基于虛擬仿真平臺的電力特色工程管理實踐教學(xué)模式探索

許傳博 李金超 陳文君

(1. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102206；2.新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室，北京 102206)

0 引言

虛擬仿真技術(shù)最早興起于20世紀80年代的西方國家，通過利用計算機和傳感器的虛擬環(huán)境，逼真地模擬出現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，使用者通過與虛擬環(huán)境進行交互操作，能產(chǎn)生身臨其境的感覺[1-2]。目前，虛擬仿真技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用，早期主要集中在科研院所和企業(yè)，現(xiàn)階段則逐漸在諸多高校中得到了推廣。已有許多研究是基于虛擬仿真平臺來探索人才培養(yǎng)與教學(xué)模式的。文獻[3]提出了一種基于虛擬仿真平臺的研究生課程教學(xué)改革方法，從精細化、真實化、可擴展化以及模塊化四個方面對教學(xué)方式與教學(xué)過程進行改革。文獻[4]基于本科生、研究生教學(xué)實驗室一體化建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，利用虛擬仿真平臺的能源動力類本科生、研究生一體化實驗教學(xué)與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)一體化。文獻[5]提出為應(yīng)對攝影測量實踐教學(xué)中存在的問題，采用虛擬仿真技術(shù)提出攝影測量實踐教學(xué)模式的創(chuàng)新解決方案。文獻[6]以開放場景圖(Open Scene Graph，OSG)三維引擎為核心，設(shè)計并建成水電站施工計劃與施工進度三維虛擬仿真平臺，可在教學(xué)中形象地展示水電工程的施工計劃與施工進度。

以上研究豐富了虛擬仿真平臺在教學(xué)實踐中的應(yīng)用。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)有基于虛擬仿真平臺的電力特色工程管理實踐教學(xué)模式的探索研究。工程管理實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，尤其是電力工程管理，涉及電力工業(yè)發(fā)電、輸電等多個環(huán)節(jié)，具有建設(shè)周期長、施工環(huán)境復(fù)雜、高電壓、大電流、設(shè)備種類繁多等特點，易產(chǎn)生安全隱患，使師生不可避免地面臨安全風(fēng)險威脅。因此，為了逼真地再現(xiàn)電力工程管理各環(huán)節(jié)建設(shè)過程和運行狀態(tài)，虛擬仿真是工程管理專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的重要手段。

1 電力工程管理虛擬仿真實踐培養(yǎng)系統(tǒng)

1.1 信息化虛擬仿真平臺的構(gòu)建思路

信息化虛擬仿真平臺的構(gòu)建是通過引入無人機航天三維掃描成像系統(tǒng)、全站式建設(shè)工程激光3D掃描儀、多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)等先進虛擬仿真設(shè)備，利用局域互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效整合虛擬現(xiàn)實、遠程操控、數(shù)據(jù)庫、三維可視化和物理模擬等虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和信息共享，見圖1。無人機航天三維掃描成像系統(tǒng)結(jié)合飛行器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和攝影技術(shù)等諸多前沿智能技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷的特點，可以輕松獲得目標工程的地理測繪信息，對能源設(shè)施建設(shè)、能源選址評估、能源設(shè)施建設(shè)監(jiān)管都具有重要意義，也有利于對新能源電力工程全過程建設(shè)管理的教學(xué)和科研。全站式建設(shè)工程激光3D掃描儀能獲取掃描對象表面的海量點云數(shù)據(jù)，還原掃描對象的細節(jié)特征。使用該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)工程現(xiàn)場實時3D模型掃描，對工程測量、建模、管理、能源電力工程分析等領(lǐng)域的實踐教學(xué)有重要意義。用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)可進行課堂演示及現(xiàn)場答疑，有效實現(xiàn)電力工程建設(shè)現(xiàn)場與實踐教學(xué)的通連。

圖1 信息化虛擬仿真平臺的構(gòu)建思路

1.2 電力工程管理人才實踐培養(yǎng)系統(tǒng)

基于電力工程虛擬仿真平臺(圖2)建立人才實踐培養(yǎng)系統(tǒng)，即利用無人機獲取電力工程現(xiàn)場信息，并將素材實時傳輸回課堂；電力工程管理人才基于Agisoft PhotoScan等軟件可自行完成電力工程現(xiàn)場場景的三維重構(gòu)，生動、直觀地學(xué)習(xí)電力工程建設(shè)過程、電力工程系統(tǒng)，打牢基本功；利用3D掃描儀實時掃描電力工程施工、安裝等微觀信息，并將點云數(shù)據(jù)和圖像傳輸至課堂，教師利用RiSCAN PRO軟件對點云數(shù)據(jù)進行可視化重建模，輔助學(xué)生理解電力工程建設(shè)內(nèi)涵，創(chuàng)新實踐思維；利用多維信息DLP綜合顯示系統(tǒng)清晰呈現(xiàn)電力工程建設(shè)宏微觀信息，加深學(xué)生對電力工程建設(shè)過程的領(lǐng)會與把握。

圖2 電力工程虛擬仿真平臺

在傳統(tǒng)的電力工程管理實踐教學(xué)中，由于時間、經(jīng)費和安全性等因素的限制，學(xué)生往往很難到電力工程現(xiàn)場進行實地勘探和數(shù)據(jù)采集，認識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)常流于形式，畢業(yè)實習(xí)難以獲得相應(yīng)的技能；同時傳統(tǒng)實踐培養(yǎng)模式將實踐過程劃分成階段，導(dǎo)致實踐內(nèi)容缺乏連續(xù)性，培養(yǎng)效果嚴重受損。將該培養(yǎng)系統(tǒng)投入實踐教學(xué)，不必關(guān)注傳統(tǒng)實踐培養(yǎng)模式的階段性，保障了實踐培養(yǎng)過程的一致性，實現(xiàn)了一站式完成“認識-生產(chǎn)-畢業(yè)”實習(xí)的所有內(nèi)容。電力工程管理人才對實踐內(nèi)容的理解和把握更為深刻，相應(yīng)的實踐培養(yǎng)周期也大幅縮短，培養(yǎng)效果與質(zhì)量都得到了顯著提升。

2 交互式電力工程過程可視化實操系統(tǒng)

2.1 電力工程管理人才實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理實操教學(xué)環(huán)境缺失造成特色人才難以獲得實操訓(xùn)練中的基本能力及創(chuàng)新理念。構(gòu)建基于BIM系統(tǒng)的實時交互式、過程可視化實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)(圖3)，將復(fù)雜的電力工程建設(shè)及運營過程數(shù)據(jù)化、模型化及可視化，輔助電力工程管理人才可以開展可視化電力工程建設(shè)設(shè)計、建造及運營全過程模擬訓(xùn)練，交互式完成包括工期優(yōu)化、資源調(diào)配及設(shè)備安裝等實操內(nèi)容。該實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)切實保證了實操的臨場感，大幅提升了電力工程管理人才的實操和創(chuàng)新能力。

圖3 電力工程管理人才實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)

由于實體的電力工程建設(shè)時間跨度長、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電力工程管理人才在短時間內(nèi)無法對工程形成整體性概念且認知深度不夠，基于BIM系統(tǒng)的交互式、過程可視化的實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)成功解決了現(xiàn)實約束帶來的時間限制和認知缺陷。通過調(diào)整時間參數(shù)可快進電力工程建設(shè)過程，便于師生高效跟蹤體驗電力工程建設(shè)項目的全過程，既有利于實操教學(xué)工作的完整實施，同時也可惠及更多學(xué)生。該系統(tǒng)提高了電力工程管理人才實操培養(yǎng)效果和質(zhì)量。

2.2 全面的交互式電力工程管理人才實操教學(xué)

交互式電力工程管理人才實操培養(yǎng)系統(tǒng)依托電力工程管理軟件和實體仿真模型(圖4)，為電力工程管理人才提供大量的動手操作及實訓(xùn)分析的空間，培養(yǎng)學(xué)生的想象力及動手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實踐能力，為特色人才提供能源電力建設(shè)前期策劃、施工管理、造價管控相關(guān)問題的大量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)與實踐基礎(chǔ)，同時電力工程管理的學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，畢業(yè)后可大大縮短與電力工程相關(guān)崗位的適應(yīng)期。

圖4 電力工程實體仿真模型

2.2.1 電力工程建設(shè)施工現(xiàn)場組織實操訓(xùn)練

基于BIM系統(tǒng)，結(jié)合電力工程建設(shè)特點，培養(yǎng)學(xué)生對施工現(xiàn)場實物，如圍墻、道路、基坑、建筑樓體、腳手架、護欄、建筑機械、材料等構(gòu)件三維造型的快速布置能力。同時系統(tǒng)擁有豐富的圖庫，能夠與3DS文件、DWG文件、PKPM軟件系列文件等無縫對接，方便學(xué)生獲得從任意方位展現(xiàn)施工現(xiàn)場的三維實景圖。由此，電力工程管理人才可實現(xiàn)對電力工程建設(shè)施工準備階段整體的深刻認知與把握，使其身臨其境，融入電力工程建設(shè)施工現(xiàn)場環(huán)境中，保障高效率、生動具象地完成電力工程建設(shè)施工準備階段的實操訓(xùn)練，避免傳統(tǒng)實操訓(xùn)練的紙上談兵、枯燥乏味的描述教學(xué)現(xiàn)象。

2.2.2 電力工程建設(shè)管理實操訓(xùn)練

基于電力工程管理人才實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)，通過自主設(shè)定電力工程建設(shè)場景及基礎(chǔ)模板，對電力工程項目管理工序進行系統(tǒng)化的內(nèi)容拓展，并開展有序的分組及管理程序制定，實現(xiàn)項目逐級細化管理。同時進行電力工程項目建設(shè)進度偏差分析，實現(xiàn)工程進度動態(tài)跟蹤與實際進度調(diào)整；開展項目質(zhì)量分析與風(fēng)險分析，實現(xiàn)全方位的過程控制仿真與偏差分析。由此，通過將工程建設(shè)信息模型與工程進度、質(zhì)量及風(fēng)險控制計劃有機結(jié)合，如圖5所示，實現(xiàn)施工現(xiàn)場實際實施情況的三維動態(tài)展示，助力學(xué)生快速、方便且有效地交互式完成施工目標控制計劃的制訂訓(xùn)練，大力提升電力工程管理人才對電力工程建設(shè)管理的理解和實操能力。

圖5 電力工程建設(shè)進度管理實操訓(xùn)練

2.2.3 電力工程施工技術(shù)實操訓(xùn)練

基于BIM系統(tǒng)、電力工程實物模型、電力工程施工設(shè)計圖等資源，電力工程管理人才可開展并完成電力工程施工模板設(shè)計、腳手架專業(yè)設(shè)計、塔吊基礎(chǔ)設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算工具箱等實訓(xùn)內(nèi)容，實現(xiàn)系統(tǒng)化的電力工程施工管理實操。通過對電力工程施工特點、施工流程、施工內(nèi)容體系及施工工器具基本使用原理的介紹與講解，可全方位助力電力工程管理人才對電力工程施工基本技能的掌握、基本器具的了解、基本施工規(guī)范的熟悉、基本工藝的學(xué)習(xí)。通過學(xué)生實訓(xùn)、動手練習(xí)，利用固有模具的辨識、結(jié)構(gòu)分析、拆裝處理、反饋總結(jié)訓(xùn)練，可幫助學(xué)生有效提升動手能力與分析能力，從而完成全面的電力工程施工管理訓(xùn)練。

2.2.4 電力工程造價編制實操訓(xùn)練

利用電力工程管理人才實操訓(xùn)練培養(yǎng)系統(tǒng)，搭建全方位的電力工程造價管理實操訓(xùn)練模塊?；诠こ塘拷y(tǒng)計分析模塊，電力工程管理人才可模擬演練電力工程項目工程量的快速統(tǒng)計與分析，實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)模型的有效運用；利用工程造價管理集成分析模塊，可培養(yǎng)學(xué)生對電力工程造價管控的有效分析，包括造價偏差的分析、費用構(gòu)成的分析、外部因素的影響分析、造價指數(shù)的變化分析、造價管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析等；利用導(dǎo)入的大量電力工程造價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工程參數(shù)信息，可培養(yǎng)學(xué)生進行具體工程投資估算、初步設(shè)計概算、施工圖預(yù)算的操作能力，見圖6。同時，在工程建設(shè)定額標準研究制定、工程造價管控關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用、工程造價分析、項目評審、后評估、投資預(yù)測分析等多個方面提供實操訓(xùn)練，并提供充足的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)及實踐分析平臺，保證了電力工程管理人才實操訓(xùn)練的真實性和嚴謹性。

圖6 電力工程造價管控案例實操訓(xùn)練

3 遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)

電力工程管理具有技術(shù)密集特性，同時涉及能源市場、運輸市場、生產(chǎn)市場、價格市場、金融市場、用戶市場等多個重要領(lǐng)域。因此，電力工程管理人才的培養(yǎng)更需要注重技術(shù)知識背景、經(jīng)濟理論知識、生產(chǎn)管理技能等綜合知識體系的構(gòu)建。所以，電力工程管理人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)更應(yīng)該強調(diào)與生產(chǎn)經(jīng)營一線對接，與現(xiàn)實管理工作需求相匹配。

3.1 “時間-空間”覆蓋型電力工程管理人才遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)

構(gòu)建遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)有效解決傳統(tǒng)高校教學(xué)資源受限的問題，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸將全國多地域的電力工程建設(shè)及運營現(xiàn)場鮮活地展現(xiàn)在電力工程管理教學(xué)課堂中，豐富了電力工程管理教學(xué)資源，見圖7。同時該系統(tǒng)突破了時間瓶頸，具體表現(xiàn)為：一是將電力工程建設(shè)及運營的前沿技術(shù)引入教學(xué)課堂，保證了教學(xué)資源的先進性和新穎性；二是前沿技術(shù)向教學(xué)課堂的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)了無縫轉(zhuǎn)換，消除了原先轉(zhuǎn)化過程的延時和低效。由此形成“時間-空間”覆蓋型電力工程管理人才遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了高校與企業(yè)之間的信息流動，有效避免了理論知識培養(yǎng)的滯后性。

圖7 電力工程建設(shè)及運營現(xiàn)場前沿技術(shù)展示

3.2 電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式

高校作為連接社會、企業(yè)與人才的平臺受到了廣泛的關(guān)注。電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式的構(gòu)建既符合現(xiàn)實需要，又能有力應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。高校與合作企業(yè)通過人才交流，一方面，可定期組織召開專題講座、學(xué)術(shù)匯報、專家研討會等活動，全方位、持續(xù)把握最新產(chǎn)業(yè)理論及技術(shù)更新信息；另一方面，企業(yè)通過為高校提供項目、崗位等支持，協(xié)同助力電力工程管理人才了解企業(yè)的運營機制與崗位需求。通過電力工程管理人才參加生產(chǎn)過程的經(jīng)驗與企業(yè)的需求反饋，可以動態(tài)、準確地識別當前電力工程管理人才培養(yǎng)的缺口與短板，及時調(diào)整并完善培養(yǎng)方案，構(gòu)建電力工程管理人才聯(lián)動培養(yǎng)模式，實現(xiàn)企業(yè)人才需求與高校人才培養(yǎng)的有效對接，培養(yǎng)符合社會需求、具有前沿意識與技能以及創(chuàng)新能力的復(fù)合型電力工程管理人才，大幅提升電力工程管理人才的競爭實力。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的基于虛擬仿真平臺的電力特色工程管理實踐教學(xué)模式是在國家大力推行創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、強調(diào)優(yōu)化高校人才培養(yǎng)機制的契機下，從人才培養(yǎng)規(guī)律出發(fā)，根據(jù)新時期國家、社會和電力行業(yè)發(fā)展對電力工程管理人才的需求，通過建立虛擬仿真實踐培養(yǎng)系統(tǒng)、交互式可視化實操系統(tǒng)、遠程協(xié)同培養(yǎng)系統(tǒng)，對電力工程管理實踐教學(xué)模式進行的系統(tǒng)性改革。本文提出的模式在提高時間培養(yǎng)效率的同時，打破了傳統(tǒng)的“認識-生產(chǎn)-畢業(yè)”實踐三階段模式，降低了實踐培養(yǎng)成本，創(chuàng)新性地解決了高校實踐效果不佳的問題。