大型引水隧洞調壓系統仿真實驗平臺建設實踐

李景龍，冉棟剛，潘維宗，林春金，隋 斌

（山東大學a.土建與水利學院；b.資產與實驗室管理部；c.巖土中心，濟南 250061）

0 引言

相比于石油、煤炭等常規能源，水能資源具有清潔環保、可再生、成本低等優勢。且我國水能資源豐富，我國理論水能資源儲量可達全球的15%以上［1］。因此合理開發并利用我國豐富的水能資源對于優化我國能源結構、維護能源安全、促進社會可持續發展具有重要作用。另外，開發水能資源對于我國生態文明建設也有巨大作用。2020 我國在聯合國大會上提出了“雙碳目標”，即我國將力爭于2030 年前使二氧化碳排放達到峰值，在2060 年前實現碳中和［2］。水能資源的開發與利用對于我國完成“雙碳目標”也有十分重要的意義。為使我國的水能資源建設事業不斷發展，迫切需要培養一大批高素質的創新型、應用性水電技術人才。因此，在高校內充分開展水利水電工程的實驗教學，培養學生的實踐經驗就顯得尤為重要。但是通過傳統的實驗方式開展水利工程相關的大型實驗存在成本高、危險性大、不可復現性等困難，難以滿足新時期高校實驗教學需要。隨著計算機技術和云計算技術等技術的不斷發展，建設虛擬仿真實驗室，開展高校日常的實驗教學已經成為可能［3］。目前，虛擬仿真實驗平臺已經在物理［4］、力學［5-6］、土木［7］、核工程［8-9］、生態學［10］、助產［11］、電子技術［12］、新聞［13］以及網絡安全［14］等多個學科和領域內得到了應用。此外，有學者還根據實踐總結了虛擬仿真實驗平臺的建設和使用經驗［15］，并總結了基于虛擬仿真實驗平臺的教學組織［16］、分層次教學模式［17］等經驗。

但是目前線上虛擬仿真實驗平臺在水利專業中還少有應用，因此本文將以我校建設的大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺為例，探討面向水利專業的虛擬仿真技術實驗平臺建設和教學實踐。

1 水利工程實驗教學現狀

1.1 實驗課程開展不充分

目前我國高校的實驗室建設取得了明顯的進步，尤其是“雙一流”高校的實驗室，已經具備了基本的實驗教學條件，實驗室的硬件設施和實驗教學的質量得到了明顯的提升。但目前國內高校的實驗室建設通常只重視實驗設備和實驗儀器的配置，仍缺少充足的實驗管理人員和成熟的實驗室管理體制。一般學生只有借助實驗課的機會進入實驗室學習。而隨著學校在校生數量不斷增加，實驗課程安排相對不足。且為防止實驗儀器損壞，日常進入實驗室需要預約，一般預約手續繁瑣，間接制約了學生進行實驗的機會，非常不利于學生通過反復練習積累實踐經驗。

1.2 設備利用率低、維護成本高

目前高校的實驗教學通常周期性較強，實驗設備在一段時間內集中使用完成教學任務后，就被長時間的閑置，導致實驗室設備利用率較低、實驗設備未能得到充分利用，造成了設備和場地的閑置浪費。隨著教學課程的改革和不斷深入，一些老舊設備難以滿足現階段的教學需求，需要不斷購置添加新型實驗設備，提高了實驗設備的維護成本。

1.3 大型實驗平臺建設成本高

水利工程實驗平臺往往規模較大、建設周期長。由于建設大型現場模型實驗平臺的高成本和局限性，并非每個高校都有意愿和機會去建設實體大型水利專業實驗平臺。且即使在現場實驗項目平臺建成后，依然會存在實驗成本高、占用場地大、使用效率低等問題，往往需要專人進行維護。高昂的前期建設成本和使用成本使得高校傾向于開展一些危險系數小、學生容易操作的試驗項目，目前鮮有學校建設大型引水隧洞調壓室系統這類大型教學實驗平臺，嚴重影響了教學效果。

1.4 異地現場實驗開展困難

增加現場實驗能夠增加學生們對水利工程系統直接的感性認識，但現場實驗存在極大的危險性以及施工過程不可逆等不利因素。且由于施工安全的要求，可以為學生們提供的水利工程施工現場學習的機會較少，且工程完工進入穩定運行階段后就一直處在水下環境中，即使去現場也難以直接觀察實物。此外，在目前疫情防控常態化的大背景下，更增加了異地組織大型現場參觀活動的困難。

2 虛擬仿真實驗平臺建設

2.1 實驗平臺概述

由于我國已建成和在建的水電站大多是位于地質條件復雜的西南山區的高拱壩。而高拱壩的引水形式水頭高、壓力大，因此需要建設引水隧洞調壓系統確保水電站安全運行。為了增強學生們對引水隧洞調壓系統的感性認識，需要開設相關實驗課程，培養同學們的動手實踐和在設計中運用理論知識的能力。然而，出于安全考慮和時空限制，在中東部的高校開展引水隧洞調壓系統的現場實驗教學實現較為困難，而在學校內建設實體實驗系統的成本高、風險大、利用率低，因此關于引水隧洞調壓系統的實驗一直不能在教學中得到充分開展。

我校水利工程學科工程經驗豐富，曾為南水北調東線、三峽樞紐等重大水利工程建設提供理論與技術保障，近3 年完成多項科研項目，并榮獲國家和省部級獎勵10 余項。依托自身的學科優勢，基于WebGL 跨平臺技術，開發了針對引水隧洞調壓系統的虛擬仿真實驗平臺，該平臺的架構如圖1 所示。該平臺應用異步加載模型場景優化方式及實時渲染技術，能夠真實還原大型引水隧洞調壓系統在不同條件下的引水調壓全過程。

圖1 引水隧洞調壓系統架構圖

利用該虛擬實驗平臺展現的場景，學生可通過模型進行不同場景下的實驗，開展多水頭、多種引水道的調壓室組合工況的模擬實驗，通過實驗深刻認識引水隧洞調壓系統背后運用的水力學原理，并進一步掌握其優化設計方法，直觀認識引水隧洞調壓系統以及水電站的結構布局和工作狀態。虛擬仿真實驗平臺能夠在實驗過程中融合不同層次的水力學知識，幫助實驗教師擴展教學內容的廣度和深度，提高學生在實際工程中的知識應用能力，為培養我國水利事業人才提供保障。

2.2 實驗平臺功能

引水隧洞調壓系統的工作原理是通過調壓室控制水位波動。當調壓室關閉負荷導葉時，機組引用流量會迅速降低為零。但受引水隧洞兩端的水頭差影響，此時仍會有水流涌進調壓室，使室內水位與庫水位齊平。但由于慣性的作用，水流的涌進不會立刻停止，仍會有水流繼續涌進調壓室，直到水流流速降為零，此時調壓室的水位達到最高點。但是在反向水頭差作用下，室內水流會由調壓室反向流入水庫，在此逆過程中水流同樣因慣性的作用，在室內水位與水庫水位平齊后，室內水流仍會涌向水庫，直到反向流速降低為零，調壓室水位達到最低點。隨著上述的過程不斷重復，水流的波動不斷衰減，最終穩定在與水庫水位一致的靜水位，工作原理如圖2 所示。

圖2 引水隧洞-調壓室系統內最大及最小內水壓力坡降線

我校建設的大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺以真實工程為基礎，讓同學們在實驗中選定調壓室布置方式、設計調壓室結構和運行方式。通過模擬仿真實驗，培養學生們的運用理論知識和自主創新的能力，通過模擬調壓室和水庫水位波動的實驗結果，檢驗學生自主設計的引水隧洞-調壓室系統的實際工作狀態和穩定性，充分培養學生的動手實踐能力。

引水隧洞-調壓室系統穩定性虛擬仿真實驗系統，包含了學習認知、實驗教學和綜合考核3 個模塊，內容由淺及深，能夠滿足自主預習、教學、實驗和檢驗等不同階段的需求，如圖3 所示。

圖3 引水隧洞-調壓室調壓系統虛擬仿真實驗3個模塊

在虛擬仿真實驗系統的學習認知模塊中，包含了基礎知識學習、工程實例展示學習等內容，如圖4 所示，此外還包括了調壓室的基本布置方式認知、基本結構型式認知等內容，并配套有水電站基本知識掌握程度的考核及相應的各類調壓室結構型式布置的仿真實驗操作練習（見圖5、6）。實驗教學模塊包含了引水隧洞-調壓室系統結構設計實驗，包括調壓室的基本布置方式的確定與各種調壓室基本結構選型、水電站各工作水頭的選取等實驗內容。綜合考核模塊中包括了引水隧洞中水流流速測量、流量與時間關系的測量、調壓室水位與時間的變化測量、穩定時間的測量（見圖7、8）以及實驗報告的編寫（見圖9）等考核內容。

圖4 工程實例展示

圖5 基本知識的考核

圖6 調壓室的結構型式設計

圖7 引水隧洞水流流速和流量、調壓室水位測試示意圖

圖8 實驗測試的調壓室水位與時間的關系曲線

圖9 實驗報告

3 平臺教學實踐成效

3.1 突破時空限制

通過虛擬實驗平臺，可以讓大型引水隧洞調壓系統實驗突破時間和空間限制，實現線上線下結合的教學模式，方便學生實驗課前預習、課后復習，借助虛擬現實技術實現“人人皆學、處處能學、時時可學”，幫助提升實驗教學效果。整個虛擬仿真實驗項目通過B／S架構方式部署在可以兼容內外網的服務器上，可以實現校內、校外的快速訪問。尤其是對于我校這種“三地八校”的多校區辦學模式的高校來說，通過線上的虛擬實驗平臺，可以實現多校區聯動，減少開展實驗教學的成本；通過實驗平臺，可以替代現場學習環節，降低疫情對開展實驗教學的影響，真正做到停課不停學。

3.2 考核管理科學全面

常規的實驗教學都會設置考核標準，對學生們的實驗動手能力、基礎知識掌握水平和實驗報告完成情況等進行考核。但在通常情況下，實驗老師很難對每位學生的實驗進行全過程監督，因此無法做到全面客觀評價。

建設的大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺，可以在實驗過程中自動記錄每位同學的實驗數據和結果，并依據實驗標準自動進行評價，提高實驗教學的工作效率。根據實驗系統記錄的實驗數據，能夠建立全過程的實驗教學質量評價體系，實現過程考核與結果考核相結合，使實驗教學質量評價標準化，提高實驗教學水平。

3.3 平臺系統維護升級簡單

相比于實體的實驗平臺，大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺在保證了實驗的真實性的前提下，能夠減少后期維護成本。實驗室管理人員只需定期對相關硬件設備進行定期的檢修，就能保證系統平臺正常的使用，因此大大減少了實驗室的場地、設備和人員成本。另外，在后期使用過程中，還可以對系統進行維護、升級，豐富實驗內容，滿足教學需求的變化。

3.4 實驗成本低、安全性高

傳統的實體實驗一般都傾向于一些規模小、容易操作、安全性高的實驗。若開展大型實體實驗，則存在實驗周期長、成本高、危險性大等問題，因此一些高校即使有條件也不會開展這類大型實體實驗，對于一些大型的水利工程的實驗更是如此。大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺的建設降低了開展實驗的成本，保證了實驗過程的安全性，能夠解決當前水電站課程教學中存在的一些必要的現場實驗缺失的問題，培養學生的動手實踐能力。

3.5 全面提高實驗教學效果

通過虛擬仿真實驗的開展，突破了大型引水隧洞調壓系統物理實驗的局限性，解決了模型實驗成本高、占用場地大、使用效率低的教學問題，通過虛擬仿真平臺開展的大型引水隧洞調壓系統實驗能夠切實提高實驗教學的效果。大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗作為我校水電站課程的主要實驗內容已得到了廣泛應用。在教學過程中發現，通過實驗增強了學生們對引水隧洞調壓系統水力現象的感性認識以及對引水隧洞調壓系統的基本布置形式和結構型式的理解，讓學生們初步了解了進行水電站水力模型實驗的方法，培養學生們了根據不同的條件對工程進行合理設計的能力。

本實驗平臺目前已在山東大學、河海大學、武漢大學等10 余所高校和科研機構中應用，效果良好。借助本實驗平臺的建設和使用經驗，未來將構建更全面的水電系統仿真模擬平臺，繼續在高等院校、科研院所和企業進行廣泛的應用。

4 結語

我校結合自身的學科優勢以及水利工程培養人才的實際需求，利用WebGL跨平臺技術建立了大型引水隧洞調壓系統虛擬仿真實驗平臺，通過虛擬仿真實驗代替了一些不容易在學校內開展的實體實驗，解決了大型實體實驗危險性大、成本高、周期長、效果不明顯等問題，讓實驗教學突破了時空限制。在保證安全性的同時，降低了實驗成本，提高了實驗教學水平，讓學生通過虛擬實驗鍛煉了綜合解決分析問題的能力，增強了學生的創新創造能力，為培養新一代水電事業的創新型、應用型人才提供了保障，也為進一步構建更全面的水電系統仿真模擬平臺積累了經驗。