线上虚拟仿真平台建设——以“隧道工程”课程为例

张鹏飞，张 吉，刘晨光

(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

0 引言

作为土木工程专业道桥方向的核心专业课程，“隧道工程”具有涉及多个学科，内容繁杂、工程实践性强等特点。要学好“隧道工程”课程，不仅要掌握岩土力学、工程地质学、结构力学、混凝土结构设计理论等专业基础知识，还要理解明挖法施工、新奥法施工、盾构法施工等施工方法的施工工艺和施工关键技术。

“隧道工程”传统线下教学模式多半采用多媒体或板书教学，对于复杂的隧道施工工艺，教师难以结合工程实际讲授清楚。即使为了实现教学理论与实践相结合，要求学生到工地进行实习和观摩，但由于隧道爆破施工风险大、施工作业面狭窄、洞内环境差等实际情形，使得大规模学生现场实习变得不现实，进而导致学生对隧道工程各施工工艺的理解仅停留在课本知识，缺乏对施工现场施工工艺的感性认知。

虚拟仿真技术是应用计算机强大的数据前处理和后处理能力，通过系统建设、系统调试、人机互动等步骤，将抽象对象进行可视化的动态模拟仿真。基于Unity 3D仿真技术，开发建设隧道工程施工虚拟仿真教学平台。将各隧道施工工艺流程在虚拟环境中进行模拟，使复杂的隧道施工过程变得更清晰、更全面，增强学生对隧道施工实践的感性认知。该虚拟仿真教学平台通过人机交互，提供与实际施工现场环境高度一致的施工虚拟仿真场景，创造完全符合工程实际的学习机会，激发学生的学习兴趣，提高学习效果。同时，教师可以通过系统后台的反馈信息，及时了解学生的掌握程度，并对教学效果进行实时评估。

本文基于Unity 3D仿真技术，开发隧道工程施工虚拟仿真教学平台；根据隧道工程不同施工工艺的施工流程，采用Revit软件建立山体隧道、地铁隧道等三维信息化BIM模型，并运用动画制作软件对山体隧道的新奥法施工、地铁隧道区间的盾构法施工和地铁车站的明挖法施工等施工工艺流程进行动画仿真模拟，以实现“以虚补实、理实融合、深度参与”的教学效果。

1 “隧道工程”特点

“隧道工程”课程涉及多个学科，主要包括岩土力学、工程地质学、结构力学、混凝土结构设计理论等。要学好隧道工程，不仅要全面掌握上述专业专业基础知识，还要充分理解各施工工艺流程和关键施工技术。

“隧道工程”是一门与工程实践结合非常紧密的学科。“隧道工程”教学不仅要讲授隧道专业理论知识和隧道施工方法，还要对隧道设计规范和施工规范进行宣贯。

隧道是一种埋置于地层中的构造物,主要由围岩和衬砌组成。围岩既是作用体，又是承载体。隧道与围岩的相互作用随着项目工程地质条件、水文地质条件的不同而复杂多变，这就决定了不同结构类型、不同地质条件的隧道设计理论和施工方法均不一致。因此，“隧道工程”课程教学必须将课本理论知识与项目工程实践紧密结合。

2 虚拟仿真教学特点与建设思路

2.1 线上虚拟仿真教学特点

弥补传统线下工程实践教学缺失。采用虚拟仿真技术模拟隧道工程实践，开发建设线上虚拟仿真教学平台，实现隧道工程施工过程的虚拟仿真模拟，再现隧道工程各施工工艺流程，将隧道施工容易出现的问题呈现给学生，使隧道工程施工过程具有丰富的三维表现力。此外，虚拟仿真教学平台通过设计以解决实际问题为导向，让学生在三维虚拟仿真环境中实现交互式操作实践，从而弥补传统线下课堂实践教学的缺失，达到理论学习和工程实践的有机统一。

克服线下工程实践周期长、风险大难题。隧道工程施工具有建设周期长、施工环境差、风险大等特点，借助三维虚拟仿真模拟代替真实的隧道工程实践，可以将复杂的、漫长周期的施工过程在很短时间中予以展现。同时，还可有效避免工程实践教学过程中学生进入隧道施工现场可能受到的潜在危险。

2.2 线上虚拟仿真平台建设思路

隧道工程虚拟仿真教学平台主要包括“专业基础知识、理论知识综合应用和实践推广创新”3个层次。其中，基础知识层次包括隧道工程设计理论、施工方法与施工工艺；综合应用层次侧重于不同隧道不同施工工艺的应用与实践；推广应用主要表现为学生模拟实习与企业施工模拟方案制定等。该平台在满足教学大纲规定的教学任务的同时，还完善了隧道实验内容，创新了隧道工程实验模式，实现了“以虚补实、理实融合、深度参与”的教学效果。

3 “隧道工程”虚拟仿真平台开发

3.1 虚拟仿真教学平台模块组成

结合隧道工程专业培养方案和课程教学大纲，隧道工程虚拟仿真平台由图1所示的模块组成，主要包括基本理论认知、漫游模式、自测实验、效果自测模式4个模块，各自的功能如下。

(1)基本理论认知。该模式主要侧重于对隧道工程基本知识、基本理论的讲解。结合文字及图表，详细介绍隧道结构组成及隧道设计与施工涉及的基本理论。

(2)漫游模式。为了增强学生对隧道工程结构组成及隧道施工现场的感性认识，漫游模式提供了不同类型隧道的BIM模型，并给出了“地图导航”和“漫游观察”两种查看方式以及切换视角的快捷操作指南。学生可通过“地图导航”查看关键局部位置，通过“漫游观察”自由鸟瞰完整场景。

(3)自测实验。自测实验中，学生可根据明挖法施工、新奥法施工、盾构法施工等隧道施工工艺的施工流程，逐步完成各施工工艺的仿真实验。同时，模块还提供了明挖法、新奥法、盾构法等施工工艺的动画视频。

(4)效果自测模式。该模块首先对“隧道工程”基本知识及基本理论认知进行考核。其次，对施工工艺的施工流程仿真效果及涉及的知识点进行考核。仿真实验结束后，系统可自动生成详细的成绩分析报告，便于教师实时分析教学效果、调整授课重点。

图1 隧道工程虚拟仿真实验平台系统架构

3.2 仿真实验平台开发流程

首先基于Unity 3D仿真技术，采用Revit软件建立山体隧道、地铁隧道等不同类型隧道结构的三维BIM模型，采用增强现实技术，将BIM模型导入 Unity 3D中，实现隧道施工现场的复杂地形和场景布置。其次，根据隧道工程各施工工艺特点和关键施工技术，对各隧道施工工艺流程进行动态数值模拟和反演分析，建立集成化的隧道工程通用计算和施工仿真系统。

在Unity 3d虚拟现实引擎构建的隧道虚拟现实仿真环境中，学生可通过佩戴虚拟仿真头盔等虚拟现实设备、手持手柄等操作设备，实现在虚拟隧道场景中漫游，完成各施工工艺的仿真实验。虚拟仿真实验流程为：

(1)教师介绍虚拟仿真实验案例的隧道概况，提供隧道地勘资料、设计资料等背景资料，并将施实验要求布置给学生。学生根据先前所学的隧道施工理论知识，结合案例隧道背景资料，隧道施工仿真实验方案。

(2)教师评价仿真实验方案，介绍虚拟现实实验室设备以及使用方法。

(3)教师准备虚拟现实实验室设备，布置学生实验室上课分组方案。

(4)学生到达虚拟现实实验室，在教师的辅助下，先熟悉虚拟现实设备，体验虚拟仿真场景，学习通过手柄等控制装置在虚拟仿真场景中的漫游以及在虚拟场景中进行各项实验操作。

(5)学生在虚拟仿真场景中，通过实验操作获得数据，并对实验数据进行分析处理。

图2 隧道虚拟现实场景

3.3 虚拟仿真动画制作

根据明挖法施工、新奥法施工、盾构法施工等不同施工工艺的施工流程，采用Revit软件分别建立明挖法、新奥法、盾构法施工三维BIM模型(见图4—6)，再运用动画制作软件对各施工工艺流程和关键施工技术进行动画仿真模拟，最后生成视频播放文件。

图3 盾构隧道虚拟现实场景

图4 盾构隧道开挖施工

图5 新奥法施工地质超前预报

图6 明挖施工基坑开挖支护

4 虚拟仿真平台应用与推广

隧道工程虚拟仿真教学平台基于翻转课堂的引导式、开放式教学和基于网络的远程教学相结合，极大地拓展了学生的学习资源和空间，拓展了学生学习模式。平台将理论知识与工程实践充分融合，引导学生自主进行工程实践学习，推动“隧道工程”课程教学“工程化”。

为了进一步推广隧道工程仿真应用，平台开发主要进行以下内容的完善：

(1)综合应用多大数据、BIM建模、人工智能、现实虚拟、现实增强、云计算等手段，对隧道设计、施工、养护进行虚拟仿真，以丰富现隧道工程全过程虚拟仿真内容。

(2)加强隧道工程虚拟仿真平台虚实统一管理的能力，建立开放式虚拟仿真管理平台。增强平台优势资源信息的共享能力和用户访问平台的稳定性，满足更多用户并行访问。

5 结语

隧道工程线上虚拟仿真教学平台基于Unity 3D仿真、媒体、人机交互等技术，将隧道施工移植到虚拟环境中，构建具有良好沉浸感、临场感、交互感的隧道施工虚拟仿真场景，使不易完整展现的隧道复杂施工过程变得更全面、更清晰，弥补“隧道工程”传统线下实践教学的缺失。将传统线下理论教学与线上实践教学相融合，实现“以虚补实、理实融合、深度参与”的教学效果，推动“以教为主”向“以学为主”的转变，促进理论教学与实践教学的有机统一，提升“隧道工程”教学质量，为培养具有扎实专业基础知识、较强实践能力和创新精神的高素质工程应用型人才提供有效保障。