高职道路勘测虚拟仿真实训系统设计与实现

张家宇

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122）

高职道路勘测虚拟仿真实训系统设计与实现

张家宇

（辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳 110122）

道路与桥梁工程技术专业学生的道路勘测设计能力由于受到各种因素制约无法获得较好训练，为解决这一问题，本文论述了高职道路勘测虚拟仿真实训系统设计与实现过程，提出了该系统功能的总体设计思路，并举例说明了系统模块功能的具体设计与实现方法，对高职实训教学与虚拟仿真技术的融合研究具有一定借鉴意义。

道路勘测；实训改革；虚拟仿真

1 引言

道路勘测设计能力是高职道路与桥梁工程技术专业学生职业核心能力的重要组成部分，包括道路平面、纵断面和横断面设计等内业工作以及现场选线、定线等外业工作，需要综合考虑拟选路线与现有山水田林的统筹协调，涉及地形地貌、工程水文、经济发展、控制点位等诸多因素。道路勘测设计成果的优劣不是一个非对即错、非好即坏的简单判断，而是一个可以不断“优化、再优化、不断优化”的逼近过程。在传统的道路勘测实训过程中，学生对于设计方案的优化往往受制于时间有限、数据量大、运算繁琐、关系复杂等因素没有得到很好地训练，急需运用现代教育技术手段解决此问题。

2010年，教育部启动国家道路桥梁工程技术专业教学资源库建设项目，辽宁省交通高等专科学校牵头全国17家院校及20家企业共完成课程中心等十个平台和 《路面工程技术》等12门核心课程。2015年，依据 《教育部关于确定职业教育专业教学资源库2015年度立项建设项目及奖励项目的通知》（教职成函 ［2015］10号）精神，教育部启动国家资源库升级改造项目。在此背景下，以全过程模拟道路勘测设计各阶段主要工作任务为内容的道路勘测虚拟仿真实训系统列入升级改造建设任务，并开展相关建设研究工作。

2 系统总体功能设计

依据 “碎片化资源、结构化课程和系统化设计”的总体思路，强化道路勘测虚拟仿真实训系统 “教师教学、学生自学、突出实训、成果评价”的功能定位，充分运用需求向导、应用激励的策略，把创新的虚拟仿真实训系统融入到传统的道路勘测实训教学环节中，系统需要完成的主要功能是：

2.1 平面设计

通过交点法、积木法、控制法并利用交互设计方式，完成公路直线、圆弧、回旋线组合的各种线形计算以及超高加宽计算，自动输出包括路线平面设计图、超高方式图、直线曲线及转角表、曲线要素表、逐桩坐标表等。

2.2 纵断面设计

实现交互式拉坡和交互式竖曲线设计功能，动态显示纵断面设计主要控制参数，自动生成各种路基形式的路基设计表、纵坡竖曲线表、水准点表、超高计算表等。

2.3 横断面设计

通过交互设计方式对路线进行分段定制路拱、边坡、边沟形式及材料等，根据设计规则自动完成各桩号的 “戴帽子”工作，自动进行土石方调配并生成土石方表。

2.4 三维建模

系统根据完成的几何设计参数自动生成基于三维数字地面模型的三维透视图，模拟车辆以不同速度行驶在这条 “未来公路”上的技术状态，以 “所见即所得”体现职业教育 “学中做、做中学”的教育教学特点。

2.5 教学评价

依据现行公路设计规范性文件的技术指标，对学生设计成果进行量化评价，指出设计中尚需改进和完善的部分，充分体现实训系统的教学目的与要求。

3 系统模块功能设计

依据道路勘测虚拟仿真实训系统的总体功能设计，结合道路勘测实训的技术准备、设计实施和成果评价三个教学过程，将系统划分为8个功能模块，如图1所示。

图1 道路勘测虚拟仿真实训系统模块关系图

平面设计模块、纵断面设计模块和横断面设计模块是虚拟仿真实训系统的设计实训实施阶段，通过这三个模块全过程虚拟仿真道路勘测设计的各个技术工作环节，这是整个实训系统的核心建设内容。地形浏览模块和项目管理模块属于技术准备阶段，地形浏览模块主要为学生提供山岭重丘区和平原微丘区两种地貌条件的三维数字地面模型，项目管理模块以人机交互形式确定公路等级、计算车速、路幅数、路幅宽度、路幅坡度等全局设计参数。测设放样模块、三维漫游模块和教学评价模块属于成果评价阶段，测设放样模块主要为学生提供测设放样数据，方便学生将自己的设计成果在外业现场进行实施，三维漫游模块可以生成基于三维数字地面模型的三维透视图，方便学生直观了解设计成果的优劣，教学评价模块可以依据现行规范等技术性要求对学生设计成果进行量化评价。

对上述8个功能模块进行详细功能分析与设计，形成模块功能需求分析与设计表，用以指导后继的项目研发工作，以平面设计模块为例，如表1所示。

4 系统模块功能实现

在对每一个模块进行需求分析与设计的基础上，专业教师与软件开发人员共同进行详细的模块功能设计与实现，所有系统功能均按照行业标准 《公路路线设计规范》（JTGD20-2006）的技术指标要求进行设计，同时充分考虑 “教师教学、学生自学、突出实训、成果评价”的功能定位。系统数据运算部分采用美国Microsoft公司推出的面向对象可视化集成编程系统visual C++，图形处理部分采用美国Autodesk公司的AutoCAD 2014，三维处理部分采用美国Autodesk公司的3D Studio Max 2013，数据库处理部分采用美国Oracle公司的关系型数据库管理系统MySQL，visual C++、 AutoCAD、 3D Studio Max和MySQL完成大量数据运算、交换与存储，同时实时显示阶段设计成果，共同实现了道路勘测虚拟仿真实训系统的各项功能。以项目管理模块的“新建项目”功能为例，如图2所示。

表1 平面设计模块功能需求分析与设计表

图2 项目管理模块的 “新建项目”功能界面

依据行业标准 《公路路线设计规范》（JTGD20-2006）的有关技术性要求和虚拟仿真实训系统的教学性要求，系统设计了教学评价功能。在系统内部数据库中内置了各种不同公路等级、不同设计速度下的最小半径、最小缓和曲线长度、最大纵坡、最大坡长等国家强制性设计指标，学生在完成设计后，可以由教学评价功能严格按照指标体系对设计成果进行检查，指出不满足行业标准要求的设计之处，并给出为满足上述要求的改进建议，充分实现系统的教学功能与属性。

5 结语

传统的道路勘测实训分为外业勘测与内业设计两部分，虚拟仿真实训系统引入道路勘测实训后，一部分外业勘测的数据处理和全部的内业设计工作都在虚拟仿真实训系统中完成，学生从大量重复繁琐的计算工作中解脱出来，专心于地形地貌、工程水文、经济发展、控制点位等诸多因素对路线的影响分析，而且对自己的设计成果“所见即所得”，可以获得非常充分的路线设计训练。通过岗位能力剖析和实训难点分析，采用最优化的教学设计，运用信息技术手段实现的道路勘测虚拟仿真实训系统，有效解决了实践教学瓶颈问题，为全面提升道路桥梁工程技术专业人才培养质量奠定了坚实基础。

［1］张学刚，周晓奉.高职建工专业虚拟仿真实训系统的研究［J］.中国职业技术教育，2014（23）：25-27.

［2］于国锋.高职专业课程教学与职业核心能力培养初探 ［J］.辽宁省交通高等专科学校学报，2011（12）：55-59.

Design and Implementation of Virtual Simulation Training System on Road Survey in Higher Vocational Education

ZHANG Jia-yu

Students majoring in road and bridge engineering technology cannot be better trained due to a variety of factors.To solve the problem,the article discusses the process of the design and implementation of virtual simulation training system on road survey,proposes overall design ideas of the system function, and gives an example to illustrate the specific design of the system function module and realization.Meanwhile,it's of great significance to the integration research of the higher vocational training teaching and the virtual simulation technology.

road survey,training reform,virtual simulation

G712；U412.2

A

1008-3812（2017）01-057-03

2016-06-08

教育部职业教育专业教学资源库2015年度奖励项目（2010-03）

作者简介：张家宇（1974— ），男，黑龙江海伦人，副教授。研究方向：道路工程、职业教育信息化。