機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

中國(guó)民航大學(xué) 彭晶

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在高校教學(xué)過(guò)程中。本研究擬應(yīng)用三維仿真技術(shù)，進(jìn)行機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行仿真模擬，方便學(xué)生了解排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局、學(xué)習(xí)機(jī)場(chǎng)排水設(shè)計(jì)理論、熟悉排水模擬方案。該平臺(tái)以直觀的場(chǎng)景、真實(shí)的體驗(yàn)、直觀的感受，讓學(xué)生以第一視角的體驗(yàn)與交互模式對(duì)模擬平臺(tái)進(jìn)行操作，直觀便捷地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，有利于學(xué)生熟悉真實(shí)場(chǎng)景和學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)效率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早是從美國(guó)開始研發(fā)的，并引領(lǐng)世界各國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展潮流。1960年，Licklidr預(yù)言“未來(lái)電腦會(huì)以人大腦的思維方式處理信息”。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)宇航局及國(guó)防部對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，建成了虛擬現(xiàn)實(shí)教育系統(tǒng)，在全國(guó)得以使用，取得了顯著成就。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的不斷深入，其在教學(xué)中應(yīng)用也越來(lái)愈廣泛。澳大利亞墨爾本理工大學(xué)建立了虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行熱傳遞教學(xué)。我國(guó)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究相對(duì)起步晚，但隨著信息技術(shù)的迅猛更新發(fā)展，也已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注。我國(guó)教育部于2018年針對(duì)高等教育啟動(dòng)“示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，并依托國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)（www.ilab.com），實(shí)現(xiàn)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的持續(xù)性對(duì)外聯(lián)通和服務(wù)。目前該平臺(tái)已經(jīng)收錄2079個(gè)認(rèn)定項(xiàng)目，正創(chuàng)新性地推進(jìn)中國(guó)高等教育質(zhì)量的提升。從首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，各高校自行研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真教學(xué)資源相對(duì)較少，大量資源屬于市場(chǎng)購(gòu)置的商業(yè)軟件，而其中多數(shù)都有使用授權(quán)數(shù)量的限制。虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)是采用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)、三維動(dòng)畫與演示、人機(jī)交互等技術(shù)，根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求設(shè)計(jì)出用于輔助教學(xué)的虛擬場(chǎng)景、虛擬環(huán)境、虛擬設(shè)備及構(gòu)件庫(kù)、演示理論和實(shí)驗(yàn)過(guò)程等內(nèi)容，運(yùn)用不同的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)，依托平臺(tái)以及學(xué)科屬性，針對(duì)不同專業(yè)及課程特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和拓展的教學(xué)資源庫(kù)平臺(tái)。

為進(jìn)一步推進(jìn)我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，加快實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源融合，提升辦學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，形成教學(xué)科研協(xié)同、學(xué)校企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，學(xué)校根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高〔2012〕4號(hào)），我校也積極開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)和申報(bào)工作。于2017年開始組織申報(bào)天津示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，進(jìn)而我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)受到越來(lái)越多教師的關(guān)注。

1 機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 建設(shè)的必要性

機(jī)場(chǎng)排水設(shè)計(jì)是我校交通工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課，主要講授機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及模擬仿真研究。隨著四型機(jī)場(chǎng)建設(shè)需求提出，綠色海綿機(jī)場(chǎng)建設(shè)也受到極大關(guān)注。由于機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行及管理模式的特殊性，即便是機(jī)場(chǎng)內(nèi)部的工作人員都需持證上崗，并在所持證件許可的工作范圍之內(nèi)活動(dòng)。只有少部分飛行區(qū)工作人員，在不影響航班正常起降、運(yùn)行的前提下，才允許進(jìn)入飛行區(qū)例行日常的巡查、檢查。高校的學(xué)生很難進(jìn)行機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)的布局及構(gòu)型的參觀和認(rèn)知，學(xué)生對(duì)機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)很難有直觀的認(rèn)識(shí)和了解。目前機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)很難開展，主要存在的問(wèn)題有：

(1)受場(chǎng)地因素制約，目前國(guó)內(nèi)外均以小尺寸實(shí)驗(yàn)裝置替代管網(wǎng)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，僅滿足定性研究需求，與排水溝實(shí)際情況偏差較大；(2)受資金因素限制，學(xué)校不可能建造大量植草溝或大規(guī)模機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)模型供學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，少量實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法滿足多人在有限學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期長(zhǎng)，教學(xué)工作量大；(3)受設(shè)備條件困擾，目前實(shí)物模擬裝置中流量計(jì)等零部件損耗嚴(yán)重，維修維護(hù)工作量大，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本高。

鑒于此，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)前臺(tái)虛擬、后臺(tái)計(jì)算的方式，在線完成課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可依托本場(chǎng)景開展排水理論學(xué)習(xí)及虛擬實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)及技能訓(xùn)練，提升教學(xué)效果。同時(shí)解決實(shí)物實(shí)驗(yàn)實(shí)施困難、設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可讓學(xué)生以直觀的感受、真實(shí)的視角，開展機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和模擬實(shí)驗(yàn)，意義重大。學(xué)生依托該平臺(tái)，通過(guò)模塊操作、流程切換等步驟，完成機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)，排水系統(tǒng)認(rèn)知、不同情景模擬實(shí)驗(yàn)，植草型排水溝滯蓄性能實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

1.2 層次架構(gòu)

如圖1所示，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括：(1)戰(zhàn)略層。頂層設(shè)計(jì)階段，規(guī)劃完成了機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)_本，并進(jìn)行開發(fā)。(2)范圍層。以天津某機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)為例進(jìn)行展示，及不同降雨量下機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)工作狀況展示。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生選擇飛行區(qū)某一典型的區(qū)域進(jìn)行放大，加以詳細(xì)介紹排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的步驟、理論知識(shí)等操作。以問(wèn)答的形式鞏固知識(shí)點(diǎn)，對(duì)計(jì)算公式有深刻的印象。(3)結(jié)構(gòu)層。規(guī)劃完成了機(jī)場(chǎng)排水和場(chǎng)景的模型建模，實(shí)現(xiàn)了用戶使用WASD鍵盤按鍵配合鼠標(biāo)進(jìn)行操作，模型以某機(jī)場(chǎng)為案例，充分了解其基礎(chǔ)信息后完成了建模。模型由機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)、工作區(qū)排水系統(tǒng)布局、尺寸，排水溝選型及斷面形狀、蓄水池、泵站等構(gòu)成。(4）框架層。規(guī)劃設(shè)計(jì)了軟件的交互設(shè)計(jì)，主要包含界面設(shè)計(jì)和導(dǎo)航元素，使用戶快速了解實(shí)驗(yàn)操作。完成機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)的程序腳本搭建、功能開發(fā)及交互邏輯優(yōu)化。程序開發(fā)工作集中在模型的動(dòng)畫效果，習(xí)題考核評(píng)價(jià)功能的開發(fā)，以及交互邏輯上的功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用戶操作鼠標(biāo)對(duì)航展區(qū)漫游的功能。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)考評(píng)功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)降雨量模擬及排水動(dòng)效展示。(5)表現(xiàn)層。設(shè)計(jì)了軟件UI界面，以及提供了機(jī)場(chǎng)模型的參考圖像，幫助開發(fā)公司保質(zhì)保量的完成項(xiàng)目。完成虛擬仿真項(xiàng)目的原型圖設(shè)計(jì)和UI設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)從功能設(shè)計(jì)上考慮讓學(xué)生在場(chǎng)景中自主漫游，以了解機(jī)場(chǎng)的排水設(shè)施的情況，并在其中穿插對(duì)學(xué)生知識(shí)的考核，最后由系統(tǒng)給出分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)。UI外觀設(shè)計(jì)上以藍(lán)色科技風(fēng)為主題風(fēng)格。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層次架構(gòu)Fig.1 Hierarchical architecture of virtual simulation experiment platform

2 機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)模塊

如圖2所示，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擬設(shè)置“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”“實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介”“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”“實(shí)訓(xùn)工況”“結(jié)果分析”等多個(gè)模塊，設(shè)計(jì)實(shí)施流程如下：

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)模塊Fig.2 Design module of virtual simulation experiment platform

(1)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”項(xiàng)目中，預(yù)置數(shù)字化資料，如實(shí)驗(yàn)基本理論、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等微視頻、文字、圖片說(shuō)明等。需要開展實(shí)驗(yàn)的學(xué)生需要提前進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，并完成試題庫(kù)中抽取題目的測(cè)試，方可進(jìn)行后續(xù)環(huán)節(jié)；(2)學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后即進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)。可以選擇“實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介”了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒅膊轀锨闆r、操作方法等；(3)選擇“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”模式，根據(jù)系統(tǒng)提供的文字、圖片、動(dòng)畫等提示信息，可完成實(shí)驗(yàn)操作步驟的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練；(4)選擇“實(shí)訓(xùn)工況”模式，學(xué)生可選擇實(shí)驗(yàn)的模擬工況，根據(jù)系統(tǒng)給出的任務(wù)要求，無(wú)信息提示，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作；(5)完成操作的學(xué)生，可以通過(guò)“結(jié)果及分析”選項(xiàng)查看自己模擬實(shí)驗(yàn)操作后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)植草型排水溝水文性能測(cè)定。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始之前，學(xué)生輸入姓名、學(xué)號(hào)進(jìn)入模擬仿真平臺(tái)，打開“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)基本理論、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)操作及安全常識(shí)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)；在此基礎(chǔ)上，抽取的相關(guān)問(wèn)題，測(cè)試合格后進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)操作。

擬設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及內(nèi)容主要為：(1)進(jìn)入模擬仿真平臺(tái)，選擇“漫游”，了解機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)整體布局、構(gòu)型植草溝布局等。(2)選擇“機(jī)場(chǎng)排水設(shè)計(jì)理論”，選擇飛行區(qū)某一典型的區(qū)域進(jìn)行放大，加以詳細(xì)介紹排水管網(wǎng)設(shè)立的步驟、理論知識(shí)。讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際的排水案例學(xué)習(xí)排水設(shè)計(jì)理論知識(shí)點(diǎn)，中間插入選擇題的形式（題目、答案、解析），并記錄學(xué)生練習(xí)的成績(jī)。(3)在“不同降雨情境模擬”部分，根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式，設(shè)定重現(xiàn)期、降雨歷時(shí)、其他地區(qū)性參數(shù)等，開展不同工況下的模擬，輸出節(jié)點(diǎn)、斷面的水位、流量等。(4)在“植草溝設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)”部分，可設(shè)計(jì)植草溝的構(gòu)型、布局及尺寸，模擬植草溝作用前后的效果對(duì)比，輸出模擬結(jié)果圖片、視頻。

綜上所述，機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)植草溝虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如圖3所示：

圖3 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)圖Fig.3 Experimental flow chart

3 結(jié)論

采用虛擬仿真方式進(jìn)行機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，不僅避免了實(shí)物實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、資金不足、實(shí)施困難等問(wèn)題，還可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和實(shí)操水平，牢記步驟，提高實(shí)驗(yàn)正確性與效率。系統(tǒng)以直觀的場(chǎng)景，真實(shí)的體驗(yàn)，直觀感受等，讓學(xué)生以第一視角的體驗(yàn)與交互模式對(duì)模擬平臺(tái)進(jìn)行操作，進(jìn)行不同設(shè)計(jì)工況下的機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)排水溝或植草型排水溝滯蓄性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)等，直觀便捷地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。

該研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：(1)教學(xué)理念創(chuàng)新。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能彌補(bǔ)實(shí)物裝置實(shí)驗(yàn)投入高、占地面積大、后期維護(hù)困難等不足，是一種具有較好效果的新的教學(xué)理念。(2)教學(xué)模式新穎。采用全在線虛擬仿真互動(dòng)式教學(xué)方法，應(yīng)用游戲引擎技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)置機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)植草型排水溝實(shí)景，具有較好的可視化效果。基于不同的實(shí)驗(yàn)情景，通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施，完成實(shí)驗(yàn)流程。(3)運(yùn)行模式創(chuàng)新。教師通過(guò)在線虛擬仿真平臺(tái)，在課前發(fā)布實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)理論，學(xué)生提前完成預(yù)習(xí)；學(xué)生進(jìn)入模擬平臺(tái)，在平臺(tái)引導(dǎo)下或獨(dú)立完成不同情景的實(shí)驗(yàn)，既實(shí)用又好玩，真正實(shí)現(xiàn)快樂(lè)教學(xué)、快樂(lè)學(xué)習(xí)的目標(biāo)。