水利虚拟仿真实训平台建设的研究与实践

朱达凯

浙江同济科技职业学院 浙江杭州 311231

水利虚拟仿真实训平台建设的研究与实践

朱达凯

浙江同济科技职业学院 浙江杭州 311231

将虚拟仿真技术应用到实训教学中,将越来越受到高职院校实训基地建设的关注和重视。“水利虚拟仿真实训平台”,采用当今优秀的视景建模软件MultiGen Creator和实时驱动软件Vega,配以SGI高性能图形工作站,结合ArcGIS,MicroStation,AutoCAD,构建了基本的虚拟仿真实训平台,为高职水利工程专业实训教学提供了可视化的虚拟仿真环境。

虚拟仿真；实训平台；研究与实践

职业教育是以就业为导向、以技能训练为核心的教育。工学结合背景下的实训基地建设和实训教学方法、手段的改革一直是高职教育十分关注的重要课题。当前，高职教育的发展已经把虚拟仿真技术推到前所未有的高度，有专家预言，虚拟仿真技术是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具应用前景的“明星”技术。虚拟仿真技术具有职业性与典型性、情境性、过程性、交互性与智能型、趣味性等特征。正因为如此，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确指出：“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟实验”。种种迹象表明，虚拟仿真实验实训将是今后高职实践性教学改革的一个重要发展方向。

一、技术方案

虚拟仿真技术以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。

“水利虚拟仿真实训平台”主要以水利工程为研究对象，采用当今优秀的视景建模软件MultiGen Creator和实时视景驱动软件Vega，配以高性能图形工作站，结合ArcGIS、Microstation、AutoCAD，构成了基本的虚拟仿真工作环境，以CAD数据为基础进行数据转换，形成精确的逼真的三维模型。其核心是通过对水利工程、自然灾害的仿真，建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境。

1.系统开发工具的选择

目前，虚拟仿真软件发展迅速，且种类较多，本系统的研究和开发中选用了目前开发虚拟仿真系统的优秀软件，虚拟建模软件MultiGen Creator和实时视景驱动软件Vega。MultiGen Creator是目前惟一将多边形建模和纹理贴图、矢量编辑和建模、地貌地形生成集成在一起的3D建模工具，其对3D场景的描述几乎成为视景仿真领域的工业标准。MultiGen Creator定义了一种数据库的格式OpenFlight，数据库采用树状层次结构进行组织，支持很多视景仿真中的概念，如光源、纹理映射，层次细节模型(LOD)、3D声音、自由度、动画序列及模型的实例化等。

Vega是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境，它将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来，可以迅速地创建各种实时交互的三维环境，使开发人员可以投入更多的精力在专业应用上。它主要包括两个部分，一个是被称为Lynx的图形用户界面工具箱，另一个是基于C语言的应用程序接口，即:Vega API函数库。采用Vega API函数开发虚拟现实视景仿真系统能显著提高工作效率，大幅度减少源代码开发时间，很容易实现漫游、缩放、视点切换、碰撞检测、地势追踪、获取目标信息等功能。

2.系统开发流程设计

系统开发流程采用模块化设计思想，将系统划分为以下9个部分。

(1)工程数字几何建模和水工建筑物部件运动数学建模。

首先，在MultiGen Creator环境中，根据一定比例地形图建立整个工程的三维地形模型，可采用SiteBuilder 3D V1.1.1 for ArcGIS插件，直接在地理信息系统软件ArcGIS中生成OpenFlight格式的地形三维模型，根据地形的复杂程度可以对地形采用不同的精度，也可以直接把地形图转化为Creator可以识别的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight数据格式的三维地形模型，再贴上航空影像纹理。然后，根据各种二维和三维CAD设计图，建立相应的水工建筑物和工程辅助建筑厂房的真实尺寸三维几何数字模型。最后，根据各种水工建筑物的具体坐标位置，进行地形与建筑物模型的拼接。水工建筑物部件运动数学建模，如船闸的开启与关闭、泄水弧形闸门的旋转、水轮机的旋转等。

(2)工程运行控制管理。把各种水利工程运行监测系统如大坝安全监测系统、水质水情监测系统、闸门监控系统等对水工建筑物控制、监测的信息传输到工程运行控制数据库中，并进行实时更新。

(3)工程属性和图纸管理。在三维场景中，需要对某个建筑物部件进行属性及其二维设计图纸的查询。在Vega中有vgPicker类，在程序中通过调用vgPicker类的API函数可以实现对场景中三维对象的拾取，获得三维对象的名称，然后在属性数据表中查找到该字段，即可实现二维数据与三维模型的通信。

(4)三维数字几何模型管理。针对OpenFlight文件格式的场景模型等级层次，在系统中也建立了相应的树状等级结构图，把水工建筑物按照等级层次进行分类整理。

(5)工程功能性仿真。在其他专业软件中进行工程地质、岩土力学、水力学等分析，把分析计算结果输入到水利工程三维仿真系统中，在虚拟的场景中实现水利工程功能性仿真过程的显示。

(6)泄水粒子系统。一般的建模工具都是对一些有固定几何外形的对象建模,泄水没有固定外形,它的形状随着泄水闸门开启角度和上游水位的改变而改变,为实现这个特殊的效果,必须构造一个粒子系统。

(7)二维地图与三维仿真场景的互响应。二维地图是根据地图投影、地理坐标和比例尺，用各种点状、线状、面状符号及文字注记和色彩等表示地形地貌、地理现象及社会经济现象。

(8)场景合成。通过对Vega的图形环境Lynx中各项参数的选择，驱动虚拟环境，实现虚物的实化，以达到实时漫游、可控可视化的目的。通过Lynx工具或在Visual C++环境中调用Vega API函数，加入系统需要的光照、声音、特效等。

(9)人机交互系统。设计一个方便的人机交互界面，包括设计菜单，图标，屏幕显示信息等。

二、虚拟仿真实训教学应用

1.虚拟仿真实训系统

仿真系统实训系统由一个教师站和多个学员站组成。有多个水利工程典型的单元和典型施工场地布置系统的仿真模拟软件，具有管理功能的教师站可以向学员站发出面向全部或个别的操作指令，并能显示相应学生的操作结果及最终成绩，学生通过人机对话，达到熟练完成单元和施工场地布置系统的操作。而教师通过教师主控制台可以很清楚详细地了解每名学生的当前操作情况。“水利虚拟仿真实训平台”为水利水电工程专业实训教学提供了可视化的虚拟仿真环境。(如图1)

图1 水利虚拟仿真实训平台实景图

“虚拟仿真实训平台”可以动态仿真模拟典型水工建筑物的工作原理、结构构造及工程险情的发生发展过程，虚拟滑坡、泥石流再现典型台风、强汛、及相应防汛防台措施。从而解决了水利工程专业实操实训过程中危险性大、费用高、小概率事件再现、标准化演示、工作职场展示及环境污染等问题。

2.虚拟仿真实训系统的教学方式(1)分析学习目标和制定教学方法

教学计划中，一般都会将实训教学安排在专业基础课结束后集中进行。高职院校水利工程虚拟仿真系统的目的是为水利水电工程专业教师、学生提供一个安全、环保且成本低廉的打破时空约束的接近真实的学习情景，为学生提供一种与真实工程交互学习的途径。同时，又能最大限度地增加学习的趣味性和激发学生的创造性思维能力。在实训实习教学中，这是一个虚拟仿真场景的设计，不需要亲自到实验室，就能完成实验内容，达到教学要求。

(2)教学内容实施

在水利虚拟仿真实训教学中，一般通过以下过程来实施、完成教学内容。

①引导学生入门

学生首次接触水利虚拟仿真实训系统,对整个操作流程及布局不了解,指导教师通过投影仪向学生讲授学习水利工程虚拟仿真系统的作用意义、仿真培训系统学员站使用方法(包括仿真培训软件的启动、培训参数的选择、画面及菜单介绍智能评价系统等),使学生明确学习内容、学习目的,激发学生的学习兴趣。

②演示讲解

在学习每一个单元仿真或系统仿真之前，教师首先对水利工程勘测、规划、设计、施工及运行管理、操作过程进行详细讲解，利用多媒体、投影仪对学生进行操作演示，强调操作中常见问题及现象，引导学生根据现象进行分析、思考，找出解决问题的方法。

③学生上机训练、教师指导答疑

学生独立操作训练过程中，教师巡回观察每位学生的操作情况，及时指出问题，指导学生掌握操作技巧，并引导学生解决仿真操作过程中出现的问题。

④考核及成绩评定

按教学计划结束水利工程虚拟仿真实训后，要对学生的学习情况进行考核。教师通过教师站，在题库中选择操作题目，组合成考卷，选择考核中采用授权的方式，屏蔽操作步骤，完成考试时间，分值比例等参数设置后，向学员站发出操作指令，学生联机后，就可在自己的电脑上独立完成试题；学生提交试卷后，系统综合学生对操作步骤、质量、趋势等控制，给出成绩。

3.虚拟仿真实训教学训练策略

虚拟仿真训练应遵循理论教学和工程训练并重的原则，因材施教的原则，弹性灵活的原则。

(1)同步教学训练

在虚拟仿真教学的操作过程中可能出现的非正常工况很多，尤其是首次仿真开车，学生难免出现顾此失彼的局面。教师可以采用“同步教学法”，即由教师统一指挥，在水利工程的正常工况下全过程由教师引导，训练学生对动态过程的综合分析能力，各变量之间的协调控制(包括手动和自控)能力，掌握时机、利用时机的能力，以及对将要产生的操作和控制后果的预测能力等。

(2)专业技能训练

专业技能训练主要是针对专业课程或专业模块课程实施的操作和训练，借助虚拟仿真设备，可以达到教学的预期目的。主要是通过水利工程典型的仿真单元和典型施工场地布置系统进行操作，若发现自己在某一步骤操作不好时，可利用软件的“快门记录”和“重演快门”功能，反复对这一步骤进行练习，直到掌握为止，不必每次都将操作全过程重头做一遍，节省了时间，提高了培训效率。

(3)智能训练

学生的认知心理发展特征，主要表现在感知、记忆、观察能力和思维能力等。通过仿真训练可很好地培养学生的观察能力、思维能力、自学能力、实际操作能力、分析和解决问题的能力。

水利工程虚拟仿真系统,模拟水利工程的施工、场地、地形、地图投影、地理坐标、图纸管理、建筑物等等内容的生成及其变化。学生进行系统过程操作,实现了从感性到理性的认识过程,是有效的智能训练过程。学员排除故障的训练过程,是应对突发事件应变能力的训练，更是观察能力和分析能力的检验。

三、结束语

随着虚拟仿真技术的发展，高职教育实践性教学环节的实训内容、实训手段、实训设备将发生变革。水利虚拟仿真实训平台由于其安全、经济、高效、可控、可视、实用、便于观察、便于参与、无破坏性、可多次重复、整体性强等特点对实训教学起到了事半功倍的作用，将有效地提高教学效果。可见，将虚拟仿真技术应用于高职实验实训教学，是高职院校实训基地建设的一个方向，具有广泛的推广价值。

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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

朱达凯，副教授，实验实训管理中心主任。