基于仿真技术的桥梁课程实验教学系统研究

赵宁雨　蒋海飞

摘要：针对桥梁课程实验教学中受实验设备和场地的限制，使教学时数和桥型实验种类受到制约；实验设备更新升级代价高，实验方法更新慢；设计性和创新型实验较难实现等问题，提出了一种基于仿真技术的桥梁课程实验教学系统。建立了其体系结构，并对开发中的关键技术进行了论述。开发的仿真系统得到了应用实施，证明了其较高的实用性。

关键词：仿真技术；桥梁结构；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）29-0267-02

一、引言

实验教学架起了理论和实践的桥梁，并对培养学生正确的分析方法和解决问题的能力有着不可替代的作用[1，2]。传统桥梁结构实验教学中存在一些问题和不足：（1）传统结构实验教学受实验设备和场地的限制，使教学时数和桥型实验种类受到制约，分组中的学生人数多，组员不能都得到操作机会；（2）实验设备更新升级代价高，实验方法更新慢；（3）较难实现培养学生创造性思维能力的设计性实验和创新型实验。因此发展构建一套新的适应于高等教育大发展形势下的桥梁结构实验教学方法和系统是很有必要的。

目前国内外针对实验教学改革的研究取得了很多成果，但大都集中在实验室管理、教学体系改革[3，4]、学生考评机制等方面。针对实验仪器、实验平台的集成和系统开发的还很少，开发利用仿真技术和虚拟仪器技术，整合现有的仪器设备和实验平台，发挥计算机仿真、图形化的和数据管理等功能的实验系统，使之能够开发功能更多，集成性能更好，能满足多教学人数和设计性、创新性的实验，以减少实验仪器的课堂使用时间，具有重要的意义。本文基于桥梁工程理论课程对结构实验仿真系统的要求，利用计算机仿真组件技术，在研究桥梁结构试验课程仿真实验教学系统的系统架构基础上，开发了桥梁课程结构仿真实验系统并进行了教学实践。

二、基于仿真技术的桥梁课程实验教学系统

1.系统的总体架构及功能。系统的总体框架结构分为四层，如图1所示：第一层为实验仪器、实验桥型和实验方法的数据库支撑层，是整个系统运行的数据基础；第二层为实验仪器和桥型的组件层，基于组件技术的思想，将实验设备、桥梁结构组件与实验方法等定义成组件模块；第三层为功能层，通过调用各组件实现不同实验目的实验教学仿真体系；第四层为用户操作层，实现人机交互。

系统以实现桥梁课程实验仿真为目的。仿真实验系统的每一功能层的功能为：（1）仪器设备模型库：负责实验仪器设备组件的管理，具有在模型库中新增、删除实验仪器设备组建的功能。（2）桥梁构件模型和桥梁种类模型库：负责桥梁构件和桥梁种类组件库的管理，具有在模型库中新增、删除桥梁构件模型和桥梁种类模型的功能。（3）实验建模：用户可以将实验设备组件库和桥梁组件和桥梁种类库中的仪器设备模型块拖动到主窗体中，并对模型的属性等参数进行定义，通过拖动组件可灵活构建不同功能和性质的仿真实验教学模型。（4）仿真实验运行：通过定义仿真实验的仪器设备和实验对象桥梁结构模型及其运行参数后，启动仿真运行，在此过程中调用各仿真算法组件函数。（5）实验结果及数据分析：能对仿真实验运行过程中的各种实验数据进行统计分析，并能以各种统计图表的方式进行显示。

（二）系统的运行流程

如图2所示，仿真桥梁课程实验教学系统运行流程为：实验者登录后，可选择进入模型库，对各种组件进行管理；也可以直接进入仿真实验主窗口，通过拖动仪器设备组件和实验桥梁组件模型在主窗口内组装来建立实验模型，也可以直接调用已存储的实验模型；然后设置仪器设备的测试参数、实验桥梁组件模型和桥梁种类模型的参数；启动仿真运行后，系统会自动调用组件函数来完成仿真实验，并记录下各相关实验数据，同时可调用实验结果及数据分析组件，通过图、表等显示仿真实验结果，并形成实验报表。

三、桥梁课程实验教学系统关键技术

1.建立实验设备组件模型、实验桥梁组件模型和桥梁种类模型组建库实现多类型实验。桥梁课程实验的实验设备、桥梁结构种类、实验手段和实验目的比较固定，这使构建仿真实验教学系统的桥梁组件模型和桥梁种类模型、实验设备模型变得可行。首先，对各组件的实验属性进行功能分析，对具有相同参数和特征的仪器设备和桥梁组件进行抽象建模。然后，对这些模型的属性和方法进行封装。最后，实验者只需通过拖动组件模型，修改少许属性，就能定义出选定实验课程的仪器和实验对象组件库，再进行特定的组合，就能灵活实现仿真实验建模。

2.基于组建技术的桥梁结构。对不同的实验课程，实验对象是具有不同结构形式的各种桥梁，采用桥梁结构构件组件建模的方法，可使仿真试验教学系统具有较高柔性，能适应不同桥梁结构实验的要求。系统实现了对实验设备组件和桥梁模型构件的拖放功能，实验者可从模型库中拖动组件来定义实验。其实现方法为：（1）拖动组件的实现方法：在组件中设置拖放事件方法及其接口。拖放事件方法包括：拖放过程中仪器设备的图像显示、拖动动态效果曾强。实现方法为：将拖放属性设为自动。当鼠标按住设备组件并拖动时触发拖放事件。设备组件拖动到布局窗体内放开鼠标时，会触发该事件，在布局窗体内预先写好事件函数来响应此事件。（2）封装的实现：目前，可用于实现以上组件封装技术的工具有很多，本文的实验仿真系统采用拥有ActiveX快速開发组件的VB6.0进行开发。将定义的实验设备和桥梁构件组件的事件函数和属性分别写好，然后编写对应的事件处理函数将这些事件和属性集成起来。使用该工具可极大地减少定制组件的工作量。

四、案例

本文研究开发的基于仿真技术的桥梁课程实验教学系统，进行了实验教学应用，取得了良好的效果。通过应用实验仿真教学系统，实现了对桥梁课程实验的动态建模；通过仿真教学解决了实验设备和场地的限制，提高了教学时数和桥型实验种类；改善了学生的动手条件；同时，提供了一种实验设备和实验方法更新升级，培养学生创造性思维能力的设计性实验和创新型实验的手段。

五、结论

本文基于桥梁课程实验教学的需求，利用计算机仿真技术的优点，研究了基于实验课程教学需求的实验仿真系统的架构，并利用组件技术开发了桥梁课程实验教学仿真系统。

1.建立了基于仿真技术的桥梁工程实验课程仿真教学系统的功能结构；

2.通过建立实验仪器设备和桥梁结构构件组件库来实现教学实验的组合建模；

3.运用拖放事件技术实现了实验仪器模型和不同结构实验桥梁模型的动态定义，系统拥有足够柔性和扩展性。

最后，该桥梁实验教学仿真系统得到了教学应用实践，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，（11）：5-8.

[2]马非，朱卫东，等.虚拟现实技术在土木工程中的应用与探索[J].计算机应用，2007，27（5）：66-68.

[3]王建祥，苏枋，李双喜，于建军.基于ANSYS的工程结构仿真实验研究[J].实验技术与管理，2010，（04）：67-70.

[4]左玉生.浅析国家级虚拟仿真实验教学平台建设——以东南大学为例[J].中国高校科技，2016，（04）：54-55.