虚拟仿真技术在水利工程施工技术课程改革中的应用研究

虚拟仿真技术在水利工程施工技术课程改革中的应用研究

张晓艳

云南经济管理学院云南省650106

摘要：目前虚拟仿真实验的重点是构建平台和资源整合，而对于利用资源开展教学研究、优化平台，系统地提升学生的工程实践能力等缺乏深入探讨。为此，需要进一步推广虚拟仿真技术在水利教学中的应用。

关键词：虚拟仿真技术；水利水电；课程教学

1.虚拟仿真教学简介

虚拟仿真教学是利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等仿真模拟技术创设相应的虚拟环境或工具，并模拟真实事例进行操作、验证、设计、运行等实践的教学方法。虚拟仿真教学平台能够创造一个与实际生产近乎相同的真实环境，把本来需要建立在真实场地上的机器、设备、工具等移植到了虚拟的仿真网络平台，借助于网络平台，让学生模拟实际的生产环节，亲身操作和体验专业学习过程，不仅大大节约了学校的资金，也解决了实习过程中学生无岗可顶，工学难以结合的问题，且具有形象性、交互性、节约性与高效性等显著特点和优点。

2.水利工程虚拟仿真系统的功能和设计

2.1系统功能

水利工程是一个复杂的大系统，为了简化流程，方便计算机的实现，其仿真系统主要包括如下功能：建立水利工程虚拟环境。包括地形、地理景观、施工场地、通航建筑物、电站建筑物、挡水建筑物等模型和光照、声音效果等三维仿真环境。建立水利工程主要设备（如船闸、泄水闸门、水轮机等）的运动数学模型及其计算机模拟实现。水利工程运行机理仿真。实现水利工程虚拟漫游系统。在三维仿真环境中，实时动态显示水利工程运行状况信息，实现工程属性数据和设计施工图纸的查询。

2.2水利工程三维建模的设计

以水利工程为研究对象，采用视景建模钦件MuItiGenCreator和实时驱动软件vega，配以高性能图形工作站，结合Ar-Cgls，Microstation，AutocAD构成了基本的仿真工作环境，以CAD数据为基础进行数据转换，形成精确的、逼真的三维模型。从各个不同的视角观察分析整个工程，研究设计当前所关心的问题。如：枢纽总体布置、建筑物设计的合理性、洞室与廊道之间的关系、地下厂房设备布置的优化等，提供决策和判断的依据。

3.水利工程施工中的计算机仿真模拟应用

3.1施工场地布置系统分析及设计

水利水电工程施工是一个复杂、动态的系统，它涉及到工程施工的各个方面，并且各环节之间互相关联，互相作用，又互相渗透。根据水利水电工程施工场地布置的动态特性及内部各环节的特性，将水利水电一工程施一工分为2个子系统，即工程施工子系统和施工场地布置子系统。

2个子系统随着工程施工进度计划的向前推进，总处于一种动态变化过程中。一方面，施工场地布置合理可以促进工程施工按进度计划如期完成；另一方面，工程施工进度计划安排合理，，可以使场地布置合理有序。反之，则会引起种种不协调的现象发生，如：进度计划安排不合理（如资源强度在某一时间段出现峰值），则会引起施工场地的利用发生拥塞现象，甚至因场地数量限制而影响到进度计划的执行，以至于延误工期或造成停工、窝工。

这2个子系统在工程施工过程中，总在谋求达到一种平衡，一旦这种平衡被破坏，就可能发生工程施工过程的不协调。数学计算方法计算其是否平衡，具有其科学性，但不能形象、直观地反映平衡过程。而虚拟现实与仿真技术则可弥补其缺陷，将这种平衡过程直接呈现在决策者面前，一旦发现有不平衡发生的趋势，可以及时调整，或在工程施工前预先模拟，做出调整。

3.2虚拟现实与仿真技术演示系统设计

根据水利水电工程施工场地布置特性及所涉及的信息以及地理信息技术的特点，该系统设计为4个模块构成，即：数据库管理、查询与检索、应用模型、三维场地布置演示。该演示系统主要功能为：数据采集，建立数字地形图；信息查询与检索，用户可以在施工场地布置全貌图中点击某个场地，则可以显示、查询与该场地有关的信息；三维施工场地动态演示，在屏幕上用三维图形动态显示施工场地的变化过程，同时在屏幕下方信息框中动态显示相应的文字、数字信息；友好的人机界面，用户可以非常方便地使用该系统。

3.3防洪调度三维仿真系统

（1）将地理空间尺度和空间位置关系融入到传统的防洪调度数据集中，在统一的三维可视化环境中综合考虑各种因素，包括流域内水利工程如水库、河道、堤防、防洪设施、蓄滞洪区等的空间分布，与流域防洪调度相关的自然、社会、经济与环境因素。

（2）为防洪管理与调度决策提供形象直观、全面综合的信息。在三维可视化环境中管理流域防洪调度相关信息，如水雨情、工情、险情、视频监控等信息，与具体的三维地物或者三维地点相关联，既能宏观把握流域防洪情势，又能微观查看具体工程点或者险情点的情况，为流域防洪调度各种决策方案的比选提供展示平台。

（3）为水力学、水文学模型提供参数。例如，数字高程模型可为河道洪水演进模型提供任意河道断面、河道长度、河网分布、河道比降、地面高程及坡度等信息；数字高程模型叠加遥感影像，为洪水淹没分析提供高程信息以及土地利用类型与面积等参数信息，为流域防洪调度各种决策方案和模型提供试验场。

结语

采用基于虚拟仿真教学的顶岗实习模式不仅可以加深学生对本专业的认识，夯实基础，还能提高学生的动手能力以及职业岗位能力，培养出既有扎实的基础理论知识，又有过硬实践能力的大学生。

参考文献

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