暴雨致涝及洪水风险分析虚拟仿真实验的设计与实现

钟桂辉，刘曙光，娄 厦，沈 超，蔡 奕

（同济大学 土木工程学院，上海 200092）

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是信息技术与教育教学融合发展和与学科专业深度融合的实验教学改革与创新[1]。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在实验条件不足、实验成本有限、交互性和自主性要求高以及出于安全保障考虑等情况下，能够提供可靠、安全和经济的实验项目，达到教学互动、资源共享、不受时空限制、可全天候开展实验的效果[2-3]。虚拟仿真实验教学在高校的应用日益广泛，弥补了真实实验的不足，提高了实验效果，在培养学生实践创新能力、推动高等学校实验教学改革与创新方面发挥了重要作用[1,4]。

我校土木工程学院正进行国家级虚拟仿真实验教学中心的申报和建设，学院水利港口实验室以此为契机，在原有实验教学改革的基础上[5-7]，基于教学需求，将工程实际和最新科研成果转化为虚拟仿真实验项目，旨在以科研反哺教学，推进实验教学信息化，推动高校实验教学的深入发展。

1 虚拟仿真实验的设计背景与目的

1.1 设计背景

设计洪水、暴雨致涝、洪水灾害、防洪减灾等是水利工程专业耳熟能详的专业术语，城市看海、校园被淹也屡现网络和报端。但是对于学生而言，设计频率暴雨（洪水）与洪水风险特征（淹没水深、淹没范围及淹没流速）的关系往往只是一个模糊的概念。

近年来，受极端气候影响，暴雨造成的洪涝灾害威胁日益严峻。据世界灾害评估统计，1970—2016年间，全世界179个国家所发生的12797件重大自然灾害中，洪水灾害有 3017起，占比为 23%，由此造成的经济损失占比为20.3%，受灾人数占比为35.6%[8]。2016年，我国有31个省（自治区、直辖市）的2404个县（市、区）遭受洪涝灾害，受灾人口 10095.41万人，死亡686人，失踪207人，紧急转移1459.89万人，倒塌房屋42.77万间，192座城市进水受淹或者发生内涝，直接经济损失3643.26亿元[9]。防洪减灾是现阶段我国国家治理的重要任务，洪水模拟及防洪减灾已成为学科发展的前沿。如何将学科前沿知识融入本科教学，特别是将复杂的、多学科交叉的科学问题以直观、形象的实验形式引入本科教学，是加强学生实践能力培养、增强学生核心竞争力和专业技能的有效手段。

虚拟仿真技术随着现代电子技术的快速发展，逐步形成完善的体系，成为继数学推理、科学实验之后人类探索自然的又一有效方法。在信息化、智能化的时代背景下，数字技术在防洪减灾、港口工程中的应用日趋广泛，充分利用虚拟仿真、实现工程设计、人工智能计算及计算结果信息化等的数字化技术已成为行业发展的重要趋势[10-13]。

开展暴雨致涝虚拟仿真实验项目建设，构建适应自主学习需求的实验教学平台，将防洪减灾、洪水风险模拟等复杂的前沿知识通过虚拟仿真实验项目来实现，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，是高校实验教学改革的重要内容。它能有效激发学生学习兴趣、拓展专业前沿知识，无论对创新型学生培养，还是对虚拟仿真实验建设都具有重要意义。

1.2 设计目的

（1）构建高仿真实验环境，提升专业实践教学效果。基于水动力模型、ArcGIS技术、计算机技术构建高仿真的暴雨致涝及洪水风险演进过程，可使学生随时随地进行实验模拟，学习和掌握现代信息技术，提升专业技术与实践能力。

（2）复杂问题可视化，拓展学生创新思维。将不同频率的设计暴雨、设计洪水及不同洪水组合产生的暴雨内涝和洪水风险，进行信息化的虚拟模型实现，可将复杂问题可视化，同时可根据学生的学习兴趣对模型进行添加或更改，拓展学生的创新思维。

（3）降低培养成本，避免资源浪费。虚拟仿真软件的可安装性，解决了因同类实验仪器数量不足，部分学生无法亲身实践操作的问题。防洪减灾实验通常需制作物理模型，但模型制作成本高，且许多模型不适于其他实验重复使用。若将相关实验虚拟仿真化，则可大大节省实验成本，避免资源浪费。

2 虚拟仿真实验的整体架构

2.1 整体架构

采用Web技术、GIS技术和数据库技术构建基于B/S（浏览器/服务器）结构的暴雨致涝及洪水风险虚拟仿真实验系统，整个架构分为应用层、认证层、组件层和数据层。按照模块化软件设计原则，实验系统框架包括院系管理、教师管理、学生管理、个人信息维护、在线交流答疑和系统管理6部分，如图1所示。其中，个人信息维护主要是登录个人（管理员、教师、学生等）对个人基础信息的修改、完善和管理，包括进行登录密码修改，系统管理包括资源管理、权限管理及日志查看。

2.2 模块与功能

院系管理、教师管理、学生管理是虚拟实验平台的核心，具体实现的功能如下：

（1）院系管理模块。院系管理模块主要由授权的院系管理员操作。它的主要功能包括：虚拟实验平台账号管理；查询和编辑院系、班级基础信息；对教师的基础信息，包括院系、工号、姓名等进行增、删、查、改；查询和编辑学生的基础信息，包括对班级、学号、个人信息进行录入和修改，可以进行批量录入和修改，也可针对单个学生信息进行录入和修改。

（2）教师管理模块。教师管理模块主要由经过授权的专兼职教师管理，教师必须经管理员授权后，才有权登录虚拟实验平台，实现对学生实验的辅导和管理。教师具有对实验模块的管理权力，包括管理学生账号、更新和维护实验项目、更新和上传实验指导书、查询查看学生实验报告、进行成绩评定和在线交流与答疑等，如图2所示。

（3）学生管理模块。学生管理模块可查询实验项目介绍，包括实验内容、背景、区域概况等；可在线学习实验的相关知识点，诸如洪水频率分析、水动力模型原理、洪水风险分析理论等；可下载实验指导书，并可按照实验指导书进行虚拟仿真实验；可任意更改降雨及边界条件，进行洪水风险动态仿真模拟，并可将实验结果及有关结论通过实验报告上传教师批阅（见图3）。

图1 暴雨致涝及洪水风险虚拟仿真模拟整体框图

图2 教师管理模块框图

图3 学生管理模块框图

3 暴雨致涝及洪水风险虚拟仿真实验示例

基于虚拟仿真实验教学的设计目的，暴雨致涝及洪水风险虚拟仿真实验主要由3部分组成。

3.1 理论知识的学习与拓展

暴雨致涝及洪水风险模拟隶属水动力学科，涉及的本科课程有“工程水文学”“河流动力学”“防洪工程”等。在“虚拟实验项目介绍”模块中，除了介绍虚拟实验项目背景、研究范围、水文、气象及地理信息外，还重点介绍各学科内容之间的相互联系与支撑关系，解决了先导课程与后续课程衔接问题。在“相关知识点模块”中，将相关知识点（如水文频率计算、设计洪水推求、水动力模型原理、防洪工程措施等）以文字、图片及问题回答形式进行呈现。教师还可更新和添加最新技术、研究成果、应用案例等，从而激发学生学习兴趣，使学生的专业知识得到进一步巩固、拓展和融会贯通。

3.2 虚拟仿真实验方案设计

完成虚拟实验相关知识点学习后，学生可依据相应的理论知识，自主开展虚拟仿真实验的方案设计，包括对降雨条件、边界条件、水闸、泵站和溃口的设计及更改。如在更改和设计降雨条件时，可依据频率计算结果，修改各雨量站的降雨时空值，可以单站修改，也可进行批量修改。边界条件、水闸、泵站及溃口也可进行假定和修改（见图4）。

3.3 虚拟实验结果查询与分析

方案设计完成后，驱动水动力模型进行仿真计算，暴雨致涝及风险模拟的结果可在“动态仿真”及“数据分析”中查询查看。“动态仿真”模块可动态展示关注点的水位过程，可通过GIS在地图上动态渲染洪水模拟结果，实现洪水淹没特征（淹没水深、淹没流速、淹没范围）的动态展示。“数据分析”模块中，降雨、水位、流量及洪水特征能实现列表展示及数据导出，还可进行多种方案对比，如图5所示。

图4 动态仿真条件设置

图5 仿真结果分析展示

4 结语

暴雨致涝及洪水风险模拟仿真实验的开发和应用，丰富了实验的教学模式，促进了虚拟实验教学的发展。它将庞大的基础资料、繁杂的洪水推求、难以操作的洪水模拟，通过可视化窗口加以实现。将暴雨致涝及洪水风险模拟的过程，用模块化的系统进行设置更改，能够用来有针对性地开展进阶式训练，加强学生对专业理论知识的掌握，引导学生对前沿知识的理解，实现了科研反哺教学和优质实验教学资源共享，提升了整体实验教学水平。