水利虛擬仿真實訓平臺建設的研究與實踐

朱達凱

浙江同濟科技職業(yè)學院 浙江杭州 311231

水利虛擬仿真實訓平臺建設的研究與實踐

朱達凱

浙江同濟科技職業(yè)學院 浙江杭州 311231

將虛擬仿真技術(shù)應用到實訓教學中,將越來越受到高職院校實訓基地建設的關(guān)注和重視?！八摂M仿真實訓平臺”,采用當今優(yōu)秀的視景建模軟件MultiGen Creator和實時驅(qū)動軟件Vega,配以SGI高性能圖形工作站,結(jié)合ArcGIS,MicroStation,AutoCAD,構(gòu)建了基本的虛擬仿真實訓平臺,為高職水利工程專業(yè)實訓教學提供了可視化的虛擬仿真環(huán)境。

虛擬仿真；實訓平臺；研究與實踐

職業(yè)教育是以就業(yè)為導向、以技能訓練為核心的教育。工學結(jié)合背景下的實訓基地建設和實訓教學方法、手段的改革一直是高職教育十分關(guān)注的重要課題。當前，高職教育的發(fā)展已經(jīng)把虛擬仿真技術(shù)推到前所未有的高度，有專家預言，虛擬仿真技術(shù)是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡之后，在教育領域內(nèi)最具應用前景的“明星”技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)具有職業(yè)性與典型性、情境性、過程性、交互性與智能型、趣味性等特征。正因為如此，教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學質(zhì)量的若干意見》中明確指出：“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬實驗”。種種跡象表明，虛擬仿真實驗實訓將是今后高職實踐性教學改革的一個重要發(fā)展方向。

一、技術(shù)方案

虛擬仿真技術(shù)以數(shù)學理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應用領域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎,以計算機和各種物理效應設備為工具,利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合技術(shù)。

“水利虛擬仿真實訓平臺”主要以水利工程為研究對象，采用當今優(yōu)秀的視景建模軟件MultiGen Creator和實時視景驅(qū)動軟件Vega，配以高性能圖形工作站，結(jié)合ArcGIS、Microstation、AutoCAD，構(gòu)成了基本的虛擬仿真工作環(huán)境，以CAD數(shù)據(jù)為基礎進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成精確的逼真的三維模型。其核心是通過對水利工程、自然災害的仿真，建立三維的、動態(tài)的、實時的、可視的虛擬仿真環(huán)境。

1.系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇

目前，虛擬仿真軟件發(fā)展迅速，且種類較多，本系統(tǒng)的研究和開發(fā)中選用了目前開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)秀軟件，虛擬建模軟件MultiGen Creator和實時視景驅(qū)動軟件Vega。MultiGen Creator是目前惟一將多邊形建模和紋理貼圖、矢量編輯和建模、地貌地形生成集成在一起的3D建模工具，其對3D場景的描述幾乎成為視景仿真領域的工業(yè)標準。MultiGen Creator定義了一種數(shù)據(jù)庫的格式OpenFlight，數(shù)據(jù)庫采用樹狀層次結(jié)構(gòu)進行組織，支持很多視景仿真中的概念，如光源、紋理映射，層次細節(jié)模型(LOD)、3D聲音、自由度、動畫序列及模型的實例化等。

Vega是MultiGen-Paradigm公司應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的世界領先的軟件環(huán)境，它將易用的工具和高級仿真功能巧妙地結(jié)合起來，可以迅速地創(chuàng)建各種實時交互的三維環(huán)境，使開發(fā)人員可以投入更多的精力在專業(yè)應用上。它主要包括兩個部分，一個是被稱為Lynx的圖形用戶界面工具箱，另一個是基于C語言的應用程序接口，即:Vega API函數(shù)庫。采用Vega API函數(shù)開發(fā)虛擬現(xiàn)實視景仿真系統(tǒng)能顯著提高工作效率，大幅度減少源代碼開發(fā)時間，很容易實現(xiàn)漫游、縮放、視點切換、碰撞檢測、地勢追蹤、獲取目標信息等功能。

2.系統(tǒng)開發(fā)流程設計

系統(tǒng)開發(fā)流程采用模塊化設計思想，將系統(tǒng)劃分為以下9個部分。

(1)工程數(shù)字幾何建模和水工建筑物部件運動數(shù)學建模。

首先，在MultiGen Creator環(huán)境中，根據(jù)一定比例地形圖建立整個工程的三維地形模型，可采用SiteBuilder 3D V1.1.1 for ArcGIS插件，直接在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中生成OpenFlight格式的地形三維模型，根據(jù)地形的復雜程度可以對地形采用不同的精度，也可以直接把地形圖轉(zhuǎn)化為Creator可以識別的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight數(shù)據(jù)格式的三維地形模型，再貼上航空影像紋理。然后，根據(jù)各種二維和三維CAD設計圖，建立相應的水工建筑物和工程輔助建筑廠房的真實尺寸三維幾何數(shù)字模型。最后，根據(jù)各種水工建筑物的具體坐標位置，進行地形與建筑物模型的拼接。水工建筑物部件運動數(shù)學建模，如船閘的開啟與關(guān)閉、泄水弧形閘門的旋轉(zhuǎn)、水輪機的旋轉(zhuǎn)等。

(2)工程運行控制管理。把各種水利工程運行監(jiān)測系統(tǒng)如大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)水情監(jiān)測系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)等對水工建筑物控制、監(jiān)測的信息傳輸?shù)焦こ踢\行控制數(shù)據(jù)庫中，并進行實時更新。

(3)工程屬性和圖紙管理。在三維場景中，需要對某個建筑物部件進行屬性及其二維設計圖紙的查詢。在Vega中有vgPicker類，在程序中通過調(diào)用vgPicker類的API函數(shù)可以實現(xiàn)對場景中三維對象的拾取，獲得三維對象的名稱，然后在屬性數(shù)據(jù)表中查找到該字段，即可實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維模型的通信。

(4)三維數(shù)字幾何模型管理。針對OpenFlight文件格式的場景模型等級層次，在系統(tǒng)中也建立了相應的樹狀等級結(jié)構(gòu)圖，把水工建筑物按照等級層次進行分類整理。

(5)工程功能性仿真。在其他專業(yè)軟件中進行工程地質(zhì)、巖土力學、水力學等分析，把分析計算結(jié)果輸入到水利工程三維仿真系統(tǒng)中，在虛擬的場景中實現(xiàn)水利工程功能性仿真過程的顯示。

(6)泄水粒子系統(tǒng)。一般的建模工具都是對一些有固定幾何外形的對象建模,泄水沒有固定外形,它的形狀隨著泄水閘門開啟角度和上游水位的改變而改變,為實現(xiàn)這個特殊的效果,必須構(gòu)造一個粒子系統(tǒng)。

(7)二維地圖與三維仿真場景的互響應。二維地圖是根據(jù)地圖投影、地理坐標和比例尺，用各種點狀、線狀、面狀符號及文字注記和色彩等表示地形地貌、地理現(xiàn)象及社會經(jīng)濟現(xiàn)象。

(8)場景合成。通過對Vega的圖形環(huán)境Lynx中各項參數(shù)的選擇，驅(qū)動虛擬環(huán)境，實現(xiàn)虛物的實化，以達到實時漫游、可控可視化的目的。通過Lynx工具或在Visual C++環(huán)境中調(diào)用Vega API函數(shù)，加入系統(tǒng)需要的光照、聲音、特效等。

(9)人機交互系統(tǒng)。設計一個方便的人機交互界面，包括設計菜單，圖標，屏幕顯示信息等。

二、虛擬仿真實訓教學應用

1.虛擬仿真實訓系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)實訓系統(tǒng)由一個教師站和多個學員站組成。有多個水利工程典型的單元和典型施工場地布置系統(tǒng)的仿真模擬軟件，具有管理功能的教師站可以向?qū)W員站發(fā)出面向全部或個別的操作指令，并能顯示相應學生的操作結(jié)果及最終成績，學生通過人機對話，達到熟練完成單元和施工場地布置系統(tǒng)的操作。而教師通過教師主控制臺可以很清楚詳細地了解每名學生的當前操作情況?！八摂M仿真實訓平臺”為水利水電工程專業(yè)實訓教學提供了可視化的虛擬仿真環(huán)境。(如圖1)

圖1 水利虛擬仿真實訓平臺實景圖

“虛擬仿真實訓平臺”可以動態(tài)仿真模擬典型水工建筑物的工作原理、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及工程險情的發(fā)生發(fā)展過程，虛擬滑坡、泥石流再現(xiàn)典型臺風、強汛、及相應防汛防臺措施。從而解決了水利工程專業(yè)實操實訓過程中危險性大、費用高、小概率事件再現(xiàn)、標準化演示、工作職場展示及環(huán)境污染等問題。

2.虛擬仿真實訓系統(tǒng)的教學方式(1)分析學習目標和制定教學方法

教學計劃中，一般都會將實訓教學安排在專業(yè)基礎課結(jié)束后集中進行。高職院校水利工程虛擬仿真系統(tǒng)的目的是為水利水電工程專業(yè)教師、學生提供一個安全、環(huán)保且成本低廉的打破時空約束的接近真實的學習情景，為學生提供一種與真實工程交互學習的途徑。同時，又能最大限度地增加學習的趣味性和激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維能力。在實訓實習教學中，這是一個虛擬仿真場景的設計，不需要親自到實驗室，就能完成實驗內(nèi)容，達到教學要求。

(2)教學內(nèi)容實施

在水利虛擬仿真實訓教學中，一般通過以下過程來實施、完成教學內(nèi)容。

①引導學生入門

學生首次接觸水利虛擬仿真實訓系統(tǒng),對整個操作流程及布局不了解,指導教師通過投影儀向?qū)W生講授學習水利工程虛擬仿真系統(tǒng)的作用意義、仿真培訓系統(tǒng)學員站使用方法(包括仿真培訓軟件的啟動、培訓參數(shù)的選擇、畫面及菜單介紹智能評價系統(tǒng)等),使學生明確學習內(nèi)容、學習目的,激發(fā)學生的學習興趣。

②演示講解

在學習每一個單元仿真或系統(tǒng)仿真之前，教師首先對水利工程勘測、規(guī)劃、設計、施工及運行管理、操作過程進行詳細講解，利用多媒體、投影儀對學生進行操作演示，強調(diào)操作中常見問題及現(xiàn)象，引導學生根據(jù)現(xiàn)象進行分析、思考，找出解決問題的方法。

③學生上機訓練、教師指導答疑

學生獨立操作訓練過程中，教師巡回觀察每位學生的操作情況，及時指出問題，指導學生掌握操作技巧，并引導學生解決仿真操作過程中出現(xiàn)的問題。

④考核及成績評定

按教學計劃結(jié)束水利工程虛擬仿真實訓后，要對學生的學習情況進行考核。教師通過教師站，在題庫中選擇操作題目，組合成考卷，選擇考核中采用授權(quán)的方式，屏蔽操作步驟，完成考試時間，分值比例等參數(shù)設置后，向?qū)W員站發(fā)出操作指令，學生聯(lián)機后，就可在自己的電腦上獨立完成試題；學生提交試卷后，系統(tǒng)綜合學生對操作步驟、質(zhì)量、趨勢等控制，給出成績。

3.虛擬仿真實訓教學訓練策略

虛擬仿真訓練應遵循理論教學和工程訓練并重的原則，因材施教的原則，彈性靈活的原則。

(1)同步教學訓練

在虛擬仿真教學的操作過程中可能出現(xiàn)的非正常工況很多，尤其是首次仿真開車，學生難免出現(xiàn)顧此失彼的局面。教師可以采用“同步教學法”，即由教師統(tǒng)一指揮，在水利工程的正常工況下全過程由教師引導，訓練學生對動態(tài)過程的綜合分析能力，各變量之間的協(xié)調(diào)控制(包括手動和自控)能力，掌握時機、利用時機的能力，以及對將要產(chǎn)生的操作和控制后果的預測能力等。

(2)專業(yè)技能訓練

專業(yè)技能訓練主要是針對專業(yè)課程或?qū)I(yè)模塊課程實施的操作和訓練，借助虛擬仿真設備，可以達到教學的預期目的。主要是通過水利工程典型的仿真單元和典型施工場地布置系統(tǒng)進行操作，若發(fā)現(xiàn)自己在某一步驟操作不好時，可利用軟件的“快門記錄”和“重演快門”功能，反復對這一步驟進行練習，直到掌握為止，不必每次都將操作全過程重頭做一遍，節(jié)省了時間，提高了培訓效率。

(3)智能訓練

學生的認知心理發(fā)展特征，主要表現(xiàn)在感知、記憶、觀察能力和思維能力等。通過仿真訓練可很好地培養(yǎng)學生的觀察能力、思維能力、自學能力、實際操作能力、分析和解決問題的能力。

水利工程虛擬仿真系統(tǒng),模擬水利工程的施工、場地、地形、地圖投影、地理坐標、圖紙管理、建筑物等等內(nèi)容的生成及其變化。學生進行系統(tǒng)過程操作,實現(xiàn)了從感性到理性的認識過程,是有效的智能訓練過程。學員排除故障的訓練過程,是應對突發(fā)事件應變能力的訓練，更是觀察能力和分析能力的檢驗。

三、結(jié)束語

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，高職教育實踐性教學環(huán)節(jié)的實訓內(nèi)容、實訓手段、實訓設備將發(fā)生變革。水利虛擬仿真實訓平臺由于其安全、經(jīng)濟、高效、可控、可視、實用、便于觀察、便于參與、無破壞性、可多次重復、整體性強等特點對實訓教學起到了事半功倍的作用，將有效地提高教學效果?？梢姡瑢⑻摂M仿真技術(shù)應用于高職實驗實訓教學，是高職院校實訓基地建設的一個方向，具有廣泛的推廣價值。

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[3]朱乾坤，李超，崔曉曦．基于虛擬實驗系統(tǒng)的教學模式擬[J]．實驗室研究與探索，2008，6

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The study and practice of building water conservancy virtual simulation training platform

Zhu Dakai
Zhejiang tongji vocational college of science and technology，HangZhou，311231，China

Application of virtual simulation technology to practical learning will be more and more concern and attention in higher vocational colleges’training bases’ construction.At present，water conservancy virtual simulation training platform uses the excellent visual modeling software MultiGen creator and real-time driver software Vega,accompanied by SGI high-performance graphics workstations,combining ArcGIS,MicroStation and AutoCAD，constructed fundamental virtual simulation training platform,which provided visualization virtual simulation environment for water conservancy project.

virtual simulation; training platform; study and practice

2010-04-30

朱達凱，副教授，實驗實訓管理中心主任。