王 宇 谷艷昌 陳從建 錢聲源 仲 青

*(江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，南京 210036)

?(南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

土力學(xué)利用力學(xué)原理和土工實(shí)驗(yàn)研究土的工程性質(zhì)，是土木工程專業(yè)本科階段的核心基礎(chǔ)課，也是相近學(xué)科領(lǐng)域，如水利工程、海洋工程、采礦工程、交通工程等諸多與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密切相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-3]。開展土力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)活動，有助于學(xué)生掌握土力學(xué)理論知識并更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

土力學(xué)實(shí)踐教學(xué)約占總課時的三分之一，以學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)為主要方式，通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基本操作、儀器測量和數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生土工實(shí)驗(yàn)的實(shí)操能力，提升學(xué)生對理論課程的理解深度[4]。一般而言，土力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)包括土的含水率實(shí)驗(yàn)、密度實(shí)驗(yàn)、顆粒級配實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)，旨在獲取土的含水率、天然密度、顆粒大小、最大干容重、滲透系數(shù)、壓縮模量和抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，從而評價地基土層的密實(shí)度、滲透性和承載力，為工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工及運(yùn)行管理提供重要的科學(xué)依據(jù)[5-7]。開展常規(guī)實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更容易理解土力學(xué)的基本知識，明晰土體物理力學(xué)參數(shù)的工程意義，有助于掌握地基處理的技術(shù)原理，這對培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力及從事土木工程相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，大部分高?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件難以滿足日趨多元化的實(shí)踐需求。究其原因，主要是現(xiàn)有條件的制約和外部環(huán)境的影響。土力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)涉及的儀器設(shè)備較多，需要足夠?qū)挸ǖ膶?shí)驗(yàn)空間，有些實(shí)驗(yàn)儀器危險性高，占地面積大，需要專職人員安裝、調(diào)試及維修。每年高校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用上投入增大，但高校擴(kuò)招導(dǎo)致的學(xué)生人數(shù)激增與大量儀器設(shè)備需求之間的矛盾難以調(diào)和[8-9]。有些土力學(xué)實(shí)驗(yàn)，如黏性土的滲透實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)及三軸實(shí)驗(yàn)，所需課時較長，甚至需要幾天才能完成，現(xiàn)有教學(xué)條件無法滿足多人長歷時的實(shí)驗(yàn)需求。此外，特殊情況下（如疫情），大量學(xué)生長時間聚集無疑給實(shí)驗(yàn)室的安全管理帶來一定的風(fēng)險[10]。因此，現(xiàn)有條件的制約和外部環(huán)境的影響，使學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作脫節(jié)，難以理解土力學(xué)基本原理，勢必影響實(shí)踐教學(xué)效果。

近年來，現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷革新為土木工程專業(yè)的教學(xué)改革提供了新的契機(jī)。當(dāng)前，數(shù)字孿生虛擬仿真平臺作為一種新的技術(shù)手段，極大地改變了傳統(tǒng)的土工實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大了新的認(rèn)知領(lǐng)域[11-13]。構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬仿真平臺，全息展現(xiàn)土工實(shí)驗(yàn)可視化場景，克服了現(xiàn)實(shí)條件與外部環(huán)境的局限性，有效解決了學(xué)生多與儀器少的問題。為探索數(shù)字孿生虛擬仿真平臺在土力學(xué)實(shí)踐中教學(xué)模式，本文介紹數(shù)字孿生虛擬仿真平臺的整體架構(gòu)，以礦區(qū)地表變形監(jiān)測實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)一步闡述數(shù)字孿生虛擬仿真平臺在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

1 數(shù)字孿生虛擬仿真平臺的整體架構(gòu)

2002 年，美國密歇根大學(xué)Grieves 教授首次提及數(shù)字孿生模型，簡稱為“產(chǎn)品生命周期的理想之選”，后推廣為“信息鏡像模型”（information mirroring model）或“鏡像信息模型”（mirrored spaced model），利用信息和數(shù)據(jù)將物理產(chǎn)品數(shù)字化，形成一個或多個關(guān)聯(lián)的數(shù)字映射系統(tǒng)[14]。2012 年，美國國家航空航天局（NASA）給出了數(shù)字孿生具體描述：數(shù)字孿生（digital twin）是利用物理模型、傳感器更新和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，從而反映物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程[15]。

通過虛擬仿真與物理模型相結(jié)合、線上教學(xué)與現(xiàn)場教學(xué)相結(jié)合、理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，開發(fā)構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1 所示。物理模型及其對應(yīng)的虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生虛擬仿真平臺的核心組成部分。物理模型是立足技術(shù)、面向?qū)W生、聚焦課程、融合創(chuàng)新的教學(xué)系統(tǒng)，涵蓋了土力學(xué)課程的常規(guī)性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)，涉及物理性質(zhì)、滲透穩(wěn)定、變形監(jiān)測及強(qiáng)度分析四部分內(nèi)容。常規(guī)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括儀器組裝、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出，學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)儀器的使用，熟悉實(shí)驗(yàn)操作的流程，掌握數(shù)據(jù)處理的方法。探索性實(shí)驗(yàn)是在掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)之后開展的能力拓展實(shí)驗(yàn)，主要面向技能競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)及產(chǎn)教融合等綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此類項(xiàng)目不涉及實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)條件和儀器設(shè)備，可用于探索復(fù)雜條件下土體變形、滲流及穩(wěn)定。

圖1 數(shù)字孿生虛擬仿真平臺的整體架構(gòu)

虛擬模型主要包括幾何模型和數(shù)據(jù)模型。幾何模型主要通過建筑信息模型（building information modeling，BIM）、實(shí)體造型（solidworks）等軟件進(jìn)行三維建模和圖形渲染場景，將物理模型的屬性參數(shù)通過約束條件與虛擬模型有機(jī)聯(lián)系。數(shù)據(jù)模型是將物理模型中的傳感器信號、狀態(tài)信號等映射到數(shù)字孿生模型中。其中，信號接入通過可編程邏輯控制器采集并暫存到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器中，利用應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)（OLE for process control，OPC）與上位機(jī)連接。OPC 是目前使用比較廣泛的基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信方法，它提取了數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的執(zhí)行細(xì)節(jié)，不需要本地通信協(xié)議和內(nèi)部數(shù)據(jù)組織形式就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。此外，還可以利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)，通過多維虛擬仿真模型和多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)雙驅(qū)動，形成信息閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)之間的信息傳輸和動態(tài)交互，系統(tǒng)原件搭接方式及信號傳輸路線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原件搭接方式及信號傳輸路線

將物理模型與虛擬模型通過有線（無線）聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）云數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生云服務(wù)平臺。云服務(wù)平臺主要由遠(yuǎn)程控制和同步仿真兩部分組成。遠(yuǎn)程控制是通過數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)送信號控制實(shí)際系統(tǒng)，借助實(shí)驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時量測數(shù)據(jù)以及算法模型，在虛擬模型中模擬、驗(yàn)證和自我迭代，實(shí)現(xiàn)反向控制，用于異常處理。同步仿真可以對物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，作為性能評估的參考。此外，數(shù)字孿生云服務(wù)平臺擁有智慧管理軟件和智慧教育軟件，可以遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲及分析，具有遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出的強(qiáng)大功能。通過數(shù)字孿生云服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)匹配，可以給出“不合格”、“合格”和“優(yōu)秀”的判斷結(jié)果。學(xué)生可以據(jù)此判斷自己的學(xué)習(xí)結(jié)果，有的放矢地查詢實(shí)驗(yàn)資料，熟悉上機(jī)操作；指導(dǎo)教師也可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際掌握情況，考核每個學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績，客觀評價實(shí)踐效果。由于數(shù)字孿生服務(wù)平臺設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生必須自己動手處理數(shù)據(jù)并導(dǎo)入平臺，這有助于提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，避免紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書數(shù)據(jù)填寫的延滯效應(yīng)。

基于數(shù)字孿生虛擬仿真平臺，探索虛實(shí)結(jié)合的全新教學(xué)模式，如圖3 所示。課前，學(xué)生查閱資料，提出問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行完整的全過程實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)要求及技術(shù)原理有一個整體的把握。然后，學(xué)生進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，自已動手完成實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)儀器及操作步驟有一個直觀的認(rèn)識。最后，利用數(shù)字孿生服務(wù)平臺的可視化、可重現(xiàn)及可共享性，分析討論虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理有一個更深入的理解。這有助于學(xué)生充分掌握土力學(xué)的基本原理，還能夠豐富學(xué)生的感觀認(rèn)識，加深實(shí)踐課程的理性認(rèn)知，避免以往做實(shí)驗(yàn)走馬觀花、不求甚解現(xiàn)象的發(fā)生。這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，使虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)條件相互補(bǔ)充，相得益彰。

圖3 基于數(shù)字孿生虛擬仿真平臺的教學(xué)模式[6]

2 平臺應(yīng)用——以礦區(qū)地表變形監(jiān)測為例

以某一礦區(qū)地表變形監(jiān)測為例，應(yīng)用數(shù)字孿生虛擬仿真平臺，在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬地表變形過程，利用測量儀器設(shè)備，開展地表變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理，真實(shí)還原現(xiàn)場施工場景，展現(xiàn)全新教學(xué)模式。通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場地和儀器設(shè)備，使學(xué)生直觀認(rèn)識礦區(qū)地表變形的表現(xiàn)形式，加深理解土體變形的力學(xué)原理。

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)菜單主要由“功能菜單”、“工具背包”、“操作對話”、“完成步驟”、“鷹眼地圖”、“步驟提示”等部分組成。點(diǎn)擊系統(tǒng)菜單，可以顯示各菜單的功能和使用方法，使學(xué)生更好地操作實(shí)驗(yàn)，快速熟悉虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“完成步驟”菜單，能夠自動、方便地統(tǒng)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況，便于指導(dǎo)教師計(jì)算實(shí)驗(yàn)成績，考核實(shí)踐效果。通過使用鼠標(biāo)和鍵盤，學(xué)生在虛擬環(huán)境下可以快速熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)漫游及操控實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，每進(jìn)行下一步操作時，在屏幕右下角都顯示下一步操作提示功能，提醒學(xué)生連續(xù)操作（如圖4 所示）。

圖4 礦區(qū)地表變形虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

（2）地表變形過程模擬。由于土木工程專業(yè)的學(xué)生對煤礦井下開采過程知之甚少，通過設(shè)計(jì)地表變形模塊，真實(shí)模擬礦區(qū)地表變形的全過程，使學(xué)生認(rèn)知煤層及地層的發(fā)育形式，探明煤層采出后上覆巖層的變形規(guī)律，理解向上傳遞發(fā)育到地表的變形特征，從而掌握地表變形的發(fā)生機(jī)理和表現(xiàn)形式?；诘刭|(zhì)勘察結(jié)果，輸入地層及煤層參數(shù)，讓學(xué)生直觀地認(rèn)知煤層和上覆巖層的發(fā)育情況（如圖5(a)所示）。按“煤層開采”菜單按鈕，采煤機(jī)向前掘進(jìn)，采出煤炭資源（如圖5(b)所示）。按“巖層變形”菜單按鈕，“垮落帶”巖石發(fā)生破碎，并向采空區(qū)冒落；“裂隙帶”巖層內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，向采空區(qū)方向變形，出現(xiàn)一定的離層；“彎曲帶”層層朝向采空區(qū)發(fā)生彎曲，模擬上覆巖層的變形類型和發(fā)生過程，形成開采沉陷知識里的“三帶”（如圖5(c)所示）。地表變形表現(xiàn)形式主要有下沉盆地、地表裂縫、臺階等，地表變形進(jìn)一步影響到建筑物或構(gòu)筑物的變形，如建筑物裂縫、高壓電塔傾斜、農(nóng)田積水和山體滑坡等（如圖5(d)）。

圖5 礦區(qū)地表變形模擬全過程

（3）測量儀器設(shè)備模擬。在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)場操作，認(rèn)知測量儀器的組成、構(gòu)造、功能及使用。該模塊包括水準(zhǔn)儀、全站儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）接收機(jī)及其附件，其中，全站儀是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，也是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器，廣泛用于大型建筑和地下工程變形監(jiān)測領(lǐng)域。以全站儀為例，全息展現(xiàn)儀器功能及操作步驟。全站儀主要由電源部分、測角系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通訊接口及顯示屏組成（如圖6(a)所示）。一般而言，檢測設(shè)備信號及數(shù)據(jù)傳輸方式有3 種，分別是通過串口、USB、SD 卡3 種方式。全站儀可以通過BS-232C 通信串口和通信電纜將存儲器中數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，也可以通過通信電纜將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)和信息傳輸?shù)饺緝x中，實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸。此外，利用通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）和標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，將全站儀的主機(jī)與外圍設(shè)備或計(jì)算機(jī)連接起來，將全站儀記錄方式調(diào)整為數(shù)據(jù)傳輸接口或者外置數(shù)據(jù)線，此時需要在虛擬仿真系統(tǒng)軟件的服務(wù)器端設(shè)置一個IP 和端口，然后再通過GPRS 傳輸?shù)綌?shù)字孿生服務(wù)平臺，從而實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的一體化獲取、計(jì)算和管理。在實(shí)際操作中，通過“旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)滾輪”，調(diào)整全站儀的顯示大??；通過按“鼠標(biāo)右鍵”360°旋轉(zhuǎn)全站儀，多方位認(rèn)知全站儀的構(gòu)造及組成。按“全站儀的使用”按鈕，進(jìn)入全站儀使用狀態(tài)，分別經(jīng)過“安置”、“對中”、“粗平”、“精平”、“瞄準(zhǔn)目標(biāo)”、“調(diào)整物鏡”、“盤左觀測”、“盤右觀測”等若干步驟。在窗口左側(cè)有“步驟流程”，白字部分為已經(jīng)完整的步驟，灰字部分為未完成的步驟，有助于提醒學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)（如圖6(b)所示）。

圖6 全站儀組成及操作過程模擬

（4）地表變形監(jiān)測模擬。根據(jù)礦井地質(zhì)采礦資料和相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用地表移動觀測站設(shè)計(jì)理論，計(jì)算地表移動觀測線的布設(shè)位置、監(jiān)測點(diǎn)密度、觀測線長度等信息，并在虛擬的礦區(qū)環(huán)境下顯示地表移動觀測點(diǎn)的布設(shè)情況（如圖7(a)）。按照“虛實(shí)結(jié)合”的原則，以礦井真實(shí)資料為基礎(chǔ)，采用“案例法”教學(xué)方法。首先提供相關(guān)數(shù)據(jù)、地質(zhì)參數(shù)、實(shí)測資料等內(nèi)容，由學(xué)生自行整理和分析，鍛煉學(xué)生選擇合適方法和設(shè)計(jì)合理方案的能力（如圖7(b)所示）。相關(guān)參數(shù)包括走向觀測線長度、傾斜觀測線長度、走向觀測線位置、傾斜觀測線位置等4 個計(jì)算公式。通過人機(jī)交互，將計(jì)算結(jié)果輸入到系統(tǒng)（如圖7(c)所示）。按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》的要求，確定觀測點(diǎn)的密度，并將結(jié)果輸入到系統(tǒng)。點(diǎn)擊“成果顯示”按鈕，查看設(shè)計(jì)觀測點(diǎn)位置、長度、個數(shù)及與開采工作面的井上下對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)觀測線設(shè)計(jì)的位置，在工作面影響不到的區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)（如圖7(d)所示）。

圖7 地表變形監(jiān)測過程模擬

（5）數(shù)據(jù)分析處理模擬。利用GNSS 技術(shù)，布設(shè)地表監(jiān)測控制網(wǎng)，模擬控制網(wǎng)的優(yōu)化、外業(yè)測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的全過程，使學(xué)生認(rèn)知影響GNSS 觀測精度的誤差來源，如多路徑誤差、高度角影響、電磁信號干擾、信號遮擋等。在虛擬礦區(qū)地表環(huán)境中，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的多個控制點(diǎn)，采用高亮方式顯示，在鷹眼地圖中總覽，快速進(jìn)入環(huán)境（如圖8(a)所示）。GNSS 測量過程中需要記錄相關(guān)參數(shù)，便于數(shù)據(jù)處理時使用（如圖8(b)所示）。在GNSS 控制測量的基礎(chǔ)上，利用水準(zhǔn)測量方法，監(jiān)測觀測點(diǎn)高程變化；利用導(dǎo)線測量方法，監(jiān)測水平位置變化，從而模擬監(jiān)測方法的使用步驟，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)（如圖8(c)所示）。處理“地表變形監(jiān)測模塊”的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制地表變形曲線圖，向?qū)W生直觀展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)礦井區(qū)地表變形規(guī)律及分布特征，厘清與其他工程項(xiàng)目變形的區(qū)別與聯(lián)系（如圖8(d)所示）。

圖8 數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與處理模擬

3 結(jié)論

基于虛擬仿真技術(shù)與工程實(shí)際的需求，構(gòu)建了數(shù)字孿生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，并對土力學(xué)實(shí)踐教學(xué)的模式進(jìn)行了有益的探索。該模式立足于土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本原理，運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，將虛擬仿真平臺與實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，既可以突破現(xiàn)實(shí)教學(xué)的時空限制，又可以拓展實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容，做到成本低、效率高的專業(yè)知識傳授，增強(qiáng)學(xué)生的感觀認(rèn)識和理性認(rèn)知，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的創(chuàng)新能力，已取得了較為滿意的教學(xué)效果。本文對數(shù)字孿生虛擬仿真平臺應(yīng)用于工程實(shí)踐進(jìn)行了初步探索，虛擬仿真模型與物理實(shí)體模型之間的互饋響應(yīng)和精準(zhǔn)映射有待進(jìn)一步研究。