分布式虛擬仿真在“輸配電線路施工”教學中的應用

黃宵寧 楊成順 楊中亞

摘要：介紹“輸配電線路施工”在專業知識體系中的重要作用，并針對施工課程實踐性極強的特點和該課程教學上存在的問題現狀，結合自身在三維仿真教學培訓系統方面的研究開發實踐，進一步介紹分布式虛擬仿真的技術特點和應用系統的內容，以及該系統對提高本課程教學質量和學習效果的積極價值。

關鍵詞：分布式;虛擬仿真;輸配電線路施工;教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0093-01

隨著我國經濟的迅猛發展，輸配電線路里程數不斷增加，電力行業對輸電專業人才培養的數量和質量上都提出了更高要求。作為國內設置電氣工程及其自動化（輸配電）專業方向的僅有三所全日制本科院校之一，南京工程學院承擔著向社會輸送該專業方向高級工程應用型人才的重任，如何突出應用的特色，切實有效提高教學效果進而提升培養質量是面臨的首要課題和任務。[1]

一、“輸配電線路施工”課程的教學特點

電氣工程及其自動化（輸配電方向）專業是培養具有電力系統輸配電線路工程的理論和技術，并能從事輸配電線路設計、施工、運行、維護、管理的高等應用型技術人才。[2]“輸配電線路施工”是該專業方向一門重要專業必修課程，通過本門課程的學習，牢固掌握輸配電線路施工理論及實踐技能，才能在畢業后能夠較快適應現場工作，滿足電網建設單位的用人需要。因此“輸配電線路施工”是該專業方向知識體系架構中非常重要的環節，一直受到廣泛的重視。

“輸配電線路施工”課程的教學目標是使學生了解輸配電線路施工的整個工藝流程及各施工工藝原理，掌握基礎、桿塔、導地線等主要部件的安裝施工工藝步驟，具備施工方案設計和作業指導書的編制的能力。本課程具有以下特點：

（1）內容形象具體。相較于其他課程知識的抽象性邏輯性強的特點，本課程內容非常的具體形象，例如輸配電線路部件種類多、型式雜、裝配關系復雜的特點。此外，輸配電線路分布性廣，施工現場往往跨越高山大河，施工布置和工藝展開等內容都需要營造臨場感。

（2）工程實踐性強。本課程的力學計算理論與施工工藝聯系緊密，教學要求中直接包含了豐富的工程實踐內容，并且十分注重施工過程中安全控制和團隊協作。[3]

（3）本專業屬于電氣學科范疇，而本課程的知識體系接近于建筑工程領域，對于電氣專業學生在缺少建筑施工前導性知識鋪墊的前提下，快速掌握中輸配電線路施工安裝工藝和要領也存在一定的難度。

（4）學歷教育為主的本科院校無法按照電力培訓部門那樣打造大規模的實訓實操基地，現場實習環節因為時間短和安全因素也難以達到理想的效果。

（5）由于電力企業需要的是上手快、適應強、基礎實的應用型技術人才，客觀上要求進一步強化學生動手能力和應用能力的鍛煉，把實踐教學放到關鍵和重要的位置上，不斷在人才培養上突出工程實踐性強的特色。

在當前的形勢下采用手繪、板書、視頻、照片這樣的傳統教學方式已經難以滿足“輸配電線路施工”課程這些鮮明的特點對教學手段的要求。

二、分布式虛擬仿真技術的引入

1.虛擬仿真技術引入的理論基礎

建構主義學習理論（Constructivism Learning Theory）認為，知識是學習者在一定的情境背景下借助教師或同學的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得，即通過人際間的協作活動而實現的意義建構過程，因此建構主義學習理論認為“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素或四大屬性。[4]通過長期的研究實踐，基于以上理論的虛擬仿真技術對“輸配電線路施工”課程而言，是提高教學質量和效果有效的途徑。

2.分布式虛擬仿真的技術特點

分布式虛擬仿真綜合了計算機圖形學、虛擬現實、計算機網絡、分布式計算、計算機仿真、數據庫技術、人機交互、人機智能等多學科專業技術，是虛擬現實技術的重要分支。分布式虛擬仿真將位于不同物理位置的用戶通過網絡進行連接，或者多個用戶參與到同一個虛擬環境中，通過與其他用戶進行資源共享、實時溝通或就特定的復雜問題進行探討和協作，簡而言之就是多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。基于分布式虛擬仿真系統除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）兩大特征以外，還具備以下幾個顯著技術特點：網絡用戶共享虛擬任務空間;角色扮演行為具有真實感;多機實時交互，保持時空一致性;資源信息共享，多個用戶（學員）可以采用多種方式相互通信。

3.分布式虛擬仿真教學系統

通過研究開發我們建立了國內首套分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統，該系統采用分布式架構、多機協同、虛擬仿真等技術手段，可以直觀、準確、快速地為課程教學內容提供具體的展現對象和高效的演練手段。高擬真度虛擬環境中的多人協作和角色扮演手段雖然不能完全取代實際的操作和訓練，作為現場實操實訓環節的有效補充，對提高教學效果、提升實踐能力具有十分積極的作用和意義。

三、分布式虛擬仿真教學系統應用效果和前景

1.系統主要功能

分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系通過虛擬施工場景建模、施工人員角色動畫建模與數據處理、施工業務流程仿真腳本設計，用戶可以對虛擬施工場景的視點進行自由選擇，實現全景式自由漫游[5];用戶借助虛擬布局技術模擬或生成施工現場的虛擬環境，實現輸配電線路本體和通道環境仿真;通過綁定相關數學模型和動畫路徑的規劃，實現各個班組成員分工協作下的輸配電線路施工各項工作專業流程的仿真;通過實時受力可視化分析和設備監控，實現工藝方案的虛擬設計和優化;并通過培訓支持與管理底層平臺子模塊實現了培訓信息管理、考勤提問、鍵鼠管制、屏幕監管、自動評價等日常培訓助教功能，同時還具備課上演練、課后訓練等助學功能。

2.系統應用效果

（1）借助系統可以快速建立和強化感性認識，為課程的展開提供了鋪墊和基礎。例如，學生可以全方位、多角度、近距離地觀察虛擬環境中的輸配電線路及各組成部件，感覺他們的尺寸、型式、結構、材質、裝配關系。同時通過可視化的分析手段，將抽象的概念表達直觀具體化，為理論知識的講授提供豐富直觀的手段。例如，輸配電線路中的桿高與各種檔距、弧垂的計算、空間布置測量和設備受力監控等都可以直觀、高效地進行實時計算和對結果的可視化表達。

（2）系統充分考慮了施工現場作業是以班組為單位，具有團隊協作的特點，突破了原有單人單機培訓模式的桎梏。在分布式虛擬仿真系統中，每個用戶能更好地通過角色扮演方式增加臨場感，以角色扮演的形式出現與虛擬場景以及其他替身進行實時的交互，真正地跨越了現實工作中難以設計實施團隊集體培訓方案的藩籬。

（3）系統為用戶提供一個高度真實感和沉浸感的虛擬現實環境。與單機用戶的虛擬現實環境相比，本系統所體現出逼真度類型要比單用戶復雜得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行為特征的逼真度和時間逼真度、信息逼真度和系統逼真度等。這些要素不僅要求行為正確、真實、可信，而且還恰當地還原和模仿了真實施工作業流程的復雜度，達到了提高培訓質量和效果的目的。

3.系統推廣前景

（1）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統使多個用戶或學員同時參與到一個共享的虛擬施工任務空間，通過網絡與其他用戶共享信息，在分布式的虛擬施工仿真平臺上完成施工組織設計、施工方案評估評價，并對方案的開展過程和結果進行預演。學員通過高度聯系實踐的學習、訓練，并協同完成教師課前規劃或預設的一項輸配電線路現場施工作業任務，以達到協同工作的目標，它將虛擬仿真輔助教學培訓手段的應用提高到了一個更高的境界。

（2）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學系統能夠更好地解決線路施工實踐教學過程中，多人現場作業存在的安全隱患問題，同時能夠節約實習實訓資金，使技能培訓不再局限于在有限的室內課堂和室外基地，學員可以重復地觀摩、演練，多角度、全方位地觀察和操作，可以全面地、深入地參與到電網建設生產過程中。

（3）現代遠程教育工作是實現終身學習和教育培訓的一種行之有效的手段，分布式虛擬仿真技術作為遠程教育支持系統的一個重要發展方向，可以實現多人協同機制下的各種培訓學習功能。本系統的技術成果和應用經驗能夠為電力行業培訓提供有效的借鑒，積極推動企業教育手段的發展。

參考文獻：

[1]黃宵寧.輸電線路虛擬仿真技術在應用型人才培養中的作用[J].中國電力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黃宵寧，等.輸配電線路施工技術[M].北京：中國電力出版社，2007：1-2.

[3]黃宵寧.虛擬仿真技術在輸電線路運檢專業技能培訓中的應用[J].中國輕工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建構主義-革新傳統教學的理論基礎[J].電化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黃宵寧，楊志超.超高壓架空輸電鐵塔組立虛擬施工技術研究[J].電力建設，2007，（12）：55-57.

（責任編輯：王祝萍）