基于虛擬仿真實驗教學中心建設工作探究

姜艷 史長瑩 于奎

摘要：通過開展虛擬仿真實驗教學中心建設工作，可有效地解決真實實驗高成本、高能耗、時空跨度大、危險性大且不可逆的致命缺陷，有利于三維虛擬仿真技術人才的培養，推動高等學校的實驗教學改革及創新，全面提高大學生的創新精神和實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；三維；實驗教學；創新；實踐

開展虛擬仿真實驗教學中心建設工作，旨在貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》精神和《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，推動高等學校實驗教學改革與創新，全面提高大學生的創新精神和實踐能力。黑龍江大學大頂子山水庫虛擬仿真實驗教學中心依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，通過構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，使大學生通過在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果，同時增加了學生的動手機會，提高了學生創新和實踐能力。

1虛擬仿真實驗教學中心基本要求

大頂子山水庫虛擬仿真實驗教學中心是一個技術先進、功能完善，具有結構展示、實驗仿真與人機交互等功能的綜合虛擬仿真平臺，具備三維工程結構虛擬現實環境、結構體面任意區域切割、建設施工過程動態仿真演示、專業知識動態鏈接講解、立體眼鏡三維全角度展示、人機交互、虛擬瀏覽、操作簡單、界面友好、三維場景生動形象展示等功能，以滿足不同用戶權限管理以及版權保護等要求。

1.1系統功能

虛擬仿真實驗教學中心在系統功能和性能上應具有“規范化、科學化、智能化、數字化、簡便化”等五大特點：

（1）“規范化”項目管理——系統在功能上規范、合理；

（2）“科學化”數據分析——樞紐工程數據、資料科學化處理；

（3）“智能化”圖表輸出——智能生成相關實驗報告報表；

（4）“數字化”三維地球——精確獲取項目地理信息；

（5）“簡便化”直選操作 —— 一鍵式鼠標點選操作。

1.2界面操作環境

（1）要求集合人工智能、多媒體系統等多種技術，提供的虛擬仿真實驗平臺具備統一的操作環境，界面直觀、操作簡便、對用戶透明。

（2）界面風格可調整，包括顏色和布局；任意窗格可隱藏、移動或關閉，在用戶需要時可方便快捷調出。

（3）所有操作均可由鼠標一鍵式完成，同時配有鍵盤快捷鍵，制定統一的鍵盤快捷操作模式。

（4）能夠支持多種數據格式，包括常規辦公軟件格式（txt、xls、doc等）、圖片格式（bmp、jpg、tiff、gif等）、視頻格式（avi、mpeg、mpg、mp4等）等。

（5）能夠根據用戶需求，快捷輸出、打印相關實驗圖、表、影像等數據。

1.3基本功能

（1）人機交互功能；

（2）基于區域地形地貌、工程地質與水文地質、江水環境和壩體結構的大頂子山水庫高度仿真的三維虛擬現實環境和實驗仿真功能；

（3）三維樞紐數字模型全視角可視化、信息標注及漫游功能；

（4）三維樞紐數字模型地形等高線顯示功能；

（5）壩體、地質等任意區域地面或實體切割顯示功能；

（6）信息智能管理功能；

（7）信息打印輸出等日常功能。

1.4專業功能

（1）大頂子山水庫數字虛擬平臺：實現工程整體三維可視化，即能夠反映樞紐各分部工程組成及位置，直觀查看大壩的形狀、尺寸、功能，并在三維數字模型基礎上，實現漫游，能夠動態展示其內部結構和設施。

（2）主汛期無調節泄洪過程仿真：在進入主汛期間，不斷上漲的松花江水位，使哈爾濱城區段的防洪壓力增大。此間，要求能夠與樞紐工程虛擬環境相結合，逼真顯示無調節泄洪情況，并根據樞紐不同的水位變化，動態展現相應的泄洪過程。

（3）航運期閘門工作仿真：要求能夠逼真展示無調節蓄水情況，俯視和側視同步船閘工作原理，包括船閘啟閉過程等。

（4）樞紐及人工湖仿真：要求形象逼真表現江水回漫至防洪紀念塔下第一級臺階情景，虛擬再現太陽島常年四面環水的宜人景致；把松花江水引入市區，使何家溝、馬家溝、信義溝變得常年水清；松花江水倒灌呼蘭河，真實展現江闊天高，水鳥翔集的濕地情景。

（5）發電站工作場景仿真：采用虛實結合手段，體驗裝有6臺貫流式機組的河床式發電站工作場景。

（6）寒區工程防凌汛、清理浮冰仿真：隨著天氣轉暖，冰凍的松花江開始融化，哈爾濱到大頂子山段的所有冰都匯集于大頂子山，為使松花江哈爾濱段流冰順暢通過泄洪閘門，以保證大頂子山水庫設備的安全，通過提前將泄洪閘門前的冰清理完畢，并利用舌瓣門將弧門下游側冰融化等程序，確保打開弧門，為防凌汛提前作好準備工作。要求能夠三維展示凌汛期浮冰運動的全過程，體現出寒區工程特色。

（7）攔河壩段施工過程虛擬仿真：要求能夠三維詳盡展示合理利用編織袋圍堰施工和吹填施工的全過程。其總體虛擬仿真實驗框架如圖1所示。

2主要性能指標和相關技術參數

（1）軟件要求支持32位和64位環境，支持Windows XP/2003/2008 /7等操作系統。

（2）系統具備數據管理、統計查詢、網絡分析、三維建模、三維分析、三維漫游等功能。

（3）支持常用的位圖格式，包括tiff、jpeg、png、gif、bmp、emf、eps、pdf和svg等；支持常規視頻格式，包括avi、mpeg、mpg、mp4等。

（4）提供對系統樞紐工程數據庫中的數據、地圖的快捷搜索，支持搜索結果進行排序和分組，提供統計圖表和報表的生成、輸出和打印等功能。

（5）建立包含大頂子山水庫地形、地貌在內的250平方公里全三維矢量不規則曲面地表模型，基本比例尺為1∶50000，支持三維矢量模型的縮放查看、基本定位等功能為系統的基礎平臺。

（6）提供250平方公里高清晰0.5米分辨率無人機DOM影像數據，并支持數據影像的動態展示。

（7）在基礎平臺上對大頂子山水庫核心工程區5平方公里范圍建立比例尺1∶1000的精細化三維矢量不規則曲面地表模型。

（8）建立樞紐三維矢量模型，包括內攔河壩、閘門、閘墩、發電廠房、發電機組等模型，支持三維模型的縮放查看、基本定位、屬性顯示、功能查詢等功能。

（9）支持空間數據與水工建筑物屬性數據的動態關聯和永久關聯，支持全場景三維交互式動態展示，包括基本的地圖瀏覽、圖層管理、空間和水工建筑物屬性查詢和顯示。

（10）支持更快的矢量數據處理，支持矢量數據的捕捉、計算、測距等，支持大頂子山水庫區任意斷面矢量化切割，能夠實現包括地表建筑、地表、地基矢量數據三位一體化切割，并支持切割后的斷面動態展示、縮放查看、屬性查詢等功能。

（11）支持不同水位下樞紐閘門的啟閉泄洪過程，并動態顯示水位、閘門工作原理等。

（12）支持基于SPH（三維流體粒子系統）的無閘門泄洪仿真模擬，真實再現不同工況下樞紐工程泄洪場景。

（13）建立水庫水流矢量模型，根據庫水位的變動，動態展示庫區淹沒范圍。

（14）支持發電廠房內部三維模型虛擬展示，實現三維漫游。

（15）支持壩體分區填筑動態過程仿真，實現壩體施工過程的動態查看。

（16）支持多模式的可視化成果展示，包括動態2D/3D展示、立體眼鏡三維展示等，顯示速度快，漫游流暢，無刷新閃爍。

（17）支持普通臺式機系統的查看功能，提供不同用戶的權限管理。

（18）支持二次開發模塊，提供開發接口。

3結論

虛擬仿真實驗教學中心服務于我院水利水電工程、農田水利工程、水文學及水資源所有在校學生，所有實驗項目采用虛擬現實技術，實現自主虛擬瀏覽，操作簡單、界面友好，并能對專業知識主動講解，動畫過渡生動形象。實現互聯網在線展示，對不同的用戶給予不同權限，對學生采用學號加密碼等方式登陸網頁并記錄實驗過程，評價實驗效果。禁止普通用戶下載實驗模型，實現版權保護。

水利工程運行過程具有時間長、空間跨度大、不可逆和施工周期長等特點，真實實驗不具備條件、危險性大或難以完成教學功能。虛擬仿真實驗可有效地解決現實中難以進行的實驗教學難題，是水利類學生實踐能力培養的必要手段。