基于CSCW的測繪專業虛擬仿真系統群設計與應用

蘇群 謝智穎 何原榮 吳蕓 于鵬

摘要：

為提升測繪專業的教學效率和虛擬仿真教學系統的開發效率，本文提出一種基于CSCW機制的共享數字孿生組件的虛擬仿真系統群的設計方法，并應用于該專業的自然資源相關領域的教學。本文先對這一領域的教學問題進行匯總分析，研究他們的內容和相關特點，考慮對接國家實驗平臺的統一接口的需要，確定仿真群的可共享的基礎數字孿生組件和軟件基礎功能組件，然后采用CSCW機制實現組件粒度的信息協同，以SCM進行軟件架構的管理，促進自然資源的多個領域上的監管仿真教學平臺的創建和升級。在實際教學工作應用中，與傳統單個仿真項目開發方式等相比，本文提出的方法平均開發效率提升20%，項目質量提升15%，教學效率也得到提升。

關鍵詞：?虛擬仿真?CSCW?數字孿生?軟件配置管理

中圖分類號：TP311

Design?and?Application?of?the?Virtual?System?Group?in?the?Surveying?and?Mapping?Major?Based?on?CSCW

SU?Qun??XIE?Zhiying??HE?Yuanrong*??WU?Yun??YU?Peng

（College?of?Computer?and?Information?Engineering，?Xiamen?University?of?Technology，?Xiamen，?Fujian?Province，?361024?China）

Abstract：In?order?to?improve?the?teaching?efficiency?of?the?surveying?and?mapping?major?and?the?development?efficiency?of?the?virtual?simulation?teaching?system，?this?paper?proposes?a?design?method?of?the?virtual?simulation?system?group?based?on?the?CSCW?mechanism?withshared?digital?twin?components，?and?applies?it?to?the?teaching?of?the?field?related?to?natural?resources?in?this?major.?This?paper?first?summarizes?and?analyzes?the?teaching?problems?in?this?field，?studies?their?content?and?related?characteristics，?considers?the?need?for?a?unified?interface?to?connect?with?the?national?experimental?platform，?and?determines?the?shareable?basic?digital?twin?components?of?the?simulation?group?and?the?basic?functional?components?of?the?software.?Then，?it?uses?the?CSCW?mechanism?to?realize?the?information?collaboration?of?component?granularity，?uses?SCM?to?manage?the?software?architecture，?and?promotes?the?creation?and?upgrading?of?the?regulatory?simulation?teaching?platform?of?the?multiple?fields?of?natural?resources.?In?the?practical?application?of?teaching?work，?compared?with?the?traditional?single?simulation?project?development?method，?the?average?development?efficiency?of?the?method?proposed?in?this?paper?is?increased?by?20%，?the?project?quality?is?increased?by?15%，?and?teaching?efficiency?is?also?improved.

Key?Words：Virtual?simulation;?CSCW;?Digital?twin;?Software?configuration?management

1引言

1.1背景

近年來云計算[1]和數字孿生[2]等技術的發展與廣泛應用，推動經濟社會各領域在原來的數字化、網絡化基礎上向實景三維可視化和動態智能交互的方向發展。這些技術在測繪專業的自然資源監管領域上的結合、應用和開發研究不斷深入推進[3]，在教學領域有著良好的應用前景。但是目前，數字孿生的發展仍處于初級階段，各領域對數字孿生沒有通用的定義和實現框架[4]。

2018年3月起，自然資源部由多部門重組成立。重組前，土地、地質、海洋、林草、水利等部門均各自有著良好的技術支撐系統，建立了相關調查監測網絡；重組后，由單要素監測向多要素綜合監測轉變，從而掌握各自然資源之間的相互關系，實現全過程用途管控，全流程綜合監管[5]。自然資源部統一行使全民所有自然資源資產所有者職責，管理和服務對象進一步擴大，測繪專業的服務對象和業務范圍產生較大的變化[6]。

1.2問題

測繪工程本身也是一門綜合性、實踐性強的專業，注重鍛煉學生的專業實踐技能能力。但是，自然資源監管領域相關的實踐教學中主要存在以下問題。

（1）自然資源監管的對象資源一般分布比較廣，甚至在一些交通不便的地方或者保密性比較強的地方，很難有效地組織學生到實地進行實踐。（2）監管的部分違法場景一般在一段時間內也會被人為地處理或者掩飾，存在一定的時效性；部分違法場景因為違法開采等原因，容易造成滑坡等地質災害，也有一定的危險性。（3）教學場景復雜，難以構造涵蓋各種地物地貌的綜合測量實訓場景。（4）受疫情、天氣等外部環境因素影響大。涉及專業儀器操作的各類實訓課程都需要在戶外空曠地方才能有效開展，因此受天氣影響大，近年來也常因疫情影響難以開展正常教學。（5）由于教學成本，無法做到讓學生人手一臺，特別是當前熱門的現代測繪新技術設備，如RTK[7]、無人機、無人測量船和三維激光掃描等。學生只能在有限的時間、特定的場合接觸和使用測量設備，難以達到反復練習、提升技能的需求。（6）衛星遙感數據一般數據量都比較大，下載、傳輸和處理的時間都比較長，很難在課堂上有限時間內完整完成。

2仿真系統群的目標

自然資源智慧監管虛擬仿真系統群的目標是在自然資源監管領域上，結合現有的軟硬件設備，逐步輔助學校建立多個協同發展的虛實結合、線上線下結合和具有測繪工程專業特色的虛擬仿真教學平臺系統，從而促進自然資源監管領域上測繪專業教學點建設及人才培養。

3仿真系統群的設計方法

3.1系統群的協作機制

系統群的由多個虛擬仿真實驗平臺組成。每個虛擬仿真實驗平臺利用互聯網、云計算和數字孿生等信息技術，通過構建虛擬實驗場景、實驗內容和操作對象，以及靈活多樣的交互環節，使學生可以不受時空限制進行在線實驗。它打破了傳統實物實驗室在時間和空間上的局限性，同時有效地解決了實驗經費限制、設備不足和場地受限等傳統實物實驗常遇到的問題[8]。多個自然資源監管相關的虛擬仿真實驗系統根據專業相關性和銜接性、開發框架平臺共通性和數字孿生基礎組件的共享性等情況，組成一個支持層次性循序漸進學習的系統群。系統群采用基于CSCW的系統群協作機制在技術實現和數字孿生組件上進行技術和功能共享和問題交流，提高虛擬仿真實驗項目建設的效率和質量。基于CSCW的系統群協作機制主要包括以系統群組織管理為核心的系統群協同組織機制，以過程評價為核心的系統群協同評價機制，以平臺整體質量為核心的系統群協同完善機制。

3.2系統群關系模型和單系統架構

自然資源智慧監管仿真系統群由不同監管內容不同監管方式的多個虛擬仿真實驗平臺整合構建。它們有以下的共通的功能特點：（1）需要包含課程思政[9]（提升學生的“愛黨愛國”的覺悟）和雙創教育（提高學生的創新意識）等基礎功能模塊；（2）注重過程培養模式（提高學生實踐水平）[10]；（3）需要對接國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（ilab-x.com）的虛擬仿真系統的接口；（4）使用數字孿生框架進行學習功能仿真；（5）對接軟件配置管理系統進行版本管理處理；（6）需要收集和整理來自項目平臺用戶的使用反饋，形成功能使用分析報告；（7）以自然資源監管的覆蓋程度、學生實踐學習的過程分析數據、學生學習效果數據和系統使用情況等為評價要素，生成“融合型”評價指標[11]；（8）其他可仿真相關的共通功能。因此，仿真群的所有系統都在基礎功能框架上進行定制性開發，各個系統的關系模型如圖2所示。

3.3系統群的信息協作機制的相關算法

仿真群的多系統間通過共享共通問題來支持可自動化升級處理方法。每個仿真系統定期訪問仿真群的問題和版本管理服務器，當發現和自己的組合模塊相關的問題和相應的解決版本時，根據系統設置決定進行人工決策或者系統自動化升級。具體實現機制如下。

3.3.1數據

（1）問題的相關信息：類型、級別和所屬模塊、存在版本和修正版本；（2）系統的版本信息：系統本身版本信息和系統的各個功能模塊的版本信息；（3）系統設置：強制升級的問題類型[c1..cn]；（4）系統上次的檢測時間DTc。

3.3.2問題檢測算法步驟

（1）系統的每個模塊Mi，Mi的模塊版本為Vmi，預設Mi的問題解決版本Vsoli=Vmi，V循環處理（2）～（3）。

（2）搜索發現時間為DTc且問題種類限制為[c1..cn]且問題的所屬模塊為Mi的問題列表ProblemList。

（3）對ProblemList的每個問題Pri，對應的解決版本為Vpri，如果Vpri>Vsoli，則Vsoli=Vpri;

（4）如果Vsoli>Vmi，則模塊Mi需要升級。

（5）匯總所有的需要升級Mi到Mupdate?[0..K]和對應的版本Vupdate[0..K]。

4仿真系統群的實踐應用

虛擬仿真項目群的實踐應用是在開設《自然資源管理與監測》課程基礎上展開，具體應用如下。（1）監管內容研究并形成研究分析報告：展開智慧監管方式、自然資源監管內容明確、自然資源監管內容分類、虛擬仿真的方式和虛擬仿真的范疇的研究，形成和不斷完善豐富《自然資源管理與監測》的課程學習大綱以及自然資源智慧監管研究分析報告；（2）思政、雙創與過程培養等統一模式保證：在項目群的建設過程中，通過統一功能模式，預先設置課程思政（提升學生的“愛黨愛國”的覺悟）和雙創教育（提高學生的創新意識）等統一功能，確定過程培養模式的一致性；（3）校內外高效推廣：在建設和管理過程中，加強校內外的交流，根據實際情況有針對性地高效地推廣項目群的應用；（4）持續收集反饋和改進：在項目的應用推廣過程中，收集和整理來自項目多平臺不同應用角色用戶的使用反饋、多平臺的應統一功能、多平臺的可共通功能、和各平臺的特色功能，形成優缺點對比和分析改進報告；在項目群內分享分析報告，從而更好促進新平臺的開發和老平臺的升級；（5）建立有效評價體系：項目群以自然資源監管的覆蓋程度、學生實踐學習的過程分析數據、學生學習效果數據和系統使用情況等為評價要素，建立相應的評價體系，從而給出定量化的指引；新系統的引入和評價反饋也不斷促進評價體系的完善，從而形成相互促進的良性互動完善機制；（6）項目群信息協同：在不同應用的差別性基礎上的進行應用的可擴展性的研究，為后續自然資源的其他可能的新領域監管提供快速適配參考和支持，從而形成項目群的協同測試和一定程度上的質量協同保證[12]；（7）共用框架：將生成項目群的不同應用的統一性和差異性的分析報告，在該項目群應用的統一性的分析報告基礎上，形成虛擬仿真項目群的可共用的框架產品設計，編寫產品設計報告，形成可對外演示的框架產品。

5成果和總結

5.1?應用成果

在2021年《基于無人機實景三維露天礦開采智慧監管虛擬仿真實驗》虛擬仿真項目的校級平臺基礎上，根據自然資源監管的內容的特點，開始展開虛擬仿真項目的建設。項目群構建和相關應用展開后，在自然資源的安全監測領域上，又構建和申請了校級《基于物聯網與GNSS的高層建筑形變監測》和《礦區生態修復規劃及生態效益評估虛擬仿真教學系統》等多個虛擬仿真平臺。多個平臺的問題匯總和優化也反作用提高了原有的仿真項目的內容和質量，從而使得《基于無人機實景三維露天礦開采智慧監管虛擬仿真實驗》得到省級一流課程的認可。這表明，項目群的構建和應用不僅有利于新的平臺的構建，也有利于原有的平臺的提高，形成良性循環。

在開發效率上，按照虛擬仿真系統平均在5大功能模塊基礎上，仿真群的項目可以共享思政和雙創教育這個大功能模塊以及國家虛擬仿真平臺的對接工作。以仿真群的第1個項目和第2個項目對比為例，開發工作量從原來的18個人月減少到14個人月，開發效率[13]提升22.22%。同時，仿真群的第1個項目集成第1版本的Bug數量有83個；仿真群的第2個項目的集成第1版本的Bug數量平均為72個，項目質量[14]提升15.3%。

5.2.總結

項目群的整合構建和應用采用由“點”（單個虛擬仿真項目）到“面”（虛擬仿真項目群）的遞進歸納匯總[15]，再由面推廣到更多點的輻射性影響性提高的方法。

項目群的整合構建和應用的研究創新點在于：（1）把項目群的目標領域限定在自然資源智慧監管領域上，該領域是一個需求很實際的和專業學習相關性特別強的領域，為學生提供綜合性和實踐性強的學習訓練機會；（2）通過建立虛擬仿真群，從而研究和識別出虛擬仿真群的多應用的統一性和差別性，形成虛擬仿真項目平臺建設和測試等信息協同，從而提高平臺建設效率，也有效的保證了平臺建設的質量；（3）通過建立應用的可擴展性的研究，為虛擬仿真項目平臺的升級發展提供了基礎，從而有利于虛擬仿真項目的長期的應用與發展。

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