線上虛擬仿真平臺建設(shè)
——以“隧道工程”課程為例

張鵬飛，張 吉，劉晨光

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

作為土木工程專業(yè)道橋方向的核心專業(yè)課程，“隧道工程”具有涉及多個學(xué)科，內(nèi)容繁雜、工程實踐性強等特點。要學(xué)好“隧道工程”課程，不僅要掌握巖土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論等專業(yè)基礎(chǔ)知識，還要理解明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等施工方法的施工工藝和施工關(guān)鍵技術(shù)。

“隧道工程”傳統(tǒng)線下教學(xué)模式多半采用多媒體或板書教學(xué)，對于復(fù)雜的隧道施工工藝，教師難以結(jié)合工程實際講授清楚。即使為了實現(xiàn)教學(xué)理論與實踐相結(jié)合，要求學(xué)生到工地進行實習(xí)和觀摩，但由于隧道爆破施工風(fēng)險大、施工作業(yè)面狹窄、洞內(nèi)環(huán)境差等實際情形，使得大規(guī)模學(xué)生現(xiàn)場實習(xí)變得不現(xiàn)實，進而導(dǎo)致學(xué)生對隧道工程各施工工藝的理解僅停留在課本知識，缺乏對施工現(xiàn)場施工工藝的感性認知。

虛擬仿真技術(shù)是應(yīng)用計算機強大的數(shù)據(jù)前處理和后處理能力，通過系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)試、人機互動等步驟，將抽象對象進行可視化的動態(tài)模擬仿真。基于Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)建設(shè)隧道工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺。將各隧道施工工藝流程在虛擬環(huán)境中進行模擬，使復(fù)雜的隧道施工過程變得更清晰、更全面，增強學(xué)生對隧道施工實踐的感性認知。該虛擬仿真教學(xué)平臺通過人機交互，提供與實際施工現(xiàn)場環(huán)境高度一致的施工虛擬仿真場景，創(chuàng)造完全符合工程實際的學(xué)習(xí)機會，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。同時，教師可以通過系統(tǒng)后臺的反饋信息，及時了解學(xué)生的掌握程度，并對教學(xué)效果進行實時評估。

本文基于Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)隧道工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺；根據(jù)隧道工程不同施工工藝的施工流程，采用Revit軟件建立山體隧道、地鐵隧道等三維信息化BIM模型，并運用動畫制作軟件對山體隧道的新奧法施工、地鐵隧道區(qū)間的盾構(gòu)法施工和地鐵車站的明挖法施工等施工工藝流程進行動畫仿真模擬，以實現(xiàn)“以虛補實、理實融合、深度參與”的教學(xué)效果。

1 “隧道工程”特點

“隧道工程”課程涉及多個學(xué)科，主要包括巖土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論等。要學(xué)好隧道工程，不僅要全面掌握上述專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)知識，還要充分理解各施工工藝流程和關(guān)鍵施工技術(shù)。

“隧道工程”是一門與工程實踐結(jié)合非常緊密的學(xué)科。“隧道工程”教學(xué)不僅要講授隧道專業(yè)理論知識和隧道施工方法，還要對隧道設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范進行宣貫。

隧道是一種埋置于地層中的構(gòu)造物,主要由圍巖和襯砌組成。圍巖既是作用體，又是承載體。隧道與圍巖的相互作用隨著項目工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的不同而復(fù)雜多變，這就決定了不同結(jié)構(gòu)類型、不同地質(zhì)條件的隧道設(shè)計理論和施工方法均不一致。因此，“隧道工程”課程教學(xué)必須將課本理論知識與項目工程實踐緊密結(jié)合。

2 虛擬仿真教學(xué)特點與建設(shè)思路

2.1 線上虛擬仿真教學(xué)特點

彌補傳統(tǒng)線下工程實踐教學(xué)缺失。采用虛擬仿真技術(shù)模擬隧道工程實踐，開發(fā)建設(shè)線上虛擬仿真教學(xué)平臺，實現(xiàn)隧道工程施工過程的虛擬仿真模擬，再現(xiàn)隧道工程各施工工藝流程，將隧道施工容易出現(xiàn)的問題呈現(xiàn)給學(xué)生，使隧道工程施工過程具有豐富的三維表現(xiàn)力。此外，虛擬仿真教學(xué)平臺通過設(shè)計以解決實際問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生在三維虛擬仿真環(huán)境中實現(xiàn)交互式操作實踐，從而彌補傳統(tǒng)線下課堂實踐教學(xué)的缺失，達到理論學(xué)習(xí)和工程實踐的有機統(tǒng)一。

克服線下工程實踐周期長、風(fēng)險大難題。隧道工程施工具有建設(shè)周期長、施工環(huán)境差、風(fēng)險大等特點，借助三維虛擬仿真模擬代替真實的隧道工程實踐，可以將復(fù)雜的、漫長周期的施工過程在很短時間中予以展現(xiàn)。同時，還可有效避免工程實踐教學(xué)過程中學(xué)生進入隧道施工現(xiàn)場可能受到的潛在危險。

2.2 線上虛擬仿真平臺建設(shè)思路

隧道工程虛擬仿真教學(xué)平臺主要包括“專業(yè)基礎(chǔ)知識、理論知識綜合應(yīng)用和實踐推廣創(chuàng)新”3個層次。其中，基礎(chǔ)知識層次包括隧道工程設(shè)計理論、施工方法與施工工藝；綜合應(yīng)用層次側(cè)重于不同隧道不同施工工藝的應(yīng)用與實踐；推廣應(yīng)用主要表現(xiàn)為學(xué)生模擬實習(xí)與企業(yè)施工模擬方案制定等。該平臺在滿足教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)的同時，還完善了隧道實驗內(nèi)容，創(chuàng)新了隧道工程實驗?zāi)Ｊ剑瑢崿F(xiàn)了“以虛補實、理實融合、深度參與”的教學(xué)效果。

3 “隧道工程”虛擬仿真平臺開發(fā)

3.1 虛擬仿真教學(xué)平臺模塊組成

結(jié)合隧道工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，隧道工程虛擬仿真平臺由圖1所示的模塊組成，主要包括基本理論認知、漫游模式、自測實驗、效果自測模式4個模塊，各自的功能如下。

(1)基本理論認知。該模式主要側(cè)重于對隧道工程基本知識、基本理論的講解。結(jié)合文字及圖表，詳細介紹隧道結(jié)構(gòu)組成及隧道設(shè)計與施工涉及的基本理論。

(2)漫游模式。為了增強學(xué)生對隧道工程結(jié)構(gòu)組成及隧道施工現(xiàn)場的感性認識，漫游模式提供了不同類型隧道的BIM模型，并給出了“地圖導(dǎo)航”和“漫游觀察”兩種查看方式以及切換視角的快捷操作指南。學(xué)生可通過“地圖導(dǎo)航”查看關(guān)鍵局部位置，通過“漫游觀察”自由鳥瞰完整場景。

(3)自測實驗。自測實驗中，學(xué)生可根據(jù)明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等隧道施工工藝的施工流程，逐步完成各施工工藝的仿真實驗。同時，模塊還提供了明挖法、新奧法、盾構(gòu)法等施工工藝的動畫視頻。

(4)效果自測模式。該模塊首先對“隧道工程”基本知識及基本理論認知進行考核。其次，對施工工藝的施工流程仿真效果及涉及的知識點進行考核。仿真實驗結(jié)束后，系統(tǒng)可自動生成詳細的成績分析報告，便于教師實時分析教學(xué)效果、調(diào)整授課重點。

圖1 隧道工程虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 仿真實驗平臺開發(fā)流程

首先基于Unity 3D仿真技術(shù)，采用Revit軟件建立山體隧道、地鐵隧道等不同類型隧道結(jié)構(gòu)的三維BIM模型，采用增強現(xiàn)實技術(shù)，將BIM模型導(dǎo)入 Unity 3D中，實現(xiàn)隧道施工現(xiàn)場的復(fù)雜地形和場景布置。其次，根據(jù)隧道工程各施工工藝特點和關(guān)鍵施工技術(shù)，對各隧道施工工藝流程進行動態(tài)數(shù)值模擬和反演分析，建立集成化的隧道工程通用計算和施工仿真系統(tǒng)。

在Unity 3d虛擬現(xiàn)實引擎構(gòu)建的隧道虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境中，學(xué)生可通過佩戴虛擬仿真頭盔等虛擬現(xiàn)實設(shè)備、手持手柄等操作設(shè)備，實現(xiàn)在虛擬隧道場景中漫游，完成各施工工藝的仿真實驗。虛擬仿真實驗流程為：

(1)教師介紹虛擬仿真實驗案例的隧道概況，提供隧道地勘資料、設(shè)計資料等背景資料，并將施實驗要求布置給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)先前所學(xué)的隧道施工理論知識，結(jié)合案例隧道背景資料，隧道施工仿真實驗方案。

(2)教師評價仿真實驗方案，介紹虛擬現(xiàn)實實驗室設(shè)備以及使用方法。

(3)教師準備虛擬現(xiàn)實實驗室設(shè)備，布置學(xué)生實驗室上課分組方案。

(4)學(xué)生到達虛擬現(xiàn)實實驗室，在教師的輔助下，先熟悉虛擬現(xiàn)實設(shè)備，體驗虛擬仿真場景，學(xué)習(xí)通過手柄等控制裝置在虛擬仿真場景中的漫游以及在虛擬場景中進行各項實驗操作。

(5)學(xué)生在虛擬仿真場景中，通過實驗操作獲得數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

圖2 隧道虛擬現(xiàn)實場景

3.3 虛擬仿真動畫制作

根據(jù)明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等不同施工工藝的施工流程，采用Revit軟件分別建立明挖法、新奧法、盾構(gòu)法施工三維BIM模型(見圖4—6)，再運用動畫制作軟件對各施工工藝流程和關(guān)鍵施工技術(shù)進行動畫仿真模擬，最后生成視頻播放文件。

圖3 盾構(gòu)隧道虛擬現(xiàn)實場景

圖4 盾構(gòu)隧道開挖施工

圖5 新奧法施工地質(zhì)超前預(yù)報

圖6 明挖施工基坑開挖支護

4 虛擬仿真平臺應(yīng)用與推廣

隧道工程虛擬仿真教學(xué)平臺基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)和基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)相結(jié)合，極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)模式。平臺將理論知識與工程實踐充分融合，引導(dǎo)學(xué)生自主進行工程實踐學(xué)習(xí)，推動“隧道工程”課程教學(xué)“工程化”。

為了進一步推廣隧道工程仿真應(yīng)用，平臺開發(fā)主要進行以下內(nèi)容的完善：

(1)綜合應(yīng)用多大數(shù)據(jù)、BIM建模、人工智能、現(xiàn)實虛擬、現(xiàn)實增強、云計算等手段，對隧道設(shè)計、施工、養(yǎng)護進行虛擬仿真，以豐富現(xiàn)隧道工程全過程虛擬仿真內(nèi)容。

(2)加強隧道工程虛擬仿真平臺虛實統(tǒng)一管理的能力，建立開放式虛擬仿真管理平臺。增強平臺優(yōu)勢資源信息的共享能力和用戶訪問平臺的穩(wěn)定性，滿足更多用戶并行訪問。

5 結(jié)語

隧道工程線上虛擬仿真教學(xué)平臺基于Unity 3D仿真、媒體、人機交互等技術(shù)，將隧道施工移植到虛擬環(huán)境中，構(gòu)建具有良好沉浸感、臨場感、交互感的隧道施工虛擬仿真場景，使不易完整展現(xiàn)的隧道復(fù)雜施工過程變得更全面、更清晰，彌補“隧道工程”傳統(tǒng)線下實踐教學(xué)的缺失。將傳統(tǒng)線下理論教學(xué)與線上實踐教學(xué)相融合，實現(xiàn)“以虛補實、理實融合、深度參與”的教學(xué)效果，推動“以教為主”向“以學(xué)為主”的轉(zhuǎn)變，促進理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機統(tǒng)一，提升“隧道工程”教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)具有扎實專業(yè)基礎(chǔ)知識、較強實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才提供有效保障。