基于虛擬仿真平臺(tái)的電力特色工程管理實(shí)踐教學(xué)模式探索

許傳博 李金超 陳文君

(1. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；2.新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引言

虛擬仿真技術(shù)最早興起于20世紀(jì)80年代的西方國(guó)家，通過利用計(jì)算機(jī)和傳感器的虛擬環(huán)境，逼真地模擬出現(xiàn)實(shí)世界的事物和環(huán)境，使用者通過與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，能產(chǎn)生身臨其境的感覺[1-2]。目前，虛擬仿真技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，早期主要集中在科研院所和企業(yè)，現(xiàn)階段則逐漸在諸多高校中得到了推廣。已有許多研究是基于虛擬仿真平臺(tái)來探索人才培養(yǎng)與教學(xué)模式的。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于虛擬仿真平臺(tái)的研究生課程教學(xué)改革方法，從精細(xì)化、真實(shí)化、可擴(kuò)展化以及模塊化四個(gè)方面對(duì)教學(xué)方式與教學(xué)過程進(jìn)行改革。文獻(xiàn)[4]基于本科生、研究生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一體化建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，利用虛擬仿真平臺(tái)的能源動(dòng)力類本科生、研究生一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化。文獻(xiàn)[5]提出為應(yīng)對(duì)攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，采用虛擬仿真技術(shù)提出攝影測(cè)量實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新解決方案。文獻(xiàn)[6]以開放場(chǎng)景圖(Open Scene Graph，OSG)三維引擎為核心，設(shè)計(jì)并建成水電站施工計(jì)劃與施工進(jìn)度三維虛擬仿真平臺(tái)，可在教學(xué)中形象地展示水電工程的施工計(jì)劃與施工進(jìn)度。

以上研究豐富了虛擬仿真平臺(tái)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)有基于虛擬仿真平臺(tái)的電力特色工程管理實(shí)踐教學(xué)模式的探索研究。工程管理實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，尤其是電力工程管理，涉及電力工業(yè)發(fā)電、輸電等多個(gè)環(huán)節(jié)，具有建設(shè)周期長(zhǎng)、施工環(huán)境復(fù)雜、高電壓、大電流、設(shè)備種類繁多等特點(diǎn)，易產(chǎn)生安全隱患，使師生不可避免地面臨安全風(fēng)險(xiǎn)威脅。因此，為了逼真地再現(xiàn)電力工程管理各環(huán)節(jié)建設(shè)過程和運(yùn)行狀態(tài)，虛擬仿真是工程管理專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要手段。

1 電力工程管理虛擬仿真實(shí)踐培養(yǎng)系統(tǒng)

1.1 信息化虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建思路

信息化虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建是通過引入無人機(jī)航天三維掃描成像系統(tǒng)、全站式建設(shè)工程激光3D掃描儀、多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)等先進(jìn)虛擬仿真設(shè)備，利用局域互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效整合虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)庫、三維可視化和物理模擬等虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和信息共享，見圖1。無人機(jī)航天三維掃描成像系統(tǒng)結(jié)合飛行器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和攝影技術(shù)等諸多前沿智能技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷的特點(diǎn)，可以輕松獲得目標(biāo)工程的地理測(cè)繪信息，對(duì)能源設(shè)施建設(shè)、能源選址評(píng)估、能源設(shè)施建設(shè)監(jiān)管都具有重要意義，也有利于對(duì)新能源電力工程全過程建設(shè)管理的教學(xué)和科研。全站式建設(shè)工程激光3D掃描儀能獲取掃描對(duì)象表面的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還原掃描對(duì)象的細(xì)節(jié)特征。使用該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)3D模型掃描，對(duì)工程測(cè)量、建模、管理、能源電力工程分析等領(lǐng)域的實(shí)踐教學(xué)有重要意義。用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)可進(jìn)行課堂演示及現(xiàn)場(chǎng)答疑，有效實(shí)現(xiàn)電力工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)踐教學(xué)的通連。

圖1 信息化虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建思路

1.2 電力工程管理人才實(shí)踐培養(yǎng)系統(tǒng)

基于電力工程虛擬仿真平臺(tái)(圖2)建立人才實(shí)踐培養(yǎng)系統(tǒng)，即利用無人機(jī)獲取電力工程現(xiàn)場(chǎng)信息，并將素材實(shí)時(shí)傳輸回課堂；電力工程管理人才基于Agisoft PhotoScan等軟件可自行完成電力工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的三維重構(gòu)，生動(dòng)、直觀地學(xué)習(xí)電力工程建設(shè)過程、電力工程系統(tǒng)，打牢基本功；利用3D掃描儀實(shí)時(shí)掃描電力工程施工、安裝等微觀信息，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像傳輸至課堂，教師利用RiSCAN PRO軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化重建模，輔助學(xué)生理解電力工程建設(shè)內(nèi)涵，創(chuàng)新實(shí)踐思維；利用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)清晰呈現(xiàn)電力工程建設(shè)宏微觀信息，加深學(xué)生對(duì)電力工程建設(shè)過程的領(lǐng)會(huì)與把握。

圖2 電力工程虛擬仿真平臺(tái)

在傳統(tǒng)的電力工程管理實(shí)踐教學(xué)中，由于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和安全性等因素的限制，學(xué)生往往很難到電力工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘探和數(shù)據(jù)采集，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)常流于形式，畢業(yè)實(shí)習(xí)難以獲得相應(yīng)的技能；同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)踐培養(yǎng)模式將實(shí)踐過程劃分成階段，導(dǎo)致實(shí)踐內(nèi)容缺乏連續(xù)性，培養(yǎng)效果嚴(yán)重受損。將該培養(yǎng)系統(tǒng)投入實(shí)踐教學(xué)，不必關(guān)注傳統(tǒng)實(shí)踐培養(yǎng)模式的階段性，保障了實(shí)踐培養(yǎng)過程的一致性，實(shí)現(xiàn)了一站式完成“認(rèn)識(shí)-生產(chǎn)-畢業(yè)”實(shí)習(xí)的所有內(nèi)容。電力工程管理人才對(duì)實(shí)踐內(nèi)容的理解和把握更為深刻，相應(yīng)的實(shí)踐培養(yǎng)周期也大幅縮短，培養(yǎng)效果與質(zhì)量都得到了顯著提升。

2 交互式電力工程過程可視化實(shí)操系統(tǒng)

2.1 電力工程管理人才實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理實(shí)操教學(xué)環(huán)境缺失造成特色人才難以獲得實(shí)操訓(xùn)練中的基本能力及創(chuàng)新理念。構(gòu)建基于BIM系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互式、過程可視化實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)(圖3)，將復(fù)雜的電力工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程數(shù)據(jù)化、模型化及可視化，輔助電力工程管理人才可以開展可視化電力工程建設(shè)設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)全過程模擬訓(xùn)練，交互式完成包括工期優(yōu)化、資源調(diào)配及設(shè)備安裝等實(shí)操內(nèi)容。該實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)切實(shí)保證了實(shí)操的臨場(chǎng)感，大幅提升了電力工程管理人才的實(shí)操和創(chuàng)新能力。

圖3 電力工程管理人才實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)

由于實(shí)體的電力工程建設(shè)時(shí)間跨度長(zhǎng)、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電力工程管理人才在短時(shí)間內(nèi)無法對(duì)工程形成整體性概念且認(rèn)知深度不夠，基于BIM系統(tǒng)的交互式、過程可視化的實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)成功解決了現(xiàn)實(shí)約束帶來的時(shí)間限制和認(rèn)知缺陷。通過調(diào)整時(shí)間參數(shù)可快進(jìn)電力工程建設(shè)過程，便于師生高效跟蹤體驗(yàn)電力工程建設(shè)項(xiàng)目的全過程，既有利于實(shí)操教學(xué)工作的完整實(shí)施，同時(shí)也可惠及更多學(xué)生。該系統(tǒng)提高了電力工程管理人才實(shí)操培養(yǎng)效果和質(zhì)量。

2.2 全面的交互式電力工程管理人才實(shí)操教學(xué)

交互式電力工程管理人才實(shí)操培養(yǎng)系統(tǒng)依托電力工程管理軟件和實(shí)體仿真模型(圖4)，為電力工程管理人才提供大量的動(dòng)手操作及實(shí)訓(xùn)分析的空間，培養(yǎng)學(xué)生的想象力及動(dòng)手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐能力，為特色人才提供能源電力建設(shè)前期策劃、施工管理、造價(jià)管控相關(guān)問題的大量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)與實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)電力工程管理的學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，畢業(yè)后可大大縮短與電力工程相關(guān)崗位的適應(yīng)期。

圖4 電力工程實(shí)體仿真模型

2.2.1 電力工程建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)組織實(shí)操訓(xùn)練

基于BIM系統(tǒng)，結(jié)合電力工程建設(shè)特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物，如圍墻、道路、基坑、建筑樓體、腳手架、護(hù)欄、建筑機(jī)械、材料等構(gòu)件三維造型的快速布置能力。同時(shí)系統(tǒng)擁有豐富的圖庫，能夠與3DS文件、DWG文件、PKPM軟件系列文件等無縫對(duì)接，方便學(xué)生獲得從任意方位展現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的三維實(shí)景圖。由此，電力工程管理人才可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力工程建設(shè)施工準(zhǔn)備階段整體的深刻認(rèn)知與把握，使其身臨其境，融入電力工程建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，保障高效率、生動(dòng)具象地完成電力工程建設(shè)施工準(zhǔn)備階段的實(shí)操訓(xùn)練，避免傳統(tǒng)實(shí)操訓(xùn)練的紙上談兵、枯燥乏味的描述教學(xué)現(xiàn)象。

2.2.2 電力工程建設(shè)管理實(shí)操訓(xùn)練

基于電力工程管理人才實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)，通過自主設(shè)定電力工程建設(shè)場(chǎng)景及基礎(chǔ)模板，對(duì)電力工程項(xiàng)目管理工序進(jìn)行系統(tǒng)化的內(nèi)容拓展，并開展有序的分組及管理程序制定，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目逐級(jí)細(xì)化管理。同時(shí)進(jìn)行電力工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度偏差分析，實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度動(dòng)態(tài)跟蹤與實(shí)際進(jìn)度調(diào)整；開展項(xiàng)目質(zhì)量分析與風(fēng)險(xiǎn)分析，實(shí)現(xiàn)全方位的過程控制仿真與偏差分析。由此，通過將工程建設(shè)信息模型與工程進(jìn)度、質(zhì)量及風(fēng)險(xiǎn)控制計(jì)劃有機(jī)結(jié)合，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)施情況的三維動(dòng)態(tài)展示，助力學(xué)生快速、方便且有效地交互式完成施工目標(biāo)控制計(jì)劃的制訂訓(xùn)練，大力提升電力工程管理人才對(duì)電力工程建設(shè)管理的理解和實(shí)操能力。

圖5 電力工程建設(shè)進(jìn)度管理實(shí)操訓(xùn)練

2.2.3 電力工程施工技術(shù)實(shí)操訓(xùn)練

基于BIM系統(tǒng)、電力工程實(shí)物模型、電力工程施工設(shè)計(jì)圖等資源，電力工程管理人才可開展并完成電力工程施工模板設(shè)計(jì)、腳手架專業(yè)設(shè)計(jì)、塔吊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算工具箱等實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的電力工程施工管理實(shí)操。通過對(duì)電力工程施工特點(diǎn)、施工流程、施工內(nèi)容體系及施工工器具基本使用原理的介紹與講解，可全方位助力電力工程管理人才對(duì)電力工程施工基本技能的掌握、基本器具的了解、基本施工規(guī)范的熟悉、基本工藝的學(xué)習(xí)。通過學(xué)生實(shí)訓(xùn)、動(dòng)手練習(xí)，利用固有模具的辨識(shí)、結(jié)構(gòu)分析、拆裝處理、反饋總結(jié)訓(xùn)練，可幫助學(xué)生有效提升動(dòng)手能力與分析能力，從而完成全面的電力工程施工管理訓(xùn)練。

2.2.4 電力工程造價(jià)編制實(shí)操訓(xùn)練

利用電力工程管理人才實(shí)操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)，搭建全方位的電力工程造價(jià)管理實(shí)操訓(xùn)練模塊?；诠こ塘拷y(tǒng)計(jì)分析模塊，電力工程管理人才可模擬演練電力工程項(xiàng)目工程量的快速統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)模型的有效運(yùn)用；利用工程造價(jià)管理集成分析模塊，可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電力工程造價(jià)管控的有效分析，包括造價(jià)偏差的分析、費(fèi)用構(gòu)成的分析、外部因素的影響分析、造價(jià)指數(shù)的變化分析、造價(jià)管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析等；利用導(dǎo)入的大量電力工程造價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工程參數(shù)信息，可培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行具體工程投資估算、初步設(shè)計(jì)概算、施工圖預(yù)算的操作能力，見圖6。同時(shí)，在工程建設(shè)定額標(biāo)準(zhǔn)研究制定、工程造價(jià)管控關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用、工程造價(jià)分析、項(xiàng)目評(píng)審、后評(píng)估、投資預(yù)測(cè)分析等多個(gè)方面提供實(shí)操訓(xùn)練，并提供充足的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)及實(shí)踐分析平臺(tái)，保證了電力工程管理人才實(shí)操訓(xùn)練的真實(shí)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖6 電力工程造價(jià)管控案例實(shí)操訓(xùn)練

3 遠(yuǎn)程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理具有技術(shù)密集特性，同時(shí)涉及能源市場(chǎng)、運(yùn)輸市場(chǎng)、生產(chǎn)市場(chǎng)、價(jià)格市場(chǎng)、金融市場(chǎng)、用戶市場(chǎng)等多個(gè)重要領(lǐng)域。因此，電力工程管理人才的培養(yǎng)更需要注重技術(shù)知識(shí)背景、經(jīng)濟(jì)理論知識(shí)、生產(chǎn)管理技能等綜合知識(shí)體系的構(gòu)建。所以，電力工程管理人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)一線對(duì)接，與現(xiàn)實(shí)管理工作需求相匹配。

3.1 “時(shí)間-空間”覆蓋型電力工程管理人才遠(yuǎn)程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)

構(gòu)建遠(yuǎn)程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)有效解決傳統(tǒng)高校教學(xué)資源受限的問題，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸將全國(guó)多地域的電力工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)鮮活地展現(xiàn)在電力工程管理教學(xué)課堂中，豐富了電力工程管理教學(xué)資源，見圖7。同時(shí)該系統(tǒng)突破了時(shí)間瓶頸，具體表現(xiàn)為：一是將電力工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的前沿技術(shù)引入教學(xué)課堂，保證了教學(xué)資源的先進(jìn)性和新穎性；二是前沿技術(shù)向教學(xué)課堂的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了無縫轉(zhuǎn)換，消除了原先轉(zhuǎn)化過程的延時(shí)和低效。由此形成“時(shí)間-空間”覆蓋型電力工程管理人才遠(yuǎn)程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高校與企業(yè)之間的信息流動(dòng)，有效避免了理論知識(shí)培養(yǎng)的滯后性。

圖7 電力工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)前沿技術(shù)展示

3.2 電力工程管理人才聯(lián)動(dòng)培養(yǎng)模式

高校作為連接社會(huì)、企業(yè)與人才的平臺(tái)受到了廣泛的關(guān)注。電力工程管理人才聯(lián)動(dòng)培養(yǎng)模式的構(gòu)建既符合現(xiàn)實(shí)需要，又能有力應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。高校與合作企業(yè)通過人才交流，一方面，可定期組織召開專題講座、學(xué)術(shù)匯報(bào)、專家研討會(huì)等活動(dòng)，全方位、持續(xù)把握最新產(chǎn)業(yè)理論及技術(shù)更新信息；另一方面，企業(yè)通過為高校提供項(xiàng)目、崗位等支持，協(xié)同助力電力工程管理人才了解企業(yè)的運(yùn)營(yíng)機(jī)制與崗位需求。通過電力工程管理人才參加生產(chǎn)過程的經(jīng)驗(yàn)與企業(yè)的需求反饋，可以動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地識(shí)別當(dāng)前電力工程管理人才培養(yǎng)的缺口與短板，及時(shí)調(diào)整并完善培養(yǎng)方案，構(gòu)建電力工程管理人才聯(lián)動(dòng)培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)人才需求與高校人才培養(yǎng)的有效對(duì)接，培養(yǎng)符合社會(huì)需求、具有前沿意識(shí)與技能以及創(chuàng)新能力的復(fù)合型電力工程管理人才，大幅提升電力工程管理人才的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的基于虛擬仿真平臺(tái)的電力特色工程管理實(shí)踐教學(xué)模式是在國(guó)家大力推行創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、強(qiáng)調(diào)優(yōu)化高校人才培養(yǎng)機(jī)制的契機(jī)下，從人才培養(yǎng)規(guī)律出發(fā)，根據(jù)新時(shí)期國(guó)家、社會(huì)和電力行業(yè)發(fā)展對(duì)電力工程管理人才的需求，通過建立虛擬仿真實(shí)踐培養(yǎng)系統(tǒng)、交互式可視化實(shí)操系統(tǒng)、遠(yuǎn)程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，對(duì)電力工程管理實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行的系統(tǒng)性改革。本文提出的模式在提高時(shí)間培養(yǎng)效率的同時(shí)，打破了傳統(tǒng)的“認(rèn)識(shí)-生產(chǎn)-畢業(yè)”實(shí)踐三階段模式，降低了實(shí)踐培養(yǎng)成本，創(chuàng)新性地解決了高校實(shí)踐效果不佳的問題。