朱達(dá)凱

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 311231

水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐

朱達(dá)凱

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 311231

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,將越來越受到高職院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的關(guān)注和重視。“水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”,采用當(dāng)今優(yōu)秀的視景建模軟件MultiGen Creator和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)軟件Vega,配以SGI高性能圖形工作站,結(jié)合ArcGIS,MicroStation,AutoCAD,構(gòu)建了基本的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái),為高職水利工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了可視化的虛擬仿真環(huán)境。

虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；研究與實(shí)踐

職業(yè)教育是以就業(yè)為導(dǎo)向、以技能訓(xùn)練為核心的教育。工學(xué)結(jié)合背景下的實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法、手段的改革一直是高職教育十分關(guān)注的重要課題。當(dāng)前，高職教育的發(fā)展已經(jīng)把虛擬仿真技術(shù)推到前所未有的高度，有專家預(yù)言，虛擬仿真技術(shù)是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)具有職業(yè)性與典型性、情境性、過程性、交互性與智能型、趣味性等特征。正因?yàn)槿绱?，教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中明確指出：“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬實(shí)驗(yàn)”。種種跡象表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)將是今后高職實(shí)踐性教學(xué)改革的一個(gè)重要發(fā)展方向。

一、技術(shù)方案

虛擬仿真技術(shù)以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具,利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。

“水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”主要以水利工程為研究對(duì)象，采用當(dāng)今優(yōu)秀的視景建模軟件MultiGen Creator和實(shí)時(shí)視景驅(qū)動(dòng)軟件Vega，配以高性能圖形工作站，結(jié)合ArcGIS、Microstation、AutoCAD，構(gòu)成了基本的虛擬仿真工作環(huán)境，以CAD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成精確的逼真的三維模型。其核心是通過對(duì)水利工程、自然災(zāi)害的仿真，建立三維的、動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的、可視的虛擬仿真環(huán)境。

1.系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇

目前，虛擬仿真軟件發(fā)展迅速，且種類較多，本系統(tǒng)的研究和開發(fā)中選用了目前開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)秀軟件，虛擬建模軟件MultiGen Creator和實(shí)時(shí)視景驅(qū)動(dòng)軟件Vega。MultiGen Creator是目前惟一將多邊形建模和紋理貼圖、矢量編輯和建模、地貌地形生成集成在一起的3D建模工具，其對(duì)3D場(chǎng)景的描述幾乎成為視景仿真領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MultiGen Creator定義了一種數(shù)據(jù)庫的格式OpenFlight，數(shù)據(jù)庫采用樹狀層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，支持很多視景仿真中的概念，如光源、紋理映射，層次細(xì)節(jié)模型(LOD)、3D聲音、自由度、動(dòng)畫序列及模型的實(shí)例化等。

Vega是MultiGen-Paradigm公司應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的世界領(lǐng)先的軟件環(huán)境，它將易用的工具和高級(jí)仿真功能巧妙地結(jié)合起來，可以迅速地創(chuàng)建各種實(shí)時(shí)交互的三維環(huán)境，使開發(fā)人員可以投入更多的精力在專業(yè)應(yīng)用上。它主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是被稱為L(zhǎng)ynx的圖形用戶界面工具箱，另一個(gè)是基于C語言的應(yīng)用程序接口，即:Vega API函數(shù)庫。采用Vega API函數(shù)開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真系統(tǒng)能顯著提高工作效率，大幅度減少源代碼開發(fā)時(shí)間，很容易實(shí)現(xiàn)漫游、縮放、視點(diǎn)切換、碰撞檢測(cè)、地勢(shì)追蹤、獲取目標(biāo)信息等功能。

2.系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)流程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)劃分為以下9個(gè)部分。

(1)工程數(shù)字幾何建模和水工建筑物部件運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模。

首先，在MultiGen Creator環(huán)境中，根據(jù)一定比例地形圖建立整個(gè)工程的三維地形模型，可采用SiteBuilder 3D V1.1.1 for ArcGIS插件，直接在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中生成OpenFlight格式的地形三維模型，根據(jù)地形的復(fù)雜程度可以對(duì)地形采用不同的精度，也可以直接把地形圖轉(zhuǎn)化為Creator可以識(shí)別的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight數(shù)據(jù)格式的三維地形模型，再貼上航空影像紋理。然后，根據(jù)各種二維和三維CAD設(shè)計(jì)圖，建立相應(yīng)的水工建筑物和工程輔助建筑廠房的真實(shí)尺寸三維幾何數(shù)字模型。最后，根據(jù)各種水工建筑物的具體坐標(biāo)位置，進(jìn)行地形與建筑物模型的拼接。水工建筑物部件運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模，如船閘的開啟與關(guān)閉、泄水弧形閘門的旋轉(zhuǎn)、水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)等。

(2)工程運(yùn)行控制管理。把各種水利工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)等對(duì)水工建筑物控制、監(jiān)測(cè)的信息傳輸?shù)焦こ踢\(yùn)行控制數(shù)據(jù)庫中，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

(3)工程屬性和圖紙管理。在三維場(chǎng)景中，需要對(duì)某個(gè)建筑物部件進(jìn)行屬性及其二維設(shè)計(jì)圖紙的查詢。在Vega中有vgPicker類，在程序中通過調(diào)用vgPicker類的API函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景中三維對(duì)象的拾取，獲得三維對(duì)象的名稱，然后在屬性數(shù)據(jù)表中查找到該字段，即可實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維模型的通信。

(4)三維數(shù)字幾何模型管理。針對(duì)OpenFlight文件格式的場(chǎng)景模型等級(jí)層次，在系統(tǒng)中也建立了相應(yīng)的樹狀等級(jí)結(jié)構(gòu)圖，把水工建筑物按照等級(jí)層次進(jìn)行分類整理。

(5)工程功能性仿真。在其他專業(yè)軟件中進(jìn)行工程地質(zhì)、巖土力學(xué)、水力學(xué)等分析，把分析計(jì)算結(jié)果輸入到水利工程三維仿真系統(tǒng)中，在虛擬的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)水利工程功能性仿真過程的顯示。

(6)泄水粒子系統(tǒng)。一般的建模工具都是對(duì)一些有固定幾何外形的對(duì)象建模,泄水沒有固定外形,它的形狀隨著泄水閘門開啟角度和上游水位的改變而改變,為實(shí)現(xiàn)這個(gè)特殊的效果,必須構(gòu)造一個(gè)粒子系統(tǒng)。

(7)二維地圖與三維仿真場(chǎng)景的互響應(yīng)。二維地圖是根據(jù)地圖投影、地理坐標(biāo)和比例尺，用各種點(diǎn)狀、線狀、面狀符號(hào)及文字注記和色彩等表示地形地貌、地理現(xiàn)象及社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。

(8)場(chǎng)景合成。通過對(duì)Vega的圖形環(huán)境Lynx中各項(xiàng)參數(shù)的選擇，驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)虛物的實(shí)化，以達(dá)到實(shí)時(shí)漫游、可控可視化的目的。通過Lynx工具或在Visual C++環(huán)境中調(diào)用Vega API函數(shù)，加入系統(tǒng)需要的光照、聲音、特效等。

(9)人機(jī)交互系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一個(gè)方便的人機(jī)交互界面，包括設(shè)計(jì)菜單，圖標(biāo)，屏幕顯示信息等。

二、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用

1.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由一個(gè)教師站和多個(gè)學(xué)員站組成。有多個(gè)水利工程典型的單元和典型施工場(chǎng)地布置系統(tǒng)的仿真模擬軟件，具有管理功能的教師站可以向?qū)W員站發(fā)出面向全部或個(gè)別的操作指令，并能顯示相應(yīng)學(xué)生的操作結(jié)果及最終成績(jī)，學(xué)生通過人機(jī)對(duì)話，達(dá)到熟練完成單元和施工場(chǎng)地布置系統(tǒng)的操作。而教師通過教師主控制臺(tái)可以很清楚詳細(xì)地了解每名學(xué)生的當(dāng)前操作情況?！八摂M仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”為水利水電工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了可視化的虛擬仿真環(huán)境。(如圖1)

圖1 水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)景圖

“虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”可以動(dòng)態(tài)仿真模擬典型水工建筑物的工作原理、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及工程險(xiǎn)情的發(fā)生發(fā)展過程，虛擬滑坡、泥石流再現(xiàn)典型臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)汛、及相應(yīng)防汛防臺(tái)措施。從而解決了水利工程專業(yè)實(shí)操實(shí)訓(xùn)過程中危險(xiǎn)性大、費(fèi)用高、小概率事件再現(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)化演示、工作職場(chǎng)展示及環(huán)境污染等問題。

2.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)方式(1)分析學(xué)習(xí)目標(biāo)和制定教學(xué)方法

教學(xué)計(jì)劃中，一般都會(huì)將實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排在專業(yè)基礎(chǔ)課結(jié)束后集中進(jìn)行。高職院校水利工程虛擬仿真系統(tǒng)的目的是為水利水電工程專業(yè)教師、學(xué)生提供一個(gè)安全、環(huán)保且成本低廉的打破時(shí)空約束的接近真實(shí)的學(xué)習(xí)情景，為學(xué)生提供一種與真實(shí)工程交互學(xué)習(xí)的途徑。同時(shí)，又能最大限度地增加學(xué)習(xí)的趣味性和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。在實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)教學(xué)中，這是一個(gè)虛擬仿真場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，不需要親自到實(shí)驗(yàn)室，就能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到教學(xué)要求。

(2)教學(xué)內(nèi)容實(shí)施

在水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，一般通過以下過程來實(shí)施、完成教學(xué)內(nèi)容。

①引導(dǎo)學(xué)生入門

學(xué)生首次接觸水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),對(duì)整個(gè)操作流程及布局不了解,指導(dǎo)教師通過投影儀向?qū)W生講授學(xué)習(xí)水利工程虛擬仿真系統(tǒng)的作用意義、仿真培訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)員站使用方法(包括仿真培訓(xùn)軟件的啟動(dòng)、培訓(xùn)參數(shù)的選擇、畫面及菜單介紹智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)等),使學(xué)生明確學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目的,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

②演示講解

在學(xué)習(xí)每一個(gè)單元仿真或系統(tǒng)仿真之前，教師首先對(duì)水利工程勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理、操作過程進(jìn)行詳細(xì)講解，利用多媒體、投影儀對(duì)學(xué)生進(jìn)行操作演示，強(qiáng)調(diào)操作中常見問題及現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行分析、思考，找出解決問題的方法。

③學(xué)生上機(jī)訓(xùn)練、教師指導(dǎo)答疑

學(xué)生獨(dú)立操作訓(xùn)練過程中，教師巡回觀察每位學(xué)生的操作情況，及時(shí)指出問題，指導(dǎo)學(xué)生掌握操作技巧，并引導(dǎo)學(xué)生解決仿真操作過程中出現(xiàn)的問題。

④考核及成績(jī)?cè)u(píng)定

按教學(xué)計(jì)劃結(jié)束水利工程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)后，要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核。教師通過教師站，在題庫中選擇操作題目，組合成考卷，選擇考核中采用授權(quán)的方式，屏蔽操作步驟，完成考試時(shí)間，分值比例等參數(shù)設(shè)置后，向?qū)W員站發(fā)出操作指令，學(xué)生聯(lián)機(jī)后，就可在自己的電腦上獨(dú)立完成試題；學(xué)生提交試卷后，系統(tǒng)綜合學(xué)生對(duì)操作步驟、質(zhì)量、趨勢(shì)等控制，給出成績(jī)。

3.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)訓(xùn)練策略

虛擬仿真訓(xùn)練應(yīng)遵循理論教學(xué)和工程訓(xùn)練并重的原則，因材施教的原則，彈性靈活的原則。

(1)同步教學(xué)訓(xùn)練

在虛擬仿真教學(xué)的操作過程中可能出現(xiàn)的非正常工況很多，尤其是首次仿真開車，學(xué)生難免出現(xiàn)顧此失彼的局面。教師可以采用“同步教學(xué)法”，即由教師統(tǒng)一指揮，在水利工程的正常工況下全過程由教師引導(dǎo)，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)過程的綜合分析能力，各變量之間的協(xié)調(diào)控制(包括手動(dòng)和自控)能力，掌握時(shí)機(jī)、利用時(shí)機(jī)的能力，以及對(duì)將要產(chǎn)生的操作和控制后果的預(yù)測(cè)能力等。

(2)專業(yè)技能訓(xùn)練

專業(yè)技能訓(xùn)練主要是針對(duì)專業(yè)課程或?qū)I(yè)模塊課程實(shí)施的操作和訓(xùn)練，借助虛擬仿真設(shè)備，可以達(dá)到教學(xué)的預(yù)期目的。主要是通過水利工程典型的仿真單元和典型施工場(chǎng)地布置系統(tǒng)進(jìn)行操作，若發(fā)現(xiàn)自己在某一步驟操作不好時(shí)，可利用軟件的“快門記錄”和“重演快門”功能，反復(fù)對(duì)這一步驟進(jìn)行練習(xí)，直到掌握為止，不必每次都將操作全過程重頭做一遍，節(jié)省了時(shí)間，提高了培訓(xùn)效率。

(3)智能訓(xùn)練

學(xué)生的認(rèn)知心理發(fā)展特征，主要表現(xiàn)在感知、記憶、觀察能力和思維能力等。通過仿真訓(xùn)練可很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、自學(xué)能力、實(shí)際操作能力、分析和解決問題的能力。

水利工程虛擬仿真系統(tǒng),模擬水利工程的施工、場(chǎng)地、地形、地圖投影、地理坐標(biāo)、圖紙管理、建筑物等等內(nèi)容的生成及其變化。學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)過程操作,實(shí)現(xiàn)了從感性到理性的認(rèn)識(shí)過程,是有效的智能訓(xùn)練過程。學(xué)員排除故障的訓(xùn)練過程,是應(yīng)對(duì)突發(fā)事件應(yīng)變能力的訓(xùn)練，更是觀察能力和分析能力的檢驗(yàn)。

三、結(jié)束語

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，高職教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)手段、實(shí)訓(xùn)設(shè)備將發(fā)生變革。水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由于其安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可控、可視、實(shí)用、便于觀察、便于參與、無破壞性、可多次重復(fù)、整體性強(qiáng)等特點(diǎn)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)起到了事半功倍的作用，將有效地提高教學(xué)效果。可見，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高職實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，是高職院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的一個(gè)方向，具有廣泛的推廣價(jià)值。

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The study and practice of building water conservancy virtual simulation training platform

Zhu Dakai
Zhejiang tongji vocational college of science and technology，HangZhou，311231，China

Application of virtual simulation technology to practical learning will be more and more concern and attention in higher vocational colleges’training bases’ construction.At present，water conservancy virtual simulation training platform uses the excellent visual modeling software MultiGen creator and real-time driver software Vega,accompanied by SGI high-performance graphics workstations,combining ArcGIS,MicroStation and AutoCAD，constructed fundamental virtual simulation training platform,which provided visualization virtual simulation environment for water conservancy project.

virtual simulation; training platform; study and practice

2010-04-30

朱達(dá)凱，副教授，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理中心主任。