机场排水系统虚拟仿真教学平台构建

中国民航大学 彭晶

随着互联网技术的快速发展，虚拟仿真技术越来越多地应用在高校教学过程中。本研究拟应用三维仿真技术，进行机场排水系统虚拟仿真教学平台构建，并设计实验方案进行仿真模拟，方便学生了解排水系统设计布局、学习机场排水设计理论、熟悉排水模拟方案。该平台以直观的场景、真实的体验、直观的感受，让学生以第一视角的体验与交互模式对模拟平台进行操作，直观便捷地完成实验项目要求，有利于学生熟悉真实场景和学习相关理论知识，提高实验效率。

虚拟现实技术最早是从美国开始研发的，并引领世界各国虚拟现实技术发展潮流。1960年，Licklidr预言“未来电脑会以人大脑的思维方式处理信息”。在20世纪80年代，美国宇航局及国防部对虚拟现实技术进行了大量研究，建成了虚拟现实教育系统，在全国得以使用，取得了显著成就。随着虚拟现实技术研究的不断深入，其在教学中应用也越来愈广泛。澳大利亚墨尔本理工大学建立了虚拟物理实验室，进行热传递教学。我国关于虚拟现实技术的研究相对起步晚，但随着信息技术的迅猛更新发展，也已经引起人们广泛的关注。我国教育部于2018年针对高等教育启动“示范性虚拟仿真实验教学项目”，并依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（www.ilab.com），实现国家虚拟仿真实验教学项目的持续性对外联通和服务。目前该平台已经收录2079个认定项目，正创新性地推进中国高等教育质量的提升。从首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心的资源统计数据来看，各高校自行研发，具有自主知识产权的虚拟仿真教学资源相对较少，大量资源属于市场购置的商业软件，而其中多数都有使用授权数量的限制。虚拟仿真教学平台是采用虚拟仿真现实、三维动画与演示、人机交互等技术，根据理论与实验教学的需求设计出用于辅助教学的虚拟场景、虚拟环境、虚拟设备及构件库、演示理论和实验过程等内容，运用不同的软件设计应用技术，依托平台以及学科属性，针对不同专业及课程特点进行设计和拓展的教学资源库平台。

为进一步推进我校实验教学的改革与创新，加快实验室建设，促进优质资源融合，提升办学水平和人才培养质量，形成教学科研协同、学校企业联合培养人才的实验教学新模式，学校根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号），我校也积极开展了虚拟仿真实验教学中心的建设和申报工作。于2017年开始组织申报天津示范性虚拟仿真实验教学项目，进而我校虚拟仿真实验平台建设受到越来越多教师的关注。

1 机场排水系统虚拟仿真平台简介

1.1 建设的必要性

机场排水设计是我校交通工程专业的一门专业选修课，主要讲授机场排水系统设计理论及模拟仿真研究。随着四型机场建设需求提出，绿色海绵机场建设也受到极大关注。由于机场安全运行及管理模式的特殊性，即便是机场内部的工作人员都需持证上岗，并在所持证件许可的工作范围之内活动。只有少部分飞行区工作人员，在不影响航班正常起降、运行的前提下，才允许进入飞行区例行日常的巡查、检查。高校的学生很难进行机场排水系统的布局及构型的参观和认知，学生对机场排水系统很难有直观的认识和了解。目前机场排水系统实验室实验很难开展，主要存在的问题有：

(1)受场地因素制约，目前国内外均以小尺寸实验装置替代管网系统开展实验，仅满足定性研究需求，与排水沟实际情况偏差较大；(2)受资金因素限制，学校不可能建造大量植草沟或大规模机场排水系统模型供学生现场试验，少量实验装置无法满足多人在有限学时的实验，实验教学周期长，教学工作量大；(3)受设备条件困扰，目前实物模拟装置中流量计等零部件损耗严重，维修维护工作量大，实验运行成本高。

鉴于此，应用虚拟仿真技术，开发机场排水系统虚拟仿真实验平台，通过前台虚拟、后台计算的方式，在线完成课程的实验教学。学生可依托本场景开展排水理论学习及虚拟实验，完成实验教学及技能训练，提升教学效果。同时解决实物实验实施困难、设备台套数不足等问题。实验教学中，可让学生以直观的感受、真实的视角，开展机场排水系统的学习和模拟实验，意义重大。学生依托该平台，通过模块操作、流程切换等步骤，完成机场排水系统理论学习，排水系统认知、不同情景模拟实验，植草型排水沟滞蓄性能实验等内容。

1.2 层次架构

如图1所示，该虚拟实验平台的设计主要包括：(1)战略层。顶层设计阶段，规划完成了机场排水系统虚拟仿真教学平台设计的实验脚本，并进行开发。(2)范围层。以天津某机场排水系统为例进行展示，及不同降雨量下机场排水系统工作状况展示。实现了学生选择飞行区某一典型的区域进行放大，加以详细介绍排水管网设计的步骤、理论知识等操作。以问答的形式巩固知识点，对计算公式有深刻的印象。(3)结构层。规划完成了机场排水和场景的模型建模，实现了用户使用WASD键盘按键配合鼠标进行操作，模型以某机场为案例，充分了解其基础信息后完成了建模。模型由机场飞行区、工作区排水系统布局、尺寸，排水沟选型及断面形状、蓄水池、泵站等构成。(4）框架层。规划设计了软件的交互设计，主要包含界面设计和导航元素，使用户快速了解实验操作。完成机场排水系统的程序脚本搭建、功能开发及交互逻辑优化。程序开发工作集中在模型的动画效果，习题考核评价功能的开发，以及交互逻辑上的功能开发，实现了用户操作鼠标对航展区漫游的功能。实现了系统考评功能，实现了机场降雨量模拟及排水动效展示。(5)表现层。设计了软件UI界面，以及提供了机场模型的参考图像，帮助开发公司保质保量的完成项目。完成虚拟仿真项目的原型图设计和UI设计。本实验从功能设计上考虑让学生在场景中自主漫游，以了解机场的排水设施的情况，并在其中穿插对学生知识的考核，最后由系统给出分数评价。UI外观设计上以蓝色科技风为主题风格。

图1 虚拟仿真实验平台层次架构Fig.1 Hierarchical architecture of virtual simulation experiment platform

2 机场排水系统虚拟仿真实验平台设计

2.1 主要设计模块

如图2所示，该虚拟实验平台拟设置“实验准备”“实验简介”“实验指导”“实训工况”“结果分析”等多个模块，设计实施流程如下：

图2 虚拟仿真实验平台设计模块Fig.2 Design module of virtual simulation experiment platform

(1)虚拟实验平台“实验准备”项目中，预置数字化资料，如实验基本理论、实验注意事项等微视频、文字、图片说明等。需要开展实验的学生需要提前进行在线学习，并完成试题库中抽取题目的测试，方可进行后续环节；(2)学生进入系统后即进入虚拟实验。可以选择“实验简介”了解实验目的、植草沟情况、操作方法等；(3)选择“实验指导”模式，根据系统提供的文字、图片、动画等提示信息，可完成实验操作步骤的学习和训练；(4)选择“实训工况”模式，学生可选择实验的模拟工况，根据系统给出的任务要求，无信息提示，独立完成实验操作；(5)完成操作的学生，可以通过“结果及分析”选项查看自己模拟实验操作后的实验数据，完成机场飞行区植草型排水沟水文性能测定。

2.2 虚拟实验流程

实验开始之前，学生输入姓名、学号进入模拟仿真平台，打开“实验准备”环节，进行实验基本理论、实验注意事项、实验操作及安全常识等内容的学习；在此基础上，抽取的相关问题，测试合格后进入正式的实验操作。

拟设计的实验过程及内容主要为：(1)进入模拟仿真平台，选择“漫游”，了解机场排水系统整体布局、构型植草沟布局等。(2)选择“机场排水设计理论”，选择飞行区某一典型的区域进行放大，加以详细介绍排水管网设立的步骤、理论知识。让学生结合实际的排水案例学习排水设计理论知识点，中间插入选择题的形式（题目、答案、解析），并记录学生练习的成绩。(3)在“不同降雨情境模拟”部分，根据暴雨强度公式，设定重现期、降雨历时、其他地区性参数等，开展不同工况下的模拟，输出节点、断面的水位、流量等。(4)在“植草沟设计及模拟实验”部分，可设计植草沟的构型、布局及尺寸，模拟植草沟作用前后的效果对比，输出模拟结果图片、视频。

综上所述，机场排水系统植草沟虚拟仿真平台的设计思路如图3所示：

图3 实验流程设计图Fig.3 Experimental flow chart

3 结论

采用虚拟仿真方式进行机场排水系统虚拟仿真实验平台的构建，不仅避免了实物实验场地、资金不足、实施困难等问题，还可以有效调动学生兴趣，提高学生对知识的掌握和实操水平，牢记步骤，提高实验正确性与效率。系统以直观的场景，真实的体验，直观感受等，让学生以第一视角的体验与交互模式对模拟平台进行操作，进行不同设计工况下的机场飞行区排水沟或植草型排水沟滞蓄性能测定实验等，直观便捷地完成实验项目要求。

该研究的创新点主要体现在几个方面：(1)教学理念创新。虚拟仿真实验平台能弥补实物装置实验投入高、占地面积大、后期维护困难等不足，是一种具有较好效果的新的教学理念。(2)教学模式新颖。采用全在线虚拟仿真互动式教学方法，应用游戏引擎技术，系统内置机场飞行区植草型排水沟实景，具有较好的可视化效果。基于不同的实验情景，通过虚拟仿真平台的实验设备设施，完成实验流程。(3)运行模式创新。教师通过在线虚拟仿真平台，在课前发布实验要求和实验基础理论，学生提前完成预习；学生进入模拟平台，在平台引导下或独立完成不同情景的实验，既实用又好玩，真正实现快乐教学、快乐学习的目标。