虛擬仿真系統(tǒng)在水電站教學(xué)中的應(yīng)用研究

尹紅霞　王一新　簡(jiǎn)新平

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將具有時(shí)空特性的水利水電工程數(shù)據(jù)集合進(jìn)行可視化分析。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到水電站教學(xué)中，建立河床式水電站的仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀W(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，可深入了解電站樞紐、電站廠房、軸流式水輪機(jī)等水利水電工程和設(shè)備，并能模擬水輪機(jī)組安裝與檢修。在開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，要求學(xué)生自主構(gòu)想、設(shè)計(jì)、完成并驗(yàn)證虛擬模型，教學(xué)效果顯著。在理論結(jié)合虛擬仿真的指導(dǎo)下，使學(xué)生提高認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)能力，充分體現(xiàn)CDIO工程教育模式的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水電站教學(xué)；虛擬仿真；CDIO教育模式

中圖分類號(hào)：TV73-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2016）02-0171-03

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1-2]（Virtual Reality，VR）是一種綜合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)及仿真技術(shù)等多學(xué)科所形成的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新技術(shù)，也是集力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論為一體的綜合應(yīng)用技術(shù)。通過生成具有接近真實(shí)世界的視、聽、觸覺等作用的虛擬環(huán)境，用戶可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種操作[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水利、土木工程施工領(lǐng)域的研究工作也逐步推進(jìn)，并在施工規(guī)劃、施工管理、施工仿真等方面發(fā)揮了重要作用。

水利水電工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，投資額大，技術(shù)要求高，因受自然條件限制影響，不確定因素眾多，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、交互對(duì)具有時(shí)空特性的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析成為信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)，是水利水電工程科學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的必然產(chǎn)物。如一些高校提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可對(duì)施工過程中混凝土施工進(jìn)行仿真研究，對(duì)施工場(chǎng)區(qū)道路進(jìn)行三維可視化輔助設(shè)計(jì)，對(duì)壩體澆筑施工過程進(jìn)行模擬等[4-6]。

在水電站的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生不能多視角動(dòng)態(tài)觀看宏觀水利樞紐、大壩、廠房等水利水電工程結(jié)構(gòu)，無法親自動(dòng)手參與電站運(yùn)行、安裝和檢修等。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可徹底打破空間的限制，利用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)、高性能圖像生成及處理系統(tǒng)、虛擬三維顯示系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)自行開發(fā)了水利樞紐虛擬仿真、水電站廠區(qū)樞紐虛擬仿真、水輪機(jī)組安裝與檢修虛擬仿真等系統(tǒng)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)促進(jìn)教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的作用和意義

（一）開創(chuàng)了全新的學(xué)習(xí)場(chǎng)景——徹底打破空間、時(shí)間的限制

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，徹底打破空間的限制，學(xué)生可進(jìn)入虛擬的蝸殼、尾水管等內(nèi)部，考察物體內(nèi)部的工作情況。虛擬技術(shù)還可突破時(shí)間的限制，一些需要長(zhǎng)時(shí)間才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可在很短的時(shí)間內(nèi)提供給學(xué)生觀察。

（二）提供了嶄新的教學(xué)手段——構(gòu)建實(shí)物虛化、虛物實(shí)化的方法

可在課堂和實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式中無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)過程。對(duì)學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行虛擬和虛物實(shí)化，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。

（三）節(jié)約了有限的教育成本——開展虛擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行虛擬生產(chǎn)

在節(jié)約儀器設(shè)備費(fèi)用的前提下，解決在教學(xué)中因?qū)嶒?yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等不足而無法進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)的問題。虛擬訓(xùn)練可避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞，材料消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。

河床式水電站虛擬仿真研究應(yīng)用于教學(xué)即為CDIO工程教育模式[7]，形成了強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重視實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，兼顧知識(shí)、協(xié)作能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位和“做中學(xué)”的工程教育思想[8]。

二、水電站虛擬仿真教學(xué)研究?jī)?nèi)容

通過電站樞紐、電站廠房、軸流式水輪機(jī)構(gòu)造等水利水電工程和設(shè)備的虛擬仿真及水輪機(jī)組安裝與檢修虛擬仿真，構(gòu)建完整的水電站虛擬仿真系統(tǒng)。

河床式水電站虛擬仿真系統(tǒng)的主要構(gòu)架包括虛擬控制中心、數(shù)值仿真服務(wù)器、虛擬場(chǎng)景展示及虛擬設(shè)備展示，如圖1所示。其中，虛擬控制中心基于虛擬現(xiàn)實(shí)及數(shù)值仿真技術(shù)研發(fā)水電站虛擬仿真系統(tǒng)、水輪機(jī)組安裝與檢修虛擬仿真系統(tǒng)等，數(shù)值仿真服務(wù)器利用現(xiàn)有商業(yè)軟件FLOW-3D、FLUENT等和自主研發(fā)程序建立數(shù)值仿真系統(tǒng)，虛擬場(chǎng)景展示是指對(duì)大壩樞紐全貌進(jìn)行三維展示，虛擬設(shè)備展示是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬水輪機(jī)安裝、檢修等過程。

（一）水電站廠房三維可視化虛擬漫游

學(xué)生通過對(duì)鼠標(biāo)鍵盤操控，可將自己置身于虛擬環(huán)境中，學(xué)生與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。實(shí)現(xiàn)在水利樞紐、電站廠房的自主參觀。

（二）針對(duì)軸流式水輪機(jī)構(gòu)造的虛擬實(shí)習(xí)

由于水電站運(yùn)行的特點(diǎn)，實(shí)習(xí)中不可能看到水輪發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部構(gòu)造，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不但可以任意角度觀察水輪機(jī)的組成部分，并可對(duì)其進(jìn)行剖切，直觀了解其工作原理。

（三）虛擬水輪機(jī)組安裝與檢修

實(shí)際實(shí)習(xí)中，學(xué)生不可能進(jìn)行真正水輪機(jī)組的安裝。通過虛擬安裝與檢修，學(xué)生可完成虛擬水輪機(jī)組安裝與檢修的整個(gè)過程，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建如圖2。

三、特色與創(chuàng)新之處

（一）以CDIO工程教育作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，教學(xué)特色鮮明

結(jié)合水利水電類專業(yè)特點(diǎn)，突出工程實(shí)踐的教學(xué)模式。在課堂教學(xué)中，學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，隨后的課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生自行討論解決，并可通過仿真系統(tǒng)建立虛擬模型，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證其合理性。在理論教學(xué)結(jié)合虛擬仿真教學(xué)的指導(dǎo)下，學(xué)生認(rèn)識(shí)提高，實(shí)踐能力增強(qiáng)，在第三屆全國(guó)大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，河北工程大學(xué)四件作品全部獲獎(jiǎng)，其中的“齒輪齒條垂直升船機(jī)”作品榮獲一等獎(jiǎng)。

（二）自行研發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)及數(shù)值仿真技術(shù)研發(fā)的河床式水電站仿真系統(tǒng)，是利用現(xiàn)有商業(yè)軟件和自主研發(fā)程序建立的。仿真系統(tǒng)建成后，可展示三維虛擬模型，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了水電站立體式、沉浸式仿真試驗(yàn)，教學(xué)效果大幅度提高。

（三）以學(xué)生為主體的開放式教學(xué)模式，有效提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力

一改長(zhǎng)期以來“以教為主”的教學(xué)模式，采取了由學(xué)生自主操作的“以學(xué)為主”的教學(xué)模式，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

（四）結(jié)合科研和實(shí)際工程項(xiàng)目，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容豐富

河北工程大學(xué)水電學(xué)院“水利水電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心” 獲評(píng)省級(jí)教學(xué)中心，仿真系統(tǒng)建成后，可結(jié)合實(shí)際工程與科研項(xiàng)目，拓展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提升了學(xué)生的知識(shí)水平，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，有力地促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)科前沿意識(shí)的培養(yǎng)。

四、結(jié)語

在水電站的教學(xué)中，由于水利水電工程建設(shè)的復(fù)雜性及各種限制條件，學(xué)生對(duì)水電站認(rèn)識(shí)會(huì)受到時(shí)間及空間條件影響。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立了河床式水電站的虛擬仿真模型。通過水電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了以學(xué)生為主體的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索，學(xué)生可了解電站內(nèi)部構(gòu)造、水輪機(jī)組的安裝檢修等，并可在虛擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)想。這種以學(xué)生為主體的開放式教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，獲得了理想的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張茂軍.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]趙沁平.虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J].中國(guó)科學(xué)F輯：信息科學(xué)，2009，39（1）：2-46.

[3]王基生，等.虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)和應(yīng)用的理性思考[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（2）：135-139.

[4]鐘登華，等.工程可視化輔助設(shè)計(jì)理論化方法與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[5]劉喜武，等.虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào)，2008（10）：45-47.

[6]黃少華，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在水利工程仿真中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2006，37（5）：36-38.

[7]王剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國(guó)高教研究，2009（5）：86-87.

[8]河北工程大學(xué)水利水電工程專業(yè)培養(yǎng)方案[Z].2014.

（編輯 周 沫）