虛擬仿真技術(shù)在道路工程實踐教學中的應(yīng)用

王浩

摘要：道路工程設(shè)計是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）重要的實踐教學環(huán)節(jié).目前實踐教學過程中存在較多不足和問題，教學效果不佳，而Roadleader（路立得）軟件虛擬仿真技術(shù)的運用，為學生提供設(shè)計、建模和仿真平臺交互操作的真實體驗環(huán)境，有效緩解了該課程實踐教學所面臨的困境.通過問題分析、案例分析和教學改革措施研究，詳細介紹了道路工程設(shè)計課程開展虛擬仿真教學的具體教改措施，實踐證明虛擬仿真技術(shù)的運用能明顯提高該課程實踐教學質(zhì)量.

關(guān)鍵詞：道路工程;虛擬仿真;實踐教學

中圖分類號：G642.45? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0160-03

道路工程是國家經(jīng)濟、社會正常運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有總量大、路線長、投資巨大、建設(shè)與運營周期長等特點.同時道路工程長期直接暴露在復雜的自然環(huán)境下，勘察設(shè)計困難，施工工序繁多、組織管理復雜.道路工程的在設(shè)計、施工和管理方面的這些特點和困難，同樣也是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）道路工程實踐教學所面臨的困境.同時，在日常實踐教學中，學校在教學設(shè)備和教學手段方面無法提供真實的工作環(huán)境與工作條件，因此，面臨著實踐教學與實踐操作和工作嚴重脫節(jié)的困境，導致實踐教學枯燥乏味，學生學習積極性不高，教學效果不佳.而虛擬仿真技術(shù)通過利用虛擬現(xiàn)實、人機交互、仿真等信息化手段，構(gòu)建開放自主、高度仿真的虛擬實驗環(huán)境、儀器設(shè)備和實驗對象[1]，打破以教師為中心的傳統(tǒng)的教師為中心實踐教學模式，探索以學生為中心的新模式，將先進的教學理念和最新的規(guī)范要求設(shè)計在實踐實驗系統(tǒng)中[2]，實驗教學效果顯著提高，為實現(xiàn)教學的理念先進、理論科學、實踐創(chuàng)新提供設(shè)備基礎(chǔ)和技術(shù)支撐[3].

通過運用Roadleader（路立得）軟件提供的虛擬仿真技術(shù)，為學生提供設(shè)計、建模和仿真平臺交互操作的真實體驗環(huán)境.開展道路設(shè)計的虛擬仿真實踐操作，向?qū)W生傳授相關(guān)軟硬件的使用方法，使學生能全面熟練掌握道路勘測設(shè)計基本技能并了解相關(guān)的先進技術(shù).

1 道路工程設(shè)計實踐教學存在的問題

道路工程設(shè)計按照選線、定線、平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計和橫斷面設(shè)計五個步驟展開，平面交叉、立體交叉、沿線設(shè)施、環(huán)境保護和景觀等結(jié)合前面五個步驟的實際情況和整體布局進行設(shè)計.通過實踐教學評價和學生意見調(diào)查反饋發(fā)現(xiàn)，學生學習的積極性不高，教學效果不佳.例如選線和定線階段，傳統(tǒng)的實踐教學運用紙質(zhì)地形圖和CAD地形圖進行，學生對平原、山嶺和丘陵等地形以及復雜的地質(zhì)情況，很難有直觀的認識，而實地考察進行選線雖然直觀，但實驗成本高，且場地地形單一，不可能涉及各種地形，所以很難在考慮各種地形的前提下完成后面的平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計和平縱線形組合設(shè)計[4].

因此，以電子地形圖為基礎(chǔ)的Roadleader軟件通過數(shù)字高程模型建模實現(xiàn)了道路虛擬仿真設(shè)計，可以讓學生在各種不同的地形下進行道路設(shè)計，并能實時的查看道路三維仿真動態(tài)效果圖，直觀方便的檢查設(shè)計效果，以及對不同設(shè)計方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較.

2 教學案例

Roadleader軟件是一款基于BIM理念的三維道路設(shè)計軟件，除了常規(guī)的路線設(shè)計、縱斷面和平面設(shè)計外，具備地形三維建模、交叉口三維建模、道路三維建模、自動更新以及三維漫游等功能，可以查看三維的地形、交叉口、綠化景觀、道路設(shè)施等，并且可以實現(xiàn)在高仿真環(huán)境中的駕駛視角、高空飛行視角等多視角的模擬行車，直觀的觀察全路線實況，切身感受平面線形連接變化、縱坡起伏、平縱組合、超高和加寬過渡等設(shè)計是否合理.通過Roadleader軟件進行道路設(shè)計，按照建立數(shù)字地形模型、路線設(shè)計（平面線型設(shè)計）、縱斷面設(shè)計、道路設(shè)計（道路橫斷面設(shè)計）主要的四個步驟進行[5].

第一步是建立數(shù)字地形模型，打開一張原始的CAD地形圖，地形圖中主要用的數(shù)據(jù)是高程點和等高線，還有一些河流、房屋的邊界線等，高程點和等高線都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和屬性.地形圖數(shù)據(jù)完整條件下，通過軟件高程點識別和快速轉(zhuǎn)化等高線功能可以自動識別高程數(shù)據(jù)，建立三維地形模型，并查看三維地形，直觀查看高程異常的高程點，通過高程檢查來排序查找出高程數(shù)據(jù)異常的高程點，并將錯誤數(shù)據(jù)改為正確的數(shù)據(jù).

第二步平面線型設(shè)計，提供了導線法和曲線法兩種設(shè)計方法，對于主線，不管公路還是市政道路，大多數(shù)采用導線法進行設(shè)計，而對于立交、匝道采用曲線法進行設(shè)計.設(shè)計前需要對地形有詳細的了解，軟件對地形圖高程范圍用不同的顏色進行表明，同一個顏色或者顏色相近說明高程相差不大，可以直觀顯示出地形走勢和范圍，輔助學生進行平面線型設(shè)計.然后以導線法為例，先是在軟件操作界面中布置導線點，可以布置多個導線點，盡量將導線點布置在同一顏色的區(qū)域內(nèi);通過剖切地面線視圖和三維視圖等查看路線高程差變化情況;接下來是平曲線設(shè)計，主要是緩和曲線和圓曲線組合設(shè)計，可以通過控制切線、外距等參數(shù)進行設(shè)計，選定其中一種控制方式和計算方式，對導線點的圓曲線半徑和緩和曲線長度等參數(shù)進行設(shè)置，并通過軟件自動計算出切線長度、外距值等參數(shù)，計算完成后，平面線型設(shè)計即完成.

第三步縱斷面設(shè)計，先錄入自然縱斷面數(shù)據(jù)，可以自行導入數(shù)據(jù)，也可以從地形圖中提取，生產(chǎn)自然縱斷;接著新建設(shè)計縱斷和縱斷拉坡圖，進入縱斷拉坡圖界面，在起終點之間添加多個變坡點，根據(jù)地形，調(diào)整邊坡點位置，可以通過保持前坡度不變、保持后坡度不變、高程不變、自由移動等多個方式進行調(diào);下一步是豎曲線設(shè)計，可以通過鼠標拖動進行設(shè)計，也可以自己設(shè)置曲線半徑等參數(shù)進行設(shè)計;在豎曲線拉坡過程中，可以隨時通過填挖方視圖查看填挖方變化情況，也可以通過三維視圖查看道路的大概的圖形.

第四步道路工程設(shè)計，創(chuàng)建道路，設(shè)置板塊形式，提供了高速公路、一級公路、二級公路等公路，以及一塊板、二塊板等市政道路，還可以設(shè)置邊坡、擋土墻的結(jié)構(gòu)形式;設(shè)計過程中可以隨時查看三維圖像，如圖1.

道路平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計完成后，可以對邊坡?lián)跬翂?、隧道、橋梁、平面交叉、立交和交通設(shè)施等進行設(shè)計，如圖2和圖3，分別是道路設(shè)計中隧道范圍的平面設(shè)計圖和用Roadleader軟件生產(chǎn)的虛擬仿真效果圖.軟件還能自動計算土石方量、平曲線表等.

3 教學改革措施

一是強化實踐教學的工程性和綜合性.

道路工程設(shè)計是土木工程專業(yè)（道路與橋梁工程方向）基礎(chǔ)性的教學實踐內(nèi)容，通過組織學生自主設(shè)計道路工程可加深對道路勘察設(shè)計課程教學內(nèi)容及基礎(chǔ)工程、橋梁工程、隧道工程等相關(guān)課程知識的理解[6]，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力，同時為畢業(yè)設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)[7].

道路工程設(shè)計的題目應(yīng)選擇實際工程項目，讓學生參與實際工程項目設(shè)計，激發(fā)學生對積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生解決工程問題的能力;道路工程設(shè)計的題目應(yīng)具有綜合性，不僅是道路的平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計，還要求對擋土墻、隧道、橋梁、綠化景觀等項目進行設(shè)計，它綜合了道路工程、橋隧工程等內(nèi)容.

二是豐富教師的工程實踐經(jīng)驗.

負責道路工程實踐教學的教師，不僅需要儲備大量專業(yè)理論知識，而且需要有參與工程建設(shè)的實踐經(jīng)驗，熟練掌握道路工程設(shè)計的各個步驟，進而提高自身的專業(yè)素養(yǎng).因此，高校應(yīng)支持和鼓勵教師到施工單位、勘察設(shè)計單位及其他相關(guān)單位掛職鍛煉，為教師提供參與工程建設(shè)的機會，教師通過對工程操作的實際了解，是提高教師自身工程經(jīng)驗的有效途經(jīng)[8];也可以通過有豐富實際工程經(jīng)驗的教師，組建教學團隊培養(yǎng)缺乏經(jīng)驗的青年教師;聘請企業(yè)中實踐經(jīng)驗豐富的工程技術(shù)人才，以兼職身份加入教師隊伍中，可以快速的將工程生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗帶入學校課堂中，或者到校開設(shè)專題講座，解答教師、學生的疑問;與企業(yè)合作開發(fā)虛擬仿真實驗教學軟件和系統(tǒng)，鼓勵學生參入教學平臺的建設(shè)中既可以提高教師學生的實踐經(jīng)驗和能力，又激發(fā)學生對專業(yè)的興趣、好奇心和進一步學習探索的欲望，同時也加強企業(yè)與學校之間的合作，促進雙方先進的理念和管理模式交流學習.

三是設(shè)置開放性實踐課程，增強學生實踐創(chuàng)新能力.

通過利用實驗室計算機、軟件等實驗設(shè)備，在課余時間開設(shè)實踐教學課程，老師指導和協(xié)助學生實踐操作，實現(xiàn)學生在課余時間對自己學習的理論知識進行實踐鍛煉，讓學生能夠?qū)⒆约簩W習中的想法和創(chuàng)意，投入到實踐中，形成一些具有一定創(chuàng)造性的小成果.例如吉首大學通過設(shè)置實驗室開放基金項目，為老師和學生提供一定的經(jīng)費，學生在老師的指導下，可以在實驗室內(nèi)開展實驗和實踐教學.通過多年的政策實施，引導學生積極投入到實驗室科研和教學活動中，最大限度發(fā)揮實驗設(shè)備的作用，鍛煉了學生的實踐能力.

4 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)具有耗能低、效率高、時效性強、開放度高等特點，解決了學生多而實驗設(shè)備少的困境，為學生實踐與創(chuàng)新能力的提升提供了新的教學模式.通過Roadleader軟件的虛擬仿真技術(shù)，進行道路工程設(shè)計的實踐教學，實現(xiàn)了道路工程全過程數(shù)字化的教學改革，教學效果顯著改善，進一步提高學生的專業(yè)技能、實踐技能和信息技術(shù)應(yīng)用能力，是落實教育信息化2.0行動計劃的具體舉措.

參考文獻：

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〔7〕喻杰.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的交通工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)改革探討[J].亞太教育，2015（30）：80-82.

〔8〕趙玉紅.高校土木工程專業(yè)教師工程經(jīng)驗提升的思考[J].教育教學論壇，2016（05）：26-27.