梯級水電站群預(yù)報調(diào)度虛擬仿真實驗教學(xué)研究

程雄 ，郭家力 ，劉冀 ，李英海

（1.水利與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心三峽大學(xué)，湖北 宜昌；2.水利與環(huán)境學(xué)院三峽大學(xué)，湖北 宜昌）

近年來，隨著我國水電規(guī)模急劇擴(kuò)大，對水庫預(yù)報調(diào)度方向的人才需求變得非常強(qiáng)烈，然而水庫預(yù)報調(diào)度問題一直被公認(rèn)是水資源領(lǐng)域最為復(fù)雜的問題之一[1]，對調(diào)度員的專業(yè)知識特別是實踐能力要求極高，需要進(jìn)行針對性訓(xùn)練才能成為一名合格的調(diào)度員。目前有關(guān)水電站虛擬仿真研究主要針對電氣工程專業(yè)[2]、水利工程專業(yè)[3-4]、能源與動力工程專業(yè)[5]、水環(huán)境專業(yè)[6]，或者以成績評價方法和科研項目為主[7]，鮮見針對知識體系比較薄弱的水文與水資源本科專業(yè)開展教學(xué)研究[8]。由于缺少相關(guān)平臺讓學(xué)生進(jìn)行交叉學(xué)習(xí)及反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生遇到復(fù)雜實際問題時不能將相關(guān)知識點(diǎn)有效串聯(lián)起來，從而使學(xué)生對未來水庫預(yù)報調(diào)度工作的實際動手與操作能力受到很大限制。

本文圍繞梯級水電站徑流預(yù)報和發(fā)電調(diào)度問題，運(yùn)用B/S架構(gòu)和WebGL輕量化技術(shù)聯(lián)合開發(fā)電站基本信息仿真、降雨徑流預(yù)報和發(fā)電調(diào)度方案制作三大功能場景，以達(dá)到以下目標(biāo)：①了解典型大壩和水電站廠房類型及其關(guān)鍵特征；②掌握梯級水電站群徑流預(yù)報與發(fā)電調(diào)度的基本參數(shù)與運(yùn)行原理；③提高學(xué)生動手實踐能力，培養(yǎng)具有水利與電力交叉的復(fù)合型人才。

一 虛擬仿真實驗教學(xué)基本思路

（一） 教學(xué)方法思路

采用虛擬仿真信息化教學(xué)平臺，推進(jìn)沉浸式、自主式、交互式和反思式等“四式融合”實驗教學(xué)方法改革，解決了在真實環(huán)境中難以對水庫調(diào)度過程開設(shè)實驗的不足，并可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實驗資源的共享，極大地拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)資源和空間，豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)模式。

1.沉浸式三維漫游。學(xué)生進(jìn)入虛擬的梯級水電站群和廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗室，體驗氣勢宏大的三維水利樞紐、集控中心、廠房實驗室內(nèi)各儀器設(shè)備和空間布局，了解實驗室各組成部分和設(shè)備名稱，使學(xué)生熟悉實驗環(huán)境，如臨其境開展實驗。

2.自主式實驗設(shè)計。在進(jìn)行降雨預(yù)報和發(fā)電調(diào)度實驗時，學(xué)生可自主設(shè)置任意時段降雨量、暴雨中心位置、蒸發(fā)量、土壤前期含水量、日負(fù)荷以及電站水庫初始狀態(tài)等參數(shù)，自主設(shè)計實驗，做法相對靈活。還可自主設(shè)計非常規(guī)的極限參數(shù)組合，體驗“與眾不同”的后果，這種教學(xué)方式有助于鍛煉學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維。

3.交互式實驗操作。在實驗系統(tǒng)中，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)核心知識及原理、提示，對實驗步驟和實驗結(jié)果進(jìn)行分析、判斷與決策，系統(tǒng)具有錯誤提示和自動評價功能，學(xué)生通過人機(jī)交互，實現(xiàn)了邊學(xué)習(xí)、操作、邊考核，錯誤和不足之處可及時糾正。

4.反思式評價反饋。實驗操作結(jié)束后，通過填寫實驗報告和評價反饋，學(xué)生可以反思自己的全部操作及參數(shù)輸入情況，了解自己的知識能力缺陷。學(xué)生可根據(jù)評價結(jié)果和興趣，反復(fù)進(jìn)行虛擬仿真實驗，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效果。各模式關(guān)系如圖1所示。

圖1 實驗教學(xué)方法過程

（二） 實驗方法思路

分別采用了情境法、模型法和對比法展開虛擬仿真實驗，各實驗方法思路分別為：

1.情境法。本實驗為學(xué)生提供了與梯級水電站群預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)全面交互的機(jī)會，學(xué)生沉浸在虛擬的環(huán)境中，不僅能夠立體感知超大型水利工程的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)備特征，還可以對照“虛擬的實物”快速、直觀和高效地理解和掌握水電站大壩、廠房和機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)。在進(jìn)行電站基礎(chǔ)信息設(shè)置時，系統(tǒng)有提示與糾錯功能，允許學(xué)生“試錯”。情境法有效解決了傳統(tǒng)案例教學(xué)中受場地與安全性限制，學(xué)生不被允許操作調(diào)度臺，只能隔著玻璃遠(yuǎn)距離觀看等難題，提升了學(xué)生參與度與理解度。

2.模型法，本實驗中的降雨徑流預(yù)報模型，是通過預(yù)設(shè)日平均降雨信息，隨機(jī)生成24小時降雨量，然后采用單位線法預(yù)報龍頭電站的區(qū)間流量，最后采用面積比法預(yù)測下游電站的區(qū)間流量。本實驗發(fā)電調(diào)度模型，是模擬梯級水電站群集控中心在不同區(qū)間來水下，為響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰需求而制定出相應(yīng)的發(fā)電調(diào)度方案，調(diào)度方案以單站和梯級聯(lián)調(diào)方式展示，方案制定完后，通過仿真運(yùn)行的方式模擬電站水庫的調(diào)度運(yùn)行過程。

3.對比法，本實驗為學(xué)生提供足夠多的預(yù)設(shè)參數(shù)，學(xué)生可以根據(jù)自己理解與偏好設(shè)置不同參數(shù)值，然后針對不同參數(shù)組合下的預(yù)報結(jié)果和調(diào)度方案對比分析，學(xué)生通過分析和反思自己的全部操作及參數(shù)輸入情況，了解自己的知識能力缺陷。學(xué)生可根據(jù)評價結(jié)果和興趣，反復(fù)進(jìn)行虛擬仿真實驗，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效果。詳細(xì)的實驗方法過程見圖2。

圖2 實驗方法過程

二 擬仿真實驗實施過程

（一） 實驗?zāi)K內(nèi)容

本實驗設(shè)置了水文知識問答、電站信息設(shè)置、徑流預(yù)報流程和發(fā)電調(diào)度計算四個模塊，各模塊功能如下：

1.水文知識問答模塊，該模塊共有20道隨機(jī)抽取的選擇題（單選和多選各10道）和3道問答題，選擇題來源于50道題庫，學(xué)生做完選擇題后，系統(tǒng)自動判分，60分以上為及格；問答題需要做完實驗后，利用實驗數(shù)據(jù)撰寫實驗報告，然后將實驗報告上傳到平臺，由老師批閱給分。

2.電站信息設(shè)置模塊，水電站水庫的基礎(chǔ)資料非常多，涉及水工和水文方面的內(nèi)容，水工專業(yè)或水文專業(yè)的學(xué)生僅對自己專業(yè)知識比較熟悉，對非本專業(yè)概念比較模糊，采用三維仿真技術(shù)形象介紹了水電站水庫的基礎(chǔ)知識，并且預(yù)留了部分填空，學(xué)生需要詳細(xì)閱讀電站簡介后，填寫正確答案才能進(jìn)行下一步，通過此模塊可以加深學(xué)生對電站簡介和基礎(chǔ)知識的了解。

3.降雨徑流預(yù)報模塊，通過降雨信息預(yù)報電站的區(qū)間流量，首先是采用經(jīng)典單位線法預(yù)報龍頭電站，然后采用面積比法預(yù)報其它電站區(qū)間流量。

4.發(fā)電調(diào)度計算模塊，模擬梯級水電站群集控中心在不同區(qū)間來水下，為響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰需求而制定出相應(yīng)的發(fā)電調(diào)度方案，調(diào)度方案可以以單站和梯級聯(lián)調(diào)方式展示，方案制定完后，學(xué)生可將多組方案進(jìn)行比較，并將實驗報告提交給老師評閱。

（二） 實驗課時內(nèi)容

第一課時，教師提前1周布置理論課預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生需要重點(diǎn)掌握水文預(yù)報和水庫調(diào)度相關(guān)知識，然后學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬仿真平臺，預(yù)習(xí)本實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗設(shè)備和實驗預(yù)設(shè)參數(shù)，并完成水文知識問答，答題不合格的同學(xué)給予反饋信息，并要求再次答題，直到合格；第二課時實驗包括電站信息設(shè)置、降雨徑流預(yù)報參數(shù)敏感性實驗分析；第三課時，當(dāng)學(xué)生設(shè)置好電站信息后，需要對發(fā)電調(diào)度相關(guān)參數(shù)敏感性實驗分析：第四課時，比較不同降雨預(yù)報方案的區(qū)間流量大小、洪峰流量特點(diǎn)和洪水漲退規(guī)律，以及不同發(fā)電調(diào)度方案的調(diào)峰電量、出力特點(diǎn)和棄水情況等，分析說明在不同的實驗條件和操作下可能產(chǎn)生的實驗結(jié)果與結(jié)論，最后撰寫實驗報告。

三 虛擬仿真實驗特色

（一） 實驗設(shè)計的特色

梯級水電站預(yù)報調(diào)度是水文與水資源工程專業(yè)的核心內(nèi)容，是三峽大學(xué)水電特色的集中體現(xiàn)，該虛擬仿真實驗運(yùn)用了專業(yè)課程中所學(xué)習(xí)的水文水資源“測、報、算”全套知識內(nèi)容，本實驗利用宜昌世界水電之都的地理優(yōu)勢，將虛擬仿真與實踐教學(xué)進(jìn)行深度融合，以實際巨型水電站群為對象建設(shè)虛擬仿真實驗，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生作為水電調(diào)度人員的日常運(yùn)行操作能力，不但解決了專業(yè)在實踐教學(xué)中存在的瓶頸，還拓寬了實驗的廣度和深度，促使學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)全面提高。

（二） 教學(xué)方法的特色

在水庫預(yù)報調(diào)度教學(xué)中，采用課堂理論教學(xué)、集控中心現(xiàn)場實習(xí)、虛擬實驗操作體驗緊密結(jié)合的教學(xué)方法，實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的有效融合。在虛擬實驗的教學(xué)中進(jìn)一步采用“講解-示范-實踐-考核”遞進(jìn)模式，具體包括：教師對相關(guān)理論知識進(jìn)行講解、老師對虛擬仿真實驗進(jìn)行示范操作、學(xué)生在線實踐操作、老師答疑解惑、學(xué)生完成實驗操作和實驗報告、老師綜合評分等多個環(huán)節(jié)。

（三） 評價體系的特色

在水庫預(yù)報調(diào)度實驗教學(xué)中，系統(tǒng)可以為每位學(xué)生提供個性化的訓(xùn)練場景，學(xué)生能夠針對不同參數(shù)進(jìn)行自主設(shè)定，并采取不同參數(shù)組合的形式對降雨徑流預(yù)報和發(fā)電調(diào)度實驗進(jìn)行敏感性分析，以便逐漸加深對不同參數(shù)含意的理解，這為學(xué)生的個性化評價提供了條件。考核內(nèi)容由三部分組成：客觀選擇題、客觀操作步驟和主觀實驗報告，分?jǐn)?shù)占比權(quán)重分別是40%、30%和30%，其中客觀選擇題主要考查學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)水平，內(nèi)容涵蓋了水庫預(yù)報調(diào)度相關(guān)知識，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生提交的答案能夠自動判分；客觀操作步驟主要考查學(xué)生能否按正確實驗操作規(guī)范完成所有實驗，系統(tǒng)可以自動判分；主觀實驗報告主要考查對實驗數(shù)據(jù)分析處理的能力，可以提高學(xué)生動手和思考能力，這種主客觀相結(jié)合的評價體系能全方位考查學(xué)生對實驗的掌握情況。

四 典型界面

本實驗通過三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)演示拱壩、重力壩和閘壩的形狀及樞紐平面布置圖，以及地下式、壩后式和河床式廠房的橫剖結(jié)構(gòu)圖，如圖3-圖5所示：

圖3 廠房及輸水系統(tǒng)布置圖

圖4 地下式廠房橫剖圖

圖5 水文循環(huán)認(rèn)知實驗界面

五 結(jié)語

本文構(gòu)建的虛擬仿真實驗環(huán)境，全方位實現(xiàn)了電站信息管理、徑流預(yù)報和發(fā)電調(diào)度涉及的大部分知識點(diǎn)的實驗探究，將抽象難懂的電站基礎(chǔ)信息和預(yù)報調(diào)度結(jié)果以圖表和應(yīng)用場景直觀呈現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)實習(xí)中受場地與安全性限制，學(xué)生不被允許操作調(diào)度臺，只能隔著玻璃遠(yuǎn)距離觀看等難題，提升了學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度與理解度，切實拓展了以自主探究為主要形式的實驗教學(xué)方法，增強(qiáng)了學(xué)生應(yīng)用實驗手段解決實際復(fù)雜問題的動手能力，為畢業(yè)后適應(yīng)電網(wǎng)和流域集控中心的實際要求打下基礎(chǔ)。