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水利虚拟仿真实训基地建设方案-水利水电虚拟仿真培训系统

发布时间:2023-05-26

编辑人:灵图互动

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水利虚拟仿真实训基地通过对水利工程、自然灾害的仿真,建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境。可以动态仿真模拟典型水工建筑物的工作原理、结构构造及工程险情的发生发展过程,虚拟滑坡、泥石流再现典型台风、强汛、及相应防汛防台措施。从而解决了水利工程专业实操实训过程中危险性大、费用高、小概率事件再现、标准化演示、工作职场展示及环境污染等问题。

水利虚拟仿真实训基地由一个教师站和多个学员站组成。有多个水利工程典型的单元和典型施工场地布置系统的仿真模拟软件,具有管理功能的教师站可以向学员站发出面向全部或个别的操作指令,并能显示相应学生的操作结果及最终成绩,学生通过人机对话,达到熟练完成单元和施工场地布置系统的操作。而教师通过教师主控制台可以很清楚详细地了解每名学生的当前操作情况。

水利虚拟仿真实训基地建设方案

1. 水利虚拟仿真实训基地开发流程

水利虚拟仿真实训系统开发流程采用模块化设计思想,将系统划分为以下9个部分。

1.1 工程数字几何建模和水工建筑物部件运动数学建模

首先,利用三维建模软件,根据一定比例地形图建立整个工程的三维地形模型。然后,根据各种二维和三维CAD设计图,建立相应的水工建筑物和工程辅助建筑厂房的真实尺寸三维几何数字模型。最后,根据各种水工建筑物的具体坐标位置,进行地形与建筑物模型的拼接。水工建筑物部件运动数学建模,如船闸的开启与关闭、泄水弧形闸门的旋转、水轮机的旋转等。

1.2 工程运行控制管理

把各种水利工程运行监测系统如大坝安全监测系统、水质水情监测系统、闸门监控系统等对水工建筑物控制、监测的信息传输到工程运行控制数据库中,并进行实时更新。

1.3 工程属性和图纸管理

在三维场景中,需要对某个建筑物部件进行属性及其二维设计图纸的查询。在三维软件程序中通过调用相关API函数可以实现对场景中三维对象的拾取,获得三维对象的名称,然后在属性数据表中查找到该字段,即可实现二维数据与三维模型的通信。

1.4 三维数字几何模型管理

针对OpenFlight文件格式的场景模型等级层次,在系统中也建立了相应的树状等级结构图,把水工建筑物按照等级层次进行分类整理。

1.5 工程功能性仿真

在其他专业软件中进行工程地质、岩土力学、水力学等分析,把分析计算结果输入到水利工程三维仿真系统中,在虚拟的场景中实现水利工程功能性仿真过程的显示。

1.6 泄水粒子系统

一般的建模工具都是对一些有固定几何外形的对象建模,泄水没有固定外形,它的形状随着泄水闸门开启角度和上游水位的改变而改变,为实现这个特殊的效果,必须构造一个粒子系统。

1.7 二维地图与三维仿真场景的互响应

二维地图是根据地图投影、地理坐标和比例尺,用各种点状、线状、面状符号及文字注记和色彩等表示地形地貌、地理现象及社会经济现象。

1.8 场景合成

通过对三维软件的图形环境中各项参数的选择,驱动虚拟环境,实现虚物的实化,以达到实时漫游、可控可视化的目的。同时还可加入系统需要的光照、声音、特效等。

1.9 人机交互系统

设计一个方便的人机交互界面,包括设计菜单,图标,屏幕显示信息等。

水利虚拟仿真实训基地开发流程

2.水利虚拟仿真实训基地实训内容

2.1 分析学习目标和制定教学方法

教学计划中,一般都会将实训教学安排在专业基础课结束后集中进行。高职院校水利工程虚拟仿真实训系统的目的是为水利水电工程专业教师、学生提供一个安全、环保且成本低廉的打破时空约束的接近真实的学习情景,为学生提供一种与真实工程交互学习的途径。同时,又能最大限度地增加学习的趣味性和激发学生的创造性思维能力。在实训实习教学中,这是一个虚拟仿真场景的设计,不需要亲自到实验室,就能完成实验内容,达到教学要求。

2.2 教学内容实施

在水利虚拟仿真实训教学中,一般通过以下过程来实施、完成教学内容。

(1)引导学生入门

学生首次接触水利虚拟仿真实训系统,对整个操作流程及布局不了解,指导教师通过投影仪向学生讲授学习水利工程虚拟仿真系统的作用意义、虚拟仿真培训系统学员站使用方法(包括虚拟仿真培训软件的启动、培训参数的选择、画面及菜单介绍智能评价系统等),使学生明确学习内容、学习目的,激发学生的学习兴趣。

(2)演示讲解

在学习每一个单元仿真或系统仿真之前,教师首先对水利工程勘测、规划、设计、施工及运行管理、操作过程进行详细讲解,利用多媒体、投影仪对学生进行操作演示,强调操作中常见问题及现象,引导学生根据现象进行分析、思考,找出解决问题的方法。

(3)学生上机训练、教师指导答疑

学生独立操作训练过程中,教师巡回观察每位学生的操作情况,及时指出问题,指导学生掌握操作技巧,并引导学生解决虚拟仿真操作过程中出现的问题。

(4)考核及成绩评定

按教学计划结束水利工程虚拟仿真实训后,要对学生的学习情况进行考核。教师通过教师站,在题库中选择操作题目,组合成考卷,选择考核中采用授权的方式,屏蔽操作步骤,完成考试时间,分值比例等参数设置后,向学员站发出操作指令,学生联机后,就可在自己的电脑上独立完成试题;学生提交试卷后,系统综合学生对操作步骤、质量、趋势等控制,给出成绩。

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3.水利虚拟仿真实训教学训练策略

虚拟仿真训练应遵循理论教学和工程训练并重的原则,因材施教的原则,弹性灵活的原则。

3.1 同步教学训练

在虚拟仿真实训教学的操作过程中可能出现的非正常工况很多,尤其是首次仿真操作,学生难免出现顾此失彼的局面。教师可以采用“同步教学法”,即由教师统一指挥,在水利工程的正常工况下全过程由教师引导,训练学生对动态过程的综合分析能力,各变量之间的协调控制(包括手动和自控)能力,掌握时机、利用时机的能力,以及对将要产生的操作和控制后果的预测能力等。

3.2 专业技能训练

专业技能训练主要是针对专业课程或专业模块课程实施的操作和训练,借助虚拟仿真设备,可以达到教学的预期目的。主要是通过水利工程典型的虚拟仿真单元和典型施工场地布置系统进行操作,若发现自己在某一步骤操作不好时,可利用软件的“快门记录”和“重演快门”功能,反复对这一步骤进行练习,直到掌握为止,不必每次都将操作全过程重头做一遍,节省了时间,提高了培训效率。

3.3 智能训练

学生的认知心理发展特征,主要表现在感知、记忆、观察能力和思维能力等。通过虚拟仿真训练可很好地培养学生的观察能力、思维能力、自学能力、实际操作能力、分析和解决问题的能力。水利工程虚拟仿真实训系统,模拟水利工程的施工、场地、地形、地图投影、地理坐标、图纸管理、建筑物等等内容的生成及其变化。学生进行系统过程操作,实现了从感性到理性的认识过程,是有效的智能训练过程。学员排除故障的训练过程,是应对突发事件应变能力的训练,更是观察能力和分析能力的检验。

水利虚拟仿真实训基地由于其安全、经济、高效、可控、可视、实用、便于观察、便于参与、无破坏性、可多次重复、整体性强等特点对实训教学起到了事半功倍的作用,将有效地提高教学效果。

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