基于虚拟仿真实验教学中心建设工作探究

摘要：通过开展虚拟仿真实验教学中心建设工作，可有效地解决真实实验高成本、高能耗、时空跨度大、危险性大且不可逆的致命缺陷，有利于三维虚拟仿真技术人才的培养，推动高等学校的实验教学改革及创新，全面提高大学生的创新精神和实践能力。

关键词：虚拟仿真实验；三维；实验教学；创新；实践

开展虚拟仿真实验教学中心建设工作，旨在贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》精神和《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，推动高等学校实验教学改革与创新，全面提高大学生的创新精神和实践能力。黑龙江大学大顶子山水库虚拟仿真实验教学中心依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，使大学生通过在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果，同时增加了学生的动手机会，提高了学生创新和实践能力。

1虚拟仿真实验教学中心基本要求

大顶子山水库虚拟仿真实验教学中心是一个技术先进、功能完善，具有结构展示、实验仿真与人机交互等功能的综合虚拟仿真平台，具备三维工程结构虚拟现实环境、结构体面任意区域切割、建设施工过程动态仿真演示、专业知识动态链接讲解、立体眼镜三维全角度展示、人机交互、虚拟浏览、操作简单、界面友好、三维场景生动形象展示等功能，以满足不同用户权限管理以及版权保护等要求。

1.1系统功能

虚拟仿真实验教学中心在系统功能和性能上应具有“规范化、科学化、智能化、数字化、简便化”等五大特点：

（1）“规范化”项目管理――系统在功能上规范、合理；

（2）“科学化”数据分析――枢纽工程数据、资料科学化处理；

（3）“智能化”图表输出――智能生成相关实验报告报表；

（4）“数字化”三维地球――精确获取项目地理信息；

（5）“简便化”直选操作 ―― 一键式鼠标点选操作。

1.2界面操作环境

（1）要求集合人工智能、多媒体系统等多种技术，提供的虚拟仿真实验平台具备统一的操作环境，界面直观、操作简便、对用户透明。

（2）界面风格可调整，包括颜色和布局；任意窗格可隐藏、移动或关闭，在用户需要时可方便快捷调出。

（3）所有操作均可由鼠标一键式完成，同时配有键盘快捷键，制定统一的键盘快捷操作模式。

（4）能够支持多种数据格式，包括常规办公软件格式（txt、xls、doc等）、图片格式（bmp、jpg、tiff、gif等）、视频格式（avi、mpeg、mpg、mp4等）等。

（5）能够根据用户需求，快捷输出、打印相关实验图、表、影像等数据。

1.3基本功能

（1）人机交互功能；

（2）基于区域地形地貌、工程地质与水文地质、江水环境和坝体结构的大顶子山水库高度仿真的三维虚拟现实环境和实验仿真功能；

（3）三维枢纽数字模型全视角可视化、信息标注及漫游功能；

（4）三维枢纽数字模型地形等高线显示功能；

（5）坝体、地质等任意区域地面或实体切割显示功能；

（6）信息智能管理功能；

（7）信息打印输出等日常功能。

1.4专业功能

（1）大顶子山水库数字虚拟平台：实现工程整体三维可视化，即能够反映枢纽各分部工程组成及位置，直观查看大坝的形状、尺寸、功能，并在三维数字模型基础上，实现漫游，能够动态展示其内部结构和设施。

（2）主汛期无调节泄洪过程仿真：在进入主汛期间，不断上涨的松花江水位，使哈尔滨城区段的防洪压力增大。此间，要求能够与枢纽工程虚拟环境相结合，逼真显示无调节泄洪情况，并根据枢纽不同的水位变化，动态展现相应的泄洪过程。

（3）航运期闸门工作仿真：要求能够逼真展示无调节蓄水情况，俯视和侧视同步船闸工作原理，包括船闸启闭过程等。

（4）枢纽及人工湖仿真：要求形象逼真表现江水回漫至防洪纪念塔下第一级台阶情景，虚拟再现太阳岛常年四面环水的宜人景致；把松花江水引入市区，使何家沟、马家沟、信义沟变得常年水清；松花江水倒灌呼兰河，真实展现江阔天高，水鸟翔集的湿地情景。

（5）发电站工作场景仿真：采用虚实结合手段，体验装有6台贯流式机组的河床式发电站工作场景。

（6）寒区工程防凌汛、清理浮冰仿真：随着天气转暖，冰冻的松花江开始融化，哈尔滨到大顶子山段的所有冰都汇集于大顶子山，为使松花江哈尔滨段流冰顺畅通过泄洪闸门，以保证大顶子山水库设备的安全，通过提前将泄洪闸门前的冰清理完毕，并利用舌瓣门将弧门下游侧冰融化等程序，确保打开弧门，为防凌汛提前作好准备工作。要求能够三维展示凌汛期浮冰运动的全过程，体现出寒区工程特色。

（7）拦河坝段施工过程虚拟仿真：要求能够三维详尽展示合理利用编织袋围堰施工和吹填施工的全过程。其总体虚拟仿真实验框架如图1所示。

2主要性能指标和相关技术参数

（1）软件要求支持32位和64位环境，支持Windows XP/2003/2008 /7等操作系统。

（2）系统具备数据管理、统计查询、网络分析、三维建模、三维分析、三维漫游等功能。

（3）支持常用的位图格式，包括tiff、jpeg、png、gif、bmp、emf、eps、pdf和svg等；支持常规视频格式，包括avi、mpeg、mpg、mp4等。

（4）提供对系统枢纽工程数据库中的数据、地图的快捷搜索，支持搜索结果进行排序和分组，提供统计图表和报表的生成、输出和打印等功能。

（5）建立包含大顶子山水库地形、地貌在内的250平方公里全三维矢量不规则曲面地表模型，基本比例尺为1∶50000，支持三维矢量模型的缩放查看、基本定位等功能为系统的基础平台。

（6）提供250平方公里高清晰0.5米分辨率无人机DOM影像数据，并支持数据影像的动态展示。

（7）在基础平台上对大顶子山水库核心工程区5平方公里范围建立比例尺1∶1000的精细化三维矢量不规则曲面地表模型。

（8）建立枢纽三维矢量模型，包括内拦河坝、闸门、闸墩、发电厂房、发电机组等模型，支持三维模型的缩放查看、基本定位、属性显示、功能查询等功能。

（9）支持空间数据与水工建筑物属性数据的动态关联和永久关联，支持全场景三维交互式动态展示，包括基本的地图浏览、图层管理、空间和水工建筑物属性查询和显示。

（10）支持更快的矢量数据处理，支持矢量数据的捕捉、计算、测距等，支持大顶子山水库区任意断面矢量化切割，能够实现包括地表建筑、地表、地基矢量数据三位一体化切割，并支持切割后的断面动态展示、缩放查看、属性查询等功能。

（11）支持不同水位下枢纽闸门的启闭泄洪过程，并动态显示水位、闸门工作原理等。

（12）支持基于SPH（三维流体粒子系统）的无闸门泄洪仿真模拟，真实再现不同工况下枢纽工程泄洪场景。

（13）建立水库水流矢量模型，根据库水位的变动，动态展示库区淹没范围。

（14）支持发电厂房内部三维模型虚拟展示，实现三维漫游。

（15）支持坝体分区填筑动态过程仿真，实现坝体施工过程的动态查看。

（16）支持多模式的可视化成果展示，包括动态2D/3D展示、立体眼镜三维展示等，显示速度快，漫游流畅，无刷新闪烁。

（17）支持普通台式机系统的查看功能，提供不同用户的权限管理。

（18）支持二次开发模块，提供开发接口。

3结论

虚拟仿真实验教学中心服务于我院水利水电工程、农田水利工程、水文学及水资源所有在校学生，所有实验项目采用虚拟现实技术，实现自主虚拟浏览，操作简单、界面友好，并能对专业知识主动讲解，动画过渡生动形象。实现互联网在线展示，对不同的用户给予不同权限，对学生采用学号加密码等方式登陆网页并记录实验过程，评价实验效果。禁止普通用户下载实验模型，实现版权保护。

水利工程运行过程具有时间长、空间跨度大、不可逆和施工周期长等特点，真实实验不具备条件、危险性大或难以完成教学功能。虚拟仿真实验可有效地解决现实中难以进行的实验教学难题，是水利类学生实践能力培养的必要手段。