分布式虛擬仿真在“輸配電線路施工”教學中的應(yīng)用

黃宵寧 楊成順 楊中亞

摘要：介紹“輸配電線路施工”在專業(yè)知識體系中的重要作用，并針對施工課程實踐性極強的特點和該課程教學上存在的問題現(xiàn)狀，結(jié)合自身在三維仿真教學培訓(xùn)系統(tǒng)方面的研究開發(fā)實踐，進一步介紹分布式虛擬仿真的技術(shù)特點和應(yīng)用系統(tǒng)的內(nèi)容，以及該系統(tǒng)對提高本課程教學質(zhì)量和學習效果的積極價值。

關(guān)鍵詞：分布式;虛擬仿真;輸配電線路施工;教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0093-01

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，輸配電線路里程數(shù)不斷增加，電力行業(yè)對輸電專業(yè)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量上都提出了更高要求。作為國內(nèi)設(shè)置電氣工程及其自動化（輸配電）專業(yè)方向的僅有三所全日制本科院校之一，南京工程學院承擔著向社會輸送該專業(yè)方向高級工程應(yīng)用型人才的重任，如何突出應(yīng)用的特色，切實有效提高教學效果進而提升培養(yǎng)質(zhì)量是面臨的首要課題和任務(wù)。[1]

一、“輸配電線路施工”課程的教學特點

電氣工程及其自動化（輸配電方向）專業(yè)是培養(yǎng)具有電力系統(tǒng)輸配電線路工程的理論和技術(shù)，并能從事輸配電線路設(shè)計、施工、運行、維護、管理的高等應(yīng)用型技術(shù)人才。[2]“輸配電線路施工”是該專業(yè)方向一門重要專業(yè)必修課程，通過本門課程的學習，牢固掌握輸配電線路施工理論及實踐技能，才能在畢業(yè)后能夠較快適應(yīng)現(xiàn)場工作，滿足電網(wǎng)建設(shè)單位的用人需要。因此“輸配電線路施工”是該專業(yè)方向知識體系架構(gòu)中非常重要的環(huán)節(jié)，一直受到廣泛的重視。

“輸配電線路施工”課程的教學目標是使學生了解輸配電線路施工的整個工藝流程及各施工工藝原理，掌握基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線等主要部件的安裝施工工藝步驟，具備施工方案設(shè)計和作業(yè)指導(dǎo)書的編制的能力。本課程具有以下特點：

（1）內(nèi)容形象具體。相較于其他課程知識的抽象性邏輯性強的特點，本課程內(nèi)容非常的具體形象，例如輸配電線路部件種類多、型式雜、裝配關(guān)系復(fù)雜的特點。此外，輸配電線路分布性廣，施工現(xiàn)場往往跨越高山大河，施工布置和工藝展開等內(nèi)容都需要營造臨場感。

（2）工程實踐性強。本課程的力學計算理論與施工工藝聯(lián)系緊密，教學要求中直接包含了豐富的工程實踐內(nèi)容，并且十分注重施工過程中安全控制和團隊協(xié)作。[3]

（3）本專業(yè)屬于電氣學科范疇，而本課程的知識體系接近于建筑工程領(lǐng)域，對于電氣專業(yè)學生在缺少建筑施工前導(dǎo)性知識鋪墊的前提下，快速掌握中輸配電線路施工安裝工藝和要領(lǐng)也存在一定的難度。

（4）學歷教育為主的本科院校無法按照電力培訓(xùn)部門那樣打造大規(guī)模的實訓(xùn)實操基地，現(xiàn)場實習環(huán)節(jié)因為時間短和安全因素也難以達到理想的效果。

（5）由于電力企業(yè)需要的是上手快、適應(yīng)強、基礎(chǔ)實的應(yīng)用型技術(shù)人才，客觀上要求進一步強化學生動手能力和應(yīng)用能力的鍛煉，把實踐教學放到關(guān)鍵和重要的位置上，不斷在人才培養(yǎng)上突出工程實踐性強的特色。

在當前的形勢下采用手繪、板書、視頻、照片這樣的傳統(tǒng)教學方式已經(jīng)難以滿足“輸配電線路施工”課程這些鮮明的特點對教學手段的要求。

二、分布式虛擬仿真技術(shù)的引入

1.虛擬仿真技術(shù)引入的理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義學習理論（Constructivism Learning Theory）認為，知識是學習者在一定的情境背景下借助教師或同學的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得，即通過人際間的協(xié)作活動而實現(xiàn)的意義建構(gòu)過程，因此建構(gòu)主義學習理論認為“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”是學習環(huán)境中的四大要素或四大屬性。[4]通過長期的研究實踐，基于以上理論的虛擬仿真技術(shù)對“輸配電線路施工”課程而言，是提高教學質(zhì)量和效果有效的途徑。

2.分布式虛擬仿真的技術(shù)特點

分布式虛擬仿真綜合了計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式計算、計算機仿真、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機交互、人機智能等多學科專業(yè)技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要分支。分布式虛擬仿真將位于不同物理位置的用戶通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，或者多個用戶參與到同一個虛擬環(huán)境中，通過與其他用戶進行資源共享、實時溝通或就特定的復(fù)雜問題進行探討和協(xié)作，簡而言之就是多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的?；诜植际教摂M仿真系統(tǒng)除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）兩大特征以外，還具備以下幾個顯著技術(shù)特點：網(wǎng)絡(luò)用戶共享虛擬任務(wù)空間;角色扮演行為具有真實感;多機實時交互，保持時空一致性;資源信息共享，多個用戶（學員）可以采用多種方式相互通信。

3.分布式虛擬仿真教學系統(tǒng)

通過研究開發(fā)我們建立了國內(nèi)首套分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)、多機協(xié)同、虛擬仿真等技術(shù)手段，可以直觀、準確、快速地為課程教學內(nèi)容提供具體的展現(xiàn)對象和高效的演練手段。高擬真度虛擬環(huán)境中的多人協(xié)作和角色扮演手段雖然不能完全取代實際的操作和訓(xùn)練，作為現(xiàn)場實操實訓(xùn)環(huán)節(jié)的有效補充，對提高教學效果、提升實踐能力具有十分積極的作用和意義。

三、分布式虛擬仿真教學系統(tǒng)應(yīng)用效果和前景

1.系統(tǒng)主要功能

分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系通過虛擬施工場景建模、施工人員角色動畫建模與數(shù)據(jù)處理、施工業(yè)務(wù)流程仿真腳本設(shè)計，用戶可以對虛擬施工場景的視點進行自由選擇，實現(xiàn)全景式自由漫游[5];用戶借助虛擬布局技術(shù)模擬或生成施工現(xiàn)場的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)輸配電線路本體和通道環(huán)境仿真;通過綁定相關(guān)數(shù)學模型和動畫路徑的規(guī)劃，實現(xiàn)各個班組成員分工協(xié)作下的輸配電線路施工各項工作專業(yè)流程的仿真;通過實時受力可視化分析和設(shè)備監(jiān)控，實現(xiàn)工藝方案的虛擬設(shè)計和優(yōu)化;并通過培訓(xùn)支持與管理底層平臺子模塊實現(xiàn)了培訓(xùn)信息管理、考勤提問、鍵鼠管制、屏幕監(jiān)管、自動評價等日常培訓(xùn)助教功能，同時還具備課上演練、課后訓(xùn)練等助學功能。

2.系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）借助系統(tǒng)可以快速建立和強化感性認識，為課程的展開提供了鋪墊和基礎(chǔ)。例如，學生可以全方位、多角度、近距離地觀察虛擬環(huán)境中的輸配電線路及各組成部件，感覺他們的尺寸、型式、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、裝配關(guān)系。同時通過可視化的分析手段，將抽象的概念表達直觀具體化，為理論知識的講授提供豐富直觀的手段。例如，輸配電線路中的桿高與各種檔距、弧垂的計算、空間布置測量和設(shè)備受力監(jiān)控等都可以直觀、高效地進行實時計算和對結(jié)果的可視化表達。

（2）系統(tǒng)充分考慮了施工現(xiàn)場作業(yè)是以班組為單位，具有團隊協(xié)作的特點，突破了原有單人單機培訓(xùn)模式的桎梏。在分布式虛擬仿真系統(tǒng)中，每個用戶能更好地通過角色扮演方式增加臨場感，以角色扮演的形式出現(xiàn)與虛擬場景以及其他替身進行實時的交互，真正地跨越了現(xiàn)實工作中難以設(shè)計實施團隊集體培訓(xùn)方案的藩籬。

（3）系統(tǒng)為用戶提供一個高度真實感和沉浸感的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。與單機用戶的虛擬現(xiàn)實環(huán)境相比，本系統(tǒng)所體現(xiàn)出逼真度類型要比單用戶復(fù)雜得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行為特征的逼真度和時間逼真度、信息逼真度和系統(tǒng)逼真度等。這些要素不僅要求行為正確、真實、可信，而且還恰當?shù)剡€原和模仿了真實施工作業(yè)流程的復(fù)雜度，達到了提高培訓(xùn)質(zhì)量和效果的目的。

3.系統(tǒng)推廣前景

（1）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統(tǒng)使多個用戶或?qū)W員同時參與到一個共享的虛擬施工任務(wù)空間，通過網(wǎng)絡(luò)與其他用戶共享信息，在分布式的虛擬施工仿真平臺上完成施工組織設(shè)計、施工方案評估評價，并對方案的開展過程和結(jié)果進行預(yù)演。學員通過高度聯(lián)系實踐的學習、訓(xùn)練，并協(xié)同完成教師課前規(guī)劃或預(yù)設(shè)的一項輸配電線路現(xiàn)場施工作業(yè)任務(wù)，以達到協(xié)同工作的目標，它將虛擬仿真輔助教學培訓(xùn)手段的應(yīng)用提高到了一個更高的境界。

（2）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統(tǒng)能夠更好地解決線路施工實踐教學過程中，多人現(xiàn)場作業(yè)存在的安全隱患問題，同時能夠節(jié)約實習實訓(xùn)資金，使技能培訓(xùn)不再局限于在有限的室內(nèi)課堂和室外基地，學員可以重復(fù)地觀摩、演練，多角度、全方位地觀察和操作，可以全面地、深入地參與到電網(wǎng)建設(shè)生產(chǎn)過程中。

（3）現(xiàn)代遠程教育工作是實現(xiàn)終身學習和教育培訓(xùn)的一種行之有效的手段，分布式虛擬仿真技術(shù)作為遠程教育支持系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，可以實現(xiàn)多人協(xié)同機制下的各種培訓(xùn)學習功能。本系統(tǒng)的技術(shù)成果和應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)軌驗殡娏π袠I(yè)培訓(xùn)提供有效的借鑒，積極推動企業(yè)教育手段的發(fā)展。

參考文獻：

[1]黃宵寧.輸電線路虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用[J].中國電力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黃宵寧，等.輸配電線路施工技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007：1-2.

[3]黃宵寧.虛擬仿真技術(shù)在輸電線路運檢專業(yè)技能培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中國輕工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建構(gòu)主義-革新傳統(tǒng)教學的理論基礎(chǔ)[J].電化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黃宵寧，楊志超.超高壓架空輸電鐵塔組立虛擬施工技術(shù)研究[J].電力建設(shè)，2007，（12）：55-57.

（責任編輯：王祝萍）