水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

劉建國，王世超，趙林明

(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

劉建國，王世超，趙林明

(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

摘要：針對熱能動力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在聯(lián)系實(shí)習(xí)單位難、實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)緊張等問題，開發(fā)了基于VRML的虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，首先對水電站廠房和水輪發(fā)電機(jī)組的零部件進(jìn)行了三維建模，然后應(yīng)用VRML編程接口SAI和EAI構(gòu)建了虛擬場景的動態(tài)交互，最終實(shí)現(xiàn)了水電站虛擬場景的漫游和水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬安裝。實(shí)際應(yīng)用表明，虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)有著較高的應(yīng)用價值。圖6幅。

關(guān)鍵詞：水電站；實(shí)踐教學(xué)；水輪發(fā)電機(jī)組；VRML；場景交互

1概述

熱能動力工程(水動方向)專業(yè)的安裝、檢修實(shí)習(xí)與運(yùn)行實(shí)習(xí)是該專業(yè)學(xué)生重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)習(xí)可以使學(xué)生全面掌握水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、安裝檢修及水電站生產(chǎn)過程，提高對所學(xué)理論知識的實(shí)際應(yīng)用能力。但隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大、市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)習(xí)教學(xué)遇到了前所未有的問題，如實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)緊張；以及隨著計劃經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變，電廠考慮到經(jīng)濟(jì)效益和安全問題，往往把學(xué)生實(shí)習(xí)視為負(fù)擔(dān)，對承擔(dān)學(xué)生實(shí)習(xí)任務(wù)的積極性下降[1_2]。這些問題嚴(yán)重影響了相關(guān)專業(yè)實(shí)踐性教學(xué)的質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計算機(jī)為核心的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，它可以向用戶提供視覺、聽覺、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助相應(yīng)的設(shè)備可以與虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互，有身臨其境的感受；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、娛樂、建筑、機(jī)械制造等行業(yè)。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于熱能動力工程專業(yè)(水動方向)的實(shí)踐教學(xué)中，構(gòu)建基于VRML的水電站實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)，學(xué)生在虛擬環(huán)境下可以完成對水利樞紐的認(rèn)識、水輪發(fā)電機(jī)組的安裝、檢修等實(shí)習(xí)。

2系統(tǒng)功能

虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的基本功能是建立水利樞紐的虛擬場景，展示水輪發(fā)電機(jī)組零部件的結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬安裝、實(shí)習(xí)輔助管理、在線討論等功能[3]。系統(tǒng)可分為5個模塊，如下所示(見圖1)。

圖1水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)示意

(1)水利樞紐虛擬場景，包括水庫、大壩及水電站廠房的虛擬場景。用戶可通過鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備對水庫、大壩進(jìn)行瀏覽，也可以進(jìn)入廠房發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、中央控制室了解設(shè)備的布置情況。

(2)水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，包括水輪機(jī)零部件、發(fā)電機(jī)零部件、過流部件的結(jié)構(gòu)形式、作用、檢修規(guī)程等。

(3)水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封、調(diào)速機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)定子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架等的自動虛擬安裝和交互虛擬安裝，其中虛擬場景的構(gòu)建和虛擬安裝的交互過程是系統(tǒng)的核心。

(4)輔助測試系統(tǒng)，建立實(shí)習(xí)測試試題庫，自動生成測試試題，學(xué)生完成測試提交后，自動評定成績。另外，還可以上傳實(shí)習(xí)報告并可以對實(shí)習(xí)成績進(jìn)行管理。

(5)在線討論，對實(shí)習(xí)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行在線討論。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1　三維模型的建立

水庫、大壩、水電站廠房及水輪發(fā)電機(jī)組各個零部件三維模型的建立是水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于水庫、大壩、水電站廠房、水輪發(fā)電機(jī)組的零部件使用VRML語言建立虛擬場景是相當(dāng)煩瑣的，毫無直觀性可言。因此在軟件開發(fā)過程中，選用三維實(shí)體設(shè)計軟件Pro/E建立水輪發(fā)電機(jī)組零部件的三維實(shí)體模型，并將Pro/E中設(shè)計好的三維模型再通過File(文件)命令輸出為VRML文件[4_5]。為減少三維建模的工作量，采用3DMAX建立水庫、大壩及水電站廠房的三維模型，并在3DMAX中導(dǎo)出VRML文件[6]。用Pro/E或3DMAX建模所生成的VRML文件比較大，這直接影響場景在服務(wù)器和瀏覽器之間的傳輸時間和虛擬場景在瀏覽器中的載入時間；這兩個時間太長會影響場景的瀏覽速度，使場景失去真實(shí)感，因此需要對三維模型加以優(yōu)化；可采用LOD技術(shù)[7]、代碼重用技術(shù)及VRMLPad編輯器編輯壓縮等方法對模型進(jìn)行優(yōu)化。

3.2　虛擬場景交互的實(shí)現(xiàn)

交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要特征，在本系統(tǒng)中通過交互實(shí)現(xiàn)場景的漫游及水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬安裝。VRML的交互方式有基于腳本編程接口SAI (Script Authoring Interface)的交互和基于外部編程接口EAI(External Authoring Interface)的交互[8]。

3.2.1基于SAI的交互

SAI是利用Script腳本節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)VRML與Java、Javascript的交互，Script節(jié)點(diǎn)主要由4部分組成，即eventIn事件，eventOut事件，多數(shù)據(jù)接口的field域和將VRML與Java、JavaScript、VrmlScript相聯(lián)系的url域，該域可以是Java程序(.class)的路徑，也可以是JavaScript或VrmlScript程序[9]。

在VRML中，可通過Script節(jié)點(diǎn)利用JavaScript語言或VrmlScript語言實(shí)現(xiàn)VRML場景的交互，這種方法靈活、簡單，但由于JavaScript和VrmlScript只是腳本語言，只能實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯控制和計算，如果要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制或計算，則需要使用Java語言。Java與VRML的交互是通過Script節(jié)點(diǎn)，利用VRML提供的vrml.*、vrml.field.*、vrml.node.*Java附加包實(shí)現(xiàn)的。Script節(jié)點(diǎn)的eventIn事件從一個節(jié)點(diǎn)接收參數(shù)，調(diào)用Java程序進(jìn)行處理與計算并返回計算結(jié)果，被加工的信息由Script節(jié)點(diǎn)的eventOut事件賦給另一個節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，即虛擬場景交互(見圖2)。

圖2SAI交互機(jī)制

3.2.2基于EAI的交互技術(shù)

如果要在VRML場景中添加VRML場景控制區(qū)，使用SAI不能滿足要求，但利用VRML的EAI接口則可以實(shí)現(xiàn)。EAI接口實(shí)際上是一個允許Java應(yīng)用程序訪問瀏覽器窗中VRML場景的JavaAPI函數(shù)包，類包中共有51個類和1個接口，它們分別被放在vrml.external、vrml.external.field和vrml.external.exception 3個包中。其基本思想是將VRML虛擬場景與Java Applet嵌在同一網(wǎng)頁中，Java Applet通過瀏覽器來控制VRML場景，實(shí)現(xiàn)Java與VRML的場景交互[10_11]。

利用EAI類包中的Browser和Node類，可以不用Script節(jié)點(diǎn)和路由，而直接由Java Applet調(diào)用getBrowser()方法建立Browser對象，以Browser對象的getNode()方法來引用虛擬場景的節(jié)點(diǎn)，由場景節(jié)點(diǎn)的getEventIn()、getEventOut()方法獲取事件，通過改變事件的值來改變場景，達(dá)到動態(tài)效果，由此實(shí)現(xiàn)Java與VRML場景的交互(見圖3)。

圖3EAI交互機(jī)制

在本文中的虛擬場景漫游和虛擬安裝就是以EAI方式來實(shí)現(xiàn)虛擬場景的控制。如水庫大壩虛擬場景漫游，控制區(qū)包括自動漫游、暫停漫游、繼續(xù)漫游、人工漫游按鈕和改變漫游速度的控制條，來控制漫游的開始、暫停、繼續(xù)和漫游速度(見圖4)。

圖4水庫大壩的虛擬場景漫游

3.3　數(shù)據(jù)庫的訪問

水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組的零部件、在線測試試題、用戶信息等數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)庫中，在交互過程中需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。系統(tǒng)采用MVC模式的三層Browse/Server(瀏覽器/服務(wù)器)體系結(jié)構(gòu)[12]。瀏覽器端安裝VRML插件，用于虛擬場景的顯示，該層是用戶和系統(tǒng)的接口。中間層即應(yīng)用服務(wù)器，采用JSP、JavaBean、Servlet等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的操作和邏輯控制。數(shù)據(jù)庫層采用SQLserver數(shù)據(jù)庫(見圖5)。

圖5系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用服務(wù)器的視圖層采用JSP技術(shù)，以網(wǎng)頁形式向用戶提供界面。Servlet實(shí)現(xiàn)控制層，Servlet控制器接收客戶端發(fā)送的請求，調(diào)用模型層中的JavaBean組件，進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，并將最終處理的結(jié)果返回給相應(yīng)的頁面進(jìn)行顯示。所有的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理都封裝在模型層的JavaBean組件中，包括數(shù)據(jù)庫操作類DBConnect、用戶對象類User、Sqluser等，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接、操作和修改等。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水電站虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)是以Pre/E、3DMAX、VrmaPad為開發(fā)工具，在Windows XP+Tomcat 6.0+SQL Server 2000環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)主界面分為3部分，分別是樹狀目錄、虛擬場景演示窗口和演示控制按鈕。頁面左側(cè)采用樹狀的目錄結(jié)構(gòu)，便于虛擬場景的瀏覽、水輪發(fā)電機(jī)組各零部件結(jié)構(gòu)的查看及水輪發(fā)電機(jī)組安裝檢修演示。用戶可以通過樹狀目錄選擇場景漫游、零部件結(jié)構(gòu)查看、安裝演示、在線測試及在線討論。例如，如果用戶查看水輪發(fā)電機(jī)組的原理演示，可通過點(diǎn)擊樹狀目錄中的水輪發(fā)電機(jī)組，即可實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的原理演示，在演示過程中可用右側(cè)的按鈕控制演示時間、暫停演示、繼續(xù)演示(見圖6)。

圖6系統(tǒng)主界面

5結(jié)論

本文以某一水電站實(shí)際數(shù)據(jù)為背景，采用三維建模軟件3DMAX、Pro/E分別對水電站的水庫、大壩、廠房及水輪發(fā)電機(jī)組主要零部件進(jìn)行三維建模，以VRML來建立虛擬場景，采用VRML和Java語言實(shí)現(xiàn)虛擬場景動態(tài)交互，完成了水利樞紐虛擬場景的漫游和水輪發(fā)電機(jī)組的虛擬安裝，應(yīng)用表明方法是行之有效的。使用虛擬實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和培訓(xùn)與傳統(tǒng)的現(xiàn)場培訓(xùn)相比，具有可以減少經(jīng)費(fèi)的投入，不受時間和場地的限制，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，解決了當(dāng)前學(xué)生實(shí)習(xí)存在的經(jīng)費(fèi)短缺等問題，因此具有較廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王啟廣．實(shí)習(xí)教學(xué)改革與能力培養(yǎng)的探索[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23(1):69_70．

[2]李貞培，李平．工科專業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J] ．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(6)：166_168．

[3]李永鋒．基于VRML的機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9)：69_71．

[4]鄧杰，陳銳．水輪機(jī)葉片測繪數(shù)據(jù)的三維CAD繪型[J] ．水利水電技術(shù)，2009，40(11)：103_106．

[5]馬世霞，劉丹. 基于VRML的虛擬組裝實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008,25(5):193_195.

[6]霍樹義，賁國雄．水電站油系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究[J]．水電能源科學(xué)，2010，28(11)：123_124．

[7]吳恩啟，杜寶江. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的地下電力管線可視化規(guī)劃研究[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,40(6):54_57.

[8]高建洪，胡志華．VRML虛擬場景中實(shí)時交互動畫的實(shí)現(xiàn)[J]．蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版)，2006，28(6)：36_38．

[9]陸昌輝．使用VRML與JAVA創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2007．

[10] 杜培富,劉衍聰.基于VRML和Java Applet的虛擬裝配平臺的實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)械工程與自動化,2008,(3):50_51.

[12] 鄒竹彪．JSP網(wǎng)絡(luò)編程從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

■

責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：劉建國(1964-)，男，教授，主要從事計算機(jī)輔助設(shè)計、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等方面的研究工作。

基金項目：河北省高等教育教學(xué)改革研究項目(2012GJJG089)

收稿日期：2015-07-20

E_mail: liujianguo_1964@163.com