許傳博 李金超 陳文君

(1. 華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京 102206；2.新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室，北京 102206)

0 引言

虛擬仿真技術最早興起于20世紀80年代的西方國家，通過利用計算機和傳感器的虛擬環(huán)境，逼真地模擬出現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，使用者通過與虛擬環(huán)境進行交互操作，能產(chǎn)生身臨其境的感覺[1-2]。目前，虛擬仿真技術在我國得到了廣泛應用，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來探索人才培養(yǎng)與教學模式的。文獻[3]提出了一種基于虛擬仿真平臺的研究生課程教學改革方法，從精細化、真實化、可擴展化以及模塊化四個方面對教學方式與教學過程進行改革。文獻[4]基于本科生、研究生教學實驗室一體化建設的發(fā)展規(guī)劃，利用虛擬仿真平臺的能源動力類本科生、研究生一體化實驗教學與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了理論教學與實踐教學一體化。文獻[5]提出為應對攝影測量實踐教學中存在的問題，采用虛擬仿真技術提出攝影測量實踐教學模式的創(chuàng)新解決方案。文獻[6]以開放場景圖(Open Scene Graph，OSG)三維引擎為核心，設計并建成水電站施工計劃與施工進度三維虛擬仿真平臺，可在教學中形象地展示水電工程的施工計劃與施工進度。

以上研究豐富了虛擬仿真平臺在教學實踐中的應用。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)有基于虛擬仿真平臺的電力特色工程管理實踐教學模式的探索研究。工程管理實踐教學環(huán)節(jié)，尤其是電力工程管理，涉及電力工業(yè)發(fā)電、輸電等多個環(huán)節(jié)，具有建設周期長、施工環(huán)境復雜、高電壓、大電流、設備種類繁多等特點，易產(chǎn)生安全隱患，使師生不可避免地面臨安全風險威脅。因此，為了逼真地再現(xiàn)電力工程管理各環(huán)節(jié)建設過程和運行狀態(tài)，虛擬仿真是工程管理專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的重要手段。

1 電力工程管理虛擬仿真實踐培養(yǎng)系統(tǒng)

1.1 信息化虛擬仿真平臺的構建思路

信息化虛擬仿真平臺的構建是通過引入無人機航天三維掃描成像系統(tǒng)、全站式建設工程激光3D掃描儀、多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)等先進虛擬仿真設備，利用局域互聯(lián)網(wǎng)技術，有效整合虛擬現(xiàn)實、遠程操控、數(shù)據(jù)庫、三維可視化和物理模擬等虛擬仿真技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信和信息共享，見圖1。無人機航天三維掃描成像系統(tǒng)結合飛行器技術、通信技術、GPS差分定位技術和攝影技術等諸多前沿智能技術，具有結構簡單、操作便捷的特點，可以輕松獲得目標工程的地理測繪信息，對能源設施建設、能源選址評估、能源設施建設監(jiān)管都具有重要意義，也有利于對新能源電力工程全過程建設管理的教學和科研。全站式建設工程激光3D掃描儀能獲取掃描對象表面的海量點云數(shù)據(jù)，還原掃描對象的細節(jié)特征。使用該設備能夠實現(xiàn)工程現(xiàn)場實時3D模型掃描，對工程測量、建模、管理、能源電力工程分析等領域的實踐教學有重要意義。用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)可進行課堂演示及現(xiàn)場答疑，有效實現(xiàn)電力工程建設現(xiàn)場與實踐教學的通連。

圖1 信息化虛擬仿真平臺的構建思路

1.2 電力工程管理人才實踐培養(yǎng)系統(tǒng)

基于電力工程虛擬仿真平臺(圖2)建立人才實踐培養(yǎng)系統(tǒng)，即利用無人機獲取電力工程現(xiàn)場信息，并將素材實時傳輸回課堂；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)場場景的三維重構，生動、直觀地學習電力工程建設過程、電力工程系統(tǒng)，打牢基本功；利用3D掃描儀實時掃描電力工程施工、安裝等微觀信息，并將點云數(shù)據(jù)和圖像傳輸至課堂，教師利用RiSCAN PRO軟件對點云數(shù)據(jù)進行可視化重建模，輔助學生理解電力工程建設內涵，創(chuàng)新實踐思維；利用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)清晰呈現(xiàn)電力工程建設宏微觀信息，加深學生對電力工程建設過程的領會與把握。

圖2 電力工程虛擬仿真平臺

在傳統(tǒng)的電力工程管理實踐教學中，由于時間、經(jīng)費和安全性等因素的限制，學生往往很難到電力工程現(xiàn)場進行實地勘探和數(shù)據(jù)采集，認識實習、生產(chǎn)實習常流于形式，畢業(yè)實習難以獲得相應的技能；同時傳統(tǒng)實踐培養(yǎng)模式將實踐過程劃分成階段，導致實踐內容缺乏連續(xù)性，培養(yǎng)效果嚴重受損。將該培養(yǎng)系統(tǒng)投入實踐教學，不必關注傳統(tǒng)實踐培養(yǎng)模式的階段性，保障了實踐培養(yǎng)過程的一致性，實現(xiàn)了一站式完成“認識-生產(chǎn)-畢業(yè)”實習的所有內容。電力工程管理人才對實踐內容的理解和把握更為深刻，相應的實踐培養(yǎng)周期也大幅縮短，培養(yǎng)效果與質量都得到了顯著提升。

2 交互式電力工程過程可視化實操系統(tǒng)

2.1 電力工程管理人才實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理實操教學環(huán)境缺失造成特色人才難以獲得實操訓練中的基本能力及創(chuàng)新理念。構建基于BIM系統(tǒng)的實時交互式、過程可視化實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)(圖3)，將復雜的電力工程建設及運營過程數(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設計、建造及運營全過程模擬訓練，交互式完成包括工期優(yōu)化、資源調配及設備安裝等實操內容。該實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)切實保證了實操的臨場感，大幅提升了電力工程管理人才的實操和創(chuàng)新能力。

圖3 電力工程管理人才實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)

由于實體的電力工程建設時間跨度長、工程結構復雜，電力工程管理人才在短時間內無法對工程形成整體性概念且認知深度不夠，基于BIM系統(tǒng)的交互式、過程可視化的實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)成功解決了現(xiàn)實約束帶來的時間限制和認知缺陷。通過調整時間參數(shù)可快進電力工程建設過程，便于師生高效跟蹤體驗電力工程建設項目的全過程，既有利于實操教學工作的完整實施，同時也可惠及更多學生。該系統(tǒng)提高了電力工程管理人才實操培養(yǎng)效果和質量。

2.2 全面的交互式電力工程管理人才實操教學

交互式電力工程管理人才實操培養(yǎng)系統(tǒng)依托電力工程管理軟件和實體仿真模型(圖4)，為電力工程管理人才提供大量的動手操作及實訓分析的空間，培養(yǎng)學生的想象力及動手能力，提高學生的學習興趣及實踐能力，為特色人才提供能源電力建設前期策劃、施工管理、造價管控相關問題的大量數(shù)據(jù)分析基礎與實踐基礎，同時電力工程管理的學生通過系統(tǒng)的學習與訓練，畢業(yè)后可大大縮短與電力工程相關崗位的適應期。

圖4 電力工程實體仿真模型

2.2.1 電力工程建設施工現(xiàn)場組織實操訓練

基于BIM系統(tǒng)，結合電力工程建設特點，培養(yǎng)學生對施工現(xiàn)場實物，如圍墻、道路、基坑、建筑樓體、腳手架、護欄、建筑機械、材料等構件三維造型的快速布置能力。同時系統(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接，方便學生獲得從任意方位展現(xiàn)施工現(xiàn)場的三維實景圖。由此，電力工程管理人才可實現(xiàn)對電力工程建設施工準備階段整體的深刻認知與把握，使其身臨其境，融入電力工程建設施工現(xiàn)場環(huán)境中，保障高效率、生動具象地完成電力工程建設施工準備階段的實操訓練，避免傳統(tǒng)實操訓練的紙上談兵、枯燥乏味的描述教學現(xiàn)象。

2.2.2 電力工程建設管理實操訓練

基于電力工程管理人才實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)，通過自主設定電力工程建設場景及基礎模板，對電力工程項目管理工序進行系統(tǒng)化的內容拓展，并開展有序的分組及管理程序制定，實現(xiàn)項目逐級細化管理。同時進行電力工程項目建設進度偏差分析，實現(xiàn)工程進度動態(tài)跟蹤與實際進度調整；開展項目質量分析與風險分析，實現(xiàn)全方位的過程控制仿真與偏差分析。由此，通過將工程建設信息模型與工程進度、質量及風險控制計劃有機結合，如圖5所示，實現(xiàn)施工現(xiàn)場實際實施情況的三維動態(tài)展示，助力學生快速、方便且有效地交互式完成施工目標控制計劃的制訂訓練，大力提升電力工程管理人才對電力工程建設管理的理解和實操能力。

圖5 電力工程建設進度管理實操訓練

2.2.3 電力工程施工技術實操訓練

基于BIM系統(tǒng)、電力工程實物模型、電力工程施工設計圖等資源，電力工程管理人才可開展并完成電力工程施工模板設計、腳手架專業(yè)設計、塔吊基礎設計、結構計算工具箱等實訓內容，實現(xiàn)系統(tǒng)化的電力工程施工管理實操。通過對電力工程施工特點、施工流程、施工內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、基本工藝的學習。通過學生實訓、動手練習，利用固有模具的辨識、結構分析、拆裝處理、反饋總結訓練，可幫助學生有效提升動手能力與分析能力，從而完成全面的電力工程施工管理訓練。

2.2.4 電力工程造價編制實操訓練

利用電力工程管理人才實操訓練培養(yǎng)系統(tǒng)，搭建全方位的電力工程造價管理實操訓練模塊。基于工程量統(tǒng)計分析模塊，電力工程管理人才可模擬演練電力工程項目工程量的快速統(tǒng)計與分析，實現(xiàn)建筑、結構、基礎模型的有效運用；利用工程造價管理集成分析模塊，可培養(yǎng)學生對電力工程造價管控的有效分析，包括造價偏差的分析、費用構成的分析、外部因素的影響分析、造價指數(shù)的變化分析、造價管控的關鍵環(huán)節(jié)分析等；利用導入的大量電力工程造價基礎數(shù)據(jù)及工程參數(shù)信息，可培養(yǎng)學生進行具體工程投資估算、初步設計概算、施工圖預算的操作能力，見圖6。同時，在工程建設定額標準研究制定、工程造價管控關鍵技術研究及應用、工程造價分析、項目評審、后評估、投資預測分析等多個方面提供實操訓練，并提供充足的數(shù)據(jù)分析基礎及實踐分析平臺，保證了電力工程管理人才實操訓練的真實性和嚴謹性。

圖6 電力工程造價管控案例實操訓練

3 遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理具有技術密集特性，同時涉及能源市場、運輸市場、生產(chǎn)市場、價格市場、金融市場、用戶市場等多個重要領域。因此，電力工程管理人才的培養(yǎng)更需要注重技術知識背景、經(jīng)濟理論知識、生產(chǎn)管理技能等綜合知識體系的構建。所以，電力工程管理人才培養(yǎng)的實踐教學更應該強調與生產(chǎn)經(jīng)營一線對接，與現(xiàn)實管理工作需求相匹配。

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

構建遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)有效解決傳統(tǒng)高校教學資源受限的問題，通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸將全國多地域的電力工程建設及運營現(xiàn)場鮮活地展現(xiàn)在電力工程管理教學課堂中，豐富了電力工程管理教學資源，見圖7。同時該系統(tǒng)突破了時間瓶頸，具體表現(xiàn)為：一是將電力工程建設及運營的前沿技術引入教學課堂，保證了教學資源的先進性和新穎性；二是前沿技術向教學課堂的轉化實現(xiàn)了無縫轉換，消除了原先轉化過程的延時和低效。由此形成“時間-空間”覆蓋型電力工程管理人才遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了高校與企業(yè)之間的信息流動，有效避免了理論知識培養(yǎng)的滯后性。

圖7 電力工程建設及運營現(xiàn)場前沿技術展示

3.2 電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式

高校作為連接社會、企業(yè)與人才的平臺受到了廣泛的關注。電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式的構建既符合現(xiàn)實需要，又能有力應對上述挑戰(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、學術匯報、專家研討會等活動，全方位、持續(xù)把握最新產(chǎn)業(yè)理論及技術更新信息；另一方面，企業(yè)通過為高校提供項目、崗位等支持，協(xié)同助力電力工程管理人才了解企業(yè)的運營機制與崗位需求。通過電力工程管理人才參加生產(chǎn)過程的經(jīng)驗與企業(yè)的需求反饋，可以動態(tài)、準確地識別當前電力工程管理人才培養(yǎng)的缺口與短板，及時調整并完善培養(yǎng)方案，構建電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式，實現(xiàn)企業(yè)人才需求與高校人才培養(yǎng)的有效對接，培養(yǎng)符合社會需求、具有前沿意識與技能以及創(chuàng)新能力的復合型電力工程管理人才，大幅提升電力工程管理人才的競爭實力。

4 結語

本文構建的基于虛擬仿真平臺的電力特色工程管理實踐教學模式是在國家大力推行創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、強調優(yōu)化高校人才培養(yǎng)機制的契機下，從人才培養(yǎng)規(guī)律出發(fā)，根據(jù)新時期國家、社會和電力行業(yè)發(fā)展對電力工程管理人才的需求，通過建立虛擬仿真實踐培養(yǎng)系統(tǒng)、交互式可視化實操系統(tǒng)、遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，對電力工程管理實踐教學模式進行的系統(tǒng)性改革。本文提出的模式在提高時間培養(yǎng)效率的同時，打破了傳統(tǒng)的“認識-生產(chǎn)-畢業(yè)”實踐三階段模式，降低了實踐培養(yǎng)成本，創(chuàng)新性地解決了高校實踐效果不佳的問題。