大型引水隧洞调压系统仿真实验平台建设实践

李景龙，冉栋刚，潘维宗，林春金，隋 斌

（山东大学a.土建与水利学院；b.资产与实验室管理部；c.岩土中心，济南 250061）

0 引言

相比于石油、煤炭等常规能源，水能资源具有清洁环保、可再生、成本低等优势。且我国水能资源丰富，我国理论水能资源储量可达全球的15%以上［1］。因此合理开发并利用我国丰富的水能资源对于优化我国能源结构、维护能源安全、促进社会可持续发展具有重要作用。另外，开发水能资源对于我国生态文明建设也有巨大作用。2020 我国在联合国大会上提出了“双碳目标”，即我国将力争于2030 年前使二氧化碳排放达到峰值，在2060 年前实现碳中和［2］。水能资源的开发与利用对于我国完成“双碳目标”也有十分重要的意义。为使我国的水能资源建设事业不断发展，迫切需要培养一大批高素质的创新型、应用性水电技术人才。因此，在高校内充分开展水利水电工程的实验教学，培养学生的实践经验就显得尤为重要。但是通过传统的实验方式开展水利工程相关的大型实验存在成本高、危险性大、不可复现性等困难，难以满足新时期高校实验教学需要。随着计算机技术和云计算技术等技术的不断发展，建设虚拟仿真实验室，开展高校日常的实验教学已经成为可能［3］。目前，虚拟仿真实验平台已经在物理［4］、力学［5-6］、土木［7］、核工程［8-9］、生态学［10］、助产［11］、电子技术［12］、新闻［13］以及网络安全［14］等多个学科和领域内得到了应用。此外，有学者还根据实践总结了虚拟仿真实验平台的建设和使用经验［15］，并总结了基于虚拟仿真实验平台的教学组织［16］、分层次教学模式［17］等经验。

但是目前线上虚拟仿真实验平台在水利专业中还少有应用，因此本文将以我校建设的大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台为例，探讨面向水利专业的虚拟仿真技术实验平台建设和教学实践。

1 水利工程实验教学现状

1.1 实验课程开展不充分

目前我国高校的实验室建设取得了明显的进步，尤其是“双一流”高校的实验室，已经具备了基本的实验教学条件，实验室的硬件设施和实验教学的质量得到了明显的提升。但目前国内高校的实验室建设通常只重视实验设备和实验仪器的配置，仍缺少充足的实验管理人员和成熟的实验室管理体制。一般学生只有借助实验课的机会进入实验室学习。而随着学校在校生数量不断增加，实验课程安排相对不足。且为防止实验仪器损坏，日常进入实验室需要预约，一般预约手续繁琐，间接制约了学生进行实验的机会，非常不利于学生通过反复练习积累实践经验。

1.2 设备利用率低、维护成本高

目前高校的实验教学通常周期性较强，实验设备在一段时间内集中使用完成教学任务后，就被长时间的闲置，导致实验室设备利用率较低、实验设备未能得到充分利用，造成了设备和场地的闲置浪费。随着教学课程的改革和不断深入，一些老旧设备难以满足现阶段的教学需求，需要不断购置添加新型实验设备，提高了实验设备的维护成本。

1.3 大型实验平台建设成本高

水利工程实验平台往往规模较大、建设周期长。由于建设大型现场模型实验平台的高成本和局限性，并非每个高校都有意愿和机会去建设实体大型水利专业实验平台。且即使在现场实验项目平台建成后，依然会存在实验成本高、占用场地大、使用效率低等问题，往往需要专人进行维护。高昂的前期建设成本和使用成本使得高校倾向于开展一些危险系数小、学生容易操作的试验项目，目前鲜有学校建设大型引水隧洞调压室系统这类大型教学实验平台，严重影响了教学效果。

1.4 异地现场实验开展困难

增加现场实验能够增加学生们对水利工程系统直接的感性认识，但现场实验存在极大的危险性以及施工过程不可逆等不利因素。且由于施工安全的要求，可以为学生们提供的水利工程施工现场学习的机会较少，且工程完工进入稳定运行阶段后就一直处在水下环境中，即使去现场也难以直接观察实物。此外，在目前疫情防控常态化的大背景下，更增加了异地组织大型现场参观活动的困难。

2 虚拟仿真实验平台建设

2.1 实验平台概述

由于我国已建成和在建的水电站大多是位于地质条件复杂的西南山区的高拱坝。而高拱坝的引水形式水头高、压力大，因此需要建设引水隧洞调压系统确保水电站安全运行。为了增强学生们对引水隧洞调压系统的感性认识，需要开设相关实验课程，培养同学们的动手实践和在设计中运用理论知识的能力。然而，出于安全考虑和时空限制，在中东部的高校开展引水隧洞调压系统的现场实验教学实现较为困难，而在学校内建设实体实验系统的成本高、风险大、利用率低，因此关于引水隧洞调压系统的实验一直不能在教学中得到充分开展。

我校水利工程学科工程经验丰富，曾为南水北调东线、三峡枢纽等重大水利工程建设提供理论与技术保障，近3 年完成多项科研项目，并荣获国家和省部级奖励10 余项。依托自身的学科优势，基于WebGL 跨平台技术，开发了针对引水隧洞调压系统的虚拟仿真实验平台，该平台的架构如图1 所示。该平台应用异步加载模型场景优化方式及实时渲染技术，能够真实还原大型引水隧洞调压系统在不同条件下的引水调压全过程。

图1 引水隧洞调压系统架构图

利用该虚拟实验平台展现的场景，学生可通过模型进行不同场景下的实验，开展多水头、多种引水道的调压室组合工况的模拟实验，通过实验深刻认识引水隧洞调压系统背后运用的水力学原理，并进一步掌握其优化设计方法，直观认识引水隧洞调压系统以及水电站的结构布局和工作状态。虚拟仿真实验平台能够在实验过程中融合不同层次的水力学知识，帮助实验教师扩展教学内容的广度和深度，提高学生在实际工程中的知识应用能力，为培养我国水利事业人才提供保障。

2.2 实验平台功能

引水隧洞调压系统的工作原理是通过调压室控制水位波动。当调压室关闭负荷导叶时，机组引用流量会迅速降低为零。但受引水隧洞两端的水头差影响，此时仍会有水流涌进调压室，使室内水位与库水位齐平。但由于惯性的作用，水流的涌进不会立刻停止，仍会有水流继续涌进调压室，直到水流流速降为零，此时调压室的水位达到最高点。但是在反向水头差作用下，室内水流会由调压室反向流入水库，在此逆过程中水流同样因惯性的作用，在室内水位与水库水位平齐后，室内水流仍会涌向水库，直到反向流速降低为零，调压室水位达到最低点。随着上述的过程不断重复，水流的波动不断衰减，最终稳定在与水库水位一致的静水位，工作原理如图2 所示。

图2 引水隧洞-调压室系统内最大及最小内水压力坡降线

我校建设的大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台以真实工程为基础，让同学们在实验中选定调压室布置方式、设计调压室结构和运行方式。通过模拟仿真实验，培养学生们的运用理论知识和自主创新的能力，通过模拟调压室和水库水位波动的实验结果，检验学生自主设计的引水隧洞-调压室系统的实际工作状态和稳定性，充分培养学生的动手实践能力。

引水隧洞-调压室系统稳定性虚拟仿真实验系统，包含了学习认知、实验教学和综合考核3 个模块，内容由浅及深，能够满足自主预习、教学、实验和检验等不同阶段的需求，如图3 所示。

图3 引水隧洞-调压室调压系统虚拟仿真实验3个模块

在虚拟仿真实验系统的学习认知模块中，包含了基础知识学习、工程实例展示学习等内容，如图4 所示，此外还包括了调压室的基本布置方式认知、基本结构型式认知等内容，并配套有水电站基本知识掌握程度的考核及相应的各类调压室结构型式布置的仿真实验操作练习（见图5、6）。实验教学模块包含了引水隧洞-调压室系统结构设计实验，包括调压室的基本布置方式的确定与各种调压室基本结构选型、水电站各工作水头的选取等实验内容。综合考核模块中包括了引水隧洞中水流流速测量、流量与时间关系的测量、调压室水位与时间的变化测量、稳定时间的测量（见图7、8）以及实验报告的编写（见图9）等考核内容。

图4 工程实例展示

图5 基本知识的考核

图6 调压室的结构型式设计

图7 引水隧洞水流流速和流量、调压室水位测试示意图

图8 实验测试的调压室水位与时间的关系曲线

图9 实验报告

3 平台教学实践成效

3.1 突破时空限制

通过虚拟实验平台，可以让大型引水隧洞调压系统实验突破时间和空间限制，实现线上线下结合的教学模式，方便学生实验课前预习、课后复习，借助虚拟现实技术实现“人人皆学、处处能学、时时可学”，帮助提升实验教学效果。整个虚拟仿真实验项目通过B／S架构方式部署在可以兼容内外网的服务器上，可以实现校内、校外的快速访问。尤其是对于我校这种“三地八校”的多校区办学模式的高校来说，通过线上的虚拟实验平台，可以实现多校区联动，减少开展实验教学的成本；通过实验平台，可以替代现场学习环节，降低疫情对开展实验教学的影响，真正做到停课不停学。

3.2 考核管理科学全面

常规的实验教学都会设置考核标准，对学生们的实验动手能力、基础知识掌握水平和实验报告完成情况等进行考核。但在通常情况下，实验老师很难对每位学生的实验进行全过程监督，因此无法做到全面客观评价。

建设的大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台，可以在实验过程中自动记录每位同学的实验数据和结果，并依据实验标准自动进行评价，提高实验教学的工作效率。根据实验系统记录的实验数据，能够建立全过程的实验教学质量评价体系，实现过程考核与结果考核相结合，使实验教学质量评价标准化，提高实验教学水平。

3.3 平台系统维护升级简单

相比于实体的实验平台，大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台在保证了实验的真实性的前提下，能够减少后期维护成本。实验室管理人员只需定期对相关硬件设备进行定期的检修，就能保证系统平台正常的使用，因此大大减少了实验室的场地、设备和人员成本。另外，在后期使用过程中，还可以对系统进行维护、升级，丰富实验内容，满足教学需求的变化。

3.4 实验成本低、安全性高

传统的实体实验一般都倾向于一些规模小、容易操作、安全性高的实验。若开展大型实体实验，则存在实验周期长、成本高、危险性大等问题，因此一些高校即使有条件也不会开展这类大型实体实验，对于一些大型的水利工程的实验更是如此。大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台的建设降低了开展实验的成本，保证了实验过程的安全性，能够解决当前水电站课程教学中存在的一些必要的现场实验缺失的问题，培养学生的动手实践能力。

3.5 全面提高实验教学效果

通过虚拟仿真实验的开展，突破了大型引水隧洞调压系统物理实验的局限性，解决了模型实验成本高、占用场地大、使用效率低的教学问题，通过虚拟仿真平台开展的大型引水隧洞调压系统实验能够切实提高实验教学的效果。大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验作为我校水电站课程的主要实验内容已得到了广泛应用。在教学过程中发现，通过实验增强了学生们对引水隧洞调压系统水力现象的感性认识以及对引水隧洞调压系统的基本布置形式和结构型式的理解，让学生们初步了解了进行水电站水力模型实验的方法，培养学生们了根据不同的条件对工程进行合理设计的能力。

本实验平台目前已在山东大学、河海大学、武汉大学等10 余所高校和科研机构中应用，效果良好。借助本实验平台的建设和使用经验，未来将构建更全面的水电系统仿真模拟平台，继续在高等院校、科研院所和企业进行广泛的应用。

4 结语

我校结合自身的学科优势以及水利工程培养人才的实际需求，利用WebGL跨平台技术建立了大型引水隧洞调压系统虚拟仿真实验平台，通过虚拟仿真实验代替了一些不容易在学校内开展的实体实验，解决了大型实体实验危险性大、成本高、周期长、效果不明显等问题，让实验教学突破了时空限制。在保证安全性的同时，降低了实验成本，提高了实验教学水平，让学生通过虚拟实验锻炼了综合解决分析问题的能力，增强了学生的创新创造能力，为培养新一代水电事业的创新型、应用型人才提供了保障，也为进一步构建更全面的水电系统仿真模拟平台积累了经验。