统因其高度的可扩展性和高效性，已成为升级后的远程实验室的核心架构。该系统采用客户端-服务器模式，能够通过互联网实现学生与物理实验设备之间的实时交互。服务器端负责硬件控制以及客户端连接的管理，而客户端则提供了一个基于网页的直观用户界面，支持从任何设备进行访问。
    为满足大规模学生群体的需求（例如其课程中注册的290名学生），软件集成了负载均衡器，能够将学生动态分配至可用的Qube Servo设备，并根据需要对额外用户进行排队管理。其基于HTML的界面设计便于与学习管理系统（如慕课）无缝集成，为学生提供便捷的学习体验。通过采用IEEE 1876等国际标准通信协议，系统确保了良好的互操作性和未来扩展性。此外，软件的开源特性进一步推动了协作与适应性发展，为其他机构根据自身需求进行定制和优化提供了便利。
Qube Servo的集成
    Quanser的解决方案成为此次实验室升级的首选。Qube Servo 2凭借其出色的性能和简化的安装流程脱颖而出。Quanser工程团队与Dr. Christophe Salzmann携手合作，针对macOS平台上的LabView开发了全新的驱动程序，确保该设备能够与现有的软件架构无缝融合。
  • 选择Qube Servo用于实验室配置的原因如下：
  • 综合性教学工具：Qube Servo配备了内置传感器、执行器以及数据采集卡，能够为学生提供实时控制系统的实践体验，无需额外开发定制化硬件。
  • 安装便捷性：Qube Servo 2仅需连接电源和数据线即可完成配置，极大地简化了安装流程。这一特性有效减少了技术故障的可能性，使团队能够将更多精力集中于教学环节。
  • 模块化与灵活性：Qube Servo支持多种配置方式，例如可选配摆杆等组件，以满足不同实验场景和教学目标的需求。
解决方案的实施
    在实验室的搭建过程中，团队开发了一套既经济又高效的配置方案。该方案采用了3D打印的框架、摄像头和LED灯等组件。通过集成罗技（Logitech）和微软现代（Microsoft Modern）品牌的摄像头，实验室能够为用户提供清晰的视觉反馈。此外，团队还安装了专业的照明解决方案，确保实验室具备全天候24小时不间断运行的能力。
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图2：远程Qube Servo设置中的摄像头与框架配置
    此外，为方便未来用户自行搭建远程实验室，团队还开发了一种更为简化的配置方案，仅配备单个摄像头，从而大幅简化集成流程。
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图3：远程Qube Servo控制的简化摄像头及框架设置
    在以下演示中，学生们能够通过实现一个PID控制器来控制Qube Servo的位置。他们可以调节比例（P）、积分（I）和微分（D）增益，并实时观察系统的响应。通过修改控制信号，学生们能够即时看到调整所产生的效果。如果测量值与参考值之间存在偏差，他们可以通过增加积分项来降低稳态误差，或者通过增加微分项来改善系统的阻尼特性。
视频1：远程实验室软件界面及实时控制、监测与反馈仪表盘 

    该解决方案的另一大关键特性是允许学生自行设计并实现控制算法。学生可以在C语言的一个子集中编写自定义控制器代码，这些代码将被安全地编译并运行在服务器上。例如，学生可以上传代码以向电机施加特定电压，并观察系统的响应情况。系统能够即时反馈代码错误，从而帮助学生快速进行修正。

    这一解决方案具备良好的可扩展性。对于不同产品（如Aero），虽然需要对框架结构和摄像头数量进行适当调整，但核心系统架构保持一致。
成果揭晓：取得了哪些成效
    每学期大约有400名学生从升级后的远程实验室中受益。课程评估突显了其成功之处：
  • ME-326课程：在180名学生中，84%对在线实验部分给出了积极反馈，助力该课程的整体满意度达到了91%。
  • ME-321课程：在200名学生中，88%对在线实验室表示赞赏，使得该课程的整体好评率达到了92%。
    学生们尤其欣赏实验室的灵活性，它能够满足不同的学习风格和时间安排，通过真实的实验设施让教育变得更加便捷和个性化。
    除了在洛桑联邦理工学院（EPFL）内部的应用，远程实验室还促进了宝贵的全球学术合作。Dr. Christophe Salzmann与来自塞尔维亚和美国的同事们建立了合作关系，使得塞尔维亚的整个班级能够在线访问该实验室。远程实验室吸引了全球各地的用户。下图展示了远程实验室用户的全球分布情况，突显了其显著的国际影响力。
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图4：远程实验室用户全球分布

绿色点表示已授权用户，红色点表示未经授权的访问尝试

总结回顾：经验与启示

    将前沿硬件、稳健软件与精彩演示相结合，远程实验室为全球学生提供了便捷、经济且高质量的实践学习机会。如果您正在使用Quanser产品，或希望拓展远程实验室能力，可联系Dr. Christophe Salzmann（christophe.salzmann@epfl.ch），获取软件实施及远程实验室建设的专业指导。

    我们致力于推动Quanser用户形成国际化社区，汇聚一批致力于革新工程教育的教育工作者，携手打造全球教育合作网络。
    为深入了解系统运行机制并掌握类似解决方案的实施方法，敬请观看网络研讨会“Quanser用户网络研讨会：如何远程控制QUBEs”。该研讨会提供了极具价值的洞见与实用的操作指南。
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