姜艷 史長瑩 于奎

摘要：通過開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，可有效地解決真實實驗高成本、高能耗、時空跨度大、危險性大且不可逆的致命缺陷，有利于三維虛擬仿真技術(shù)人才的培養(yǎng)，推動高等學(xué)校的實驗教學(xué)改革及創(chuàng)新，全面提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；三維；實驗教學(xué)；創(chuàng)新；實踐

開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，旨在貫徹落實《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》精神和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，全面提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。黑龍江大學(xué)大頂子山水庫虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，使大學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，同時增加了學(xué)生的動手機會，提高了學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力。

1虛擬仿真實驗教學(xué)中心基本要求

大頂子山水庫虛擬仿真實驗教學(xué)中心是一個技術(shù)先進、功能完善，具有結(jié)構(gòu)展示、實驗仿真與人機交互等功能的綜合虛擬仿真平臺，具備三維工程結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實環(huán)境、結(jié)構(gòu)體面任意區(qū)域切割、建設(shè)施工過程動態(tài)仿真演示、專業(yè)知識動態(tài)鏈接講解、立體眼鏡三維全角度展示、人機交互、虛擬瀏覽、操作簡單、界面友好、三維場景生動形象展示等功能，以滿足不同用戶權(quán)限管理以及版權(quán)保護等要求。

1.1系統(tǒng)功能

虛擬仿真實驗教學(xué)中心在系統(tǒng)功能和性能上應(yīng)具有“規(guī)范化、科學(xué)化、智能化、數(shù)字化、簡便化”等五大特點：

（1）“規(guī)范化”項目管理——系統(tǒng)在功能上規(guī)范、合理；

（2）“科學(xué)化”數(shù)據(jù)分析——樞紐工程數(shù)據(jù)、資料科學(xué)化處理；

（3）“智能化”圖表輸出——智能生成相關(guān)實驗報告報表；

（4）“數(shù)字化”三維地球——精確獲取項目地理信息；

（5）“簡便化”直選操作 —— 一鍵式鼠標(biāo)點選操作。

1.2界面操作環(huán)境

（1）要求集合人工智能、多媒體系統(tǒng)等多種技術(shù)，提供的虛擬仿真實驗平臺具備統(tǒng)一的操作環(huán)境，界面直觀、操作簡便、對用戶透明。

（2）界面風(fēng)格可調(diào)整，包括顏色和布局；任意窗格可隱藏、移動或關(guān)閉，在用戶需要時可方便快捷調(diào)出。

（3）所有操作均可由鼠標(biāo)一鍵式完成，同時配有鍵盤快捷鍵，制定統(tǒng)一的鍵盤快捷操作模式。

（4）能夠支持多種數(shù)據(jù)格式，包括常規(guī)辦公軟件格式（txt、xls、doc等）、圖片格式（bmp、jpg、tiff、gif等）、視頻格式（avi、mpeg、mpg、mp4等）等。

（5）能夠根據(jù)用戶需求，快捷輸出、打印相關(guān)實驗圖、表、影像等數(shù)據(jù)。

1.3基本功能

（1）人機交互功能；

（2）基于區(qū)域地形地貌、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、江水環(huán)境和壩體結(jié)構(gòu)的大頂子山水庫高度仿真的三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境和實驗仿真功能；

（3）三維樞紐數(shù)字模型全視角可視化、信息標(biāo)注及漫游功能；

（4）三維樞紐數(shù)字模型地形等高線顯示功能；

（5）壩體、地質(zhì)等任意區(qū)域地面或?qū)嶓w切割顯示功能；

（6）信息智能管理功能；

（7）信息打印輸出等日常功能。

1.4專業(yè)功能

（1）大頂子山水庫數(shù)字虛擬平臺：實現(xiàn)工程整體三維可視化，即能夠反映樞紐各分部工程組成及位置，直觀查看大壩的形狀、尺寸、功能，并在三維數(shù)字模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)漫游，能夠動態(tài)展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施。

（2）主汛期無調(diào)節(jié)泄洪過程仿真：在進入主汛期間，不斷上漲的松花江水位，使哈爾濱城區(qū)段的防洪壓力增大。此間，要求能夠與樞紐工程虛擬環(huán)境相結(jié)合，逼真顯示無調(diào)節(jié)泄洪情況，并根據(jù)樞紐不同的水位變化，動態(tài)展現(xiàn)相應(yīng)的泄洪過程。

（3）航運期閘門工作仿真：要求能夠逼真展示無調(diào)節(jié)蓄水情況，俯視和側(cè)視同步船閘工作原理，包括船閘啟閉過程等。

（4）樞紐及人工湖仿真：要求形象逼真表現(xiàn)江水回漫至防洪紀(jì)念塔下第一級臺階情景，虛擬再現(xiàn)太陽島常年四面環(huán)水的宜人景致；把松花江水引入市區(qū)，使何家溝、馬家溝、信義溝變得常年水清；松花江水倒灌呼蘭河，真實展現(xiàn)江闊天高，水鳥翔集的濕地情景。

（5）發(fā)電站工作場景仿真：采用虛實結(jié)合手段，體驗裝有6臺貫流式機組的河床式發(fā)電站工作場景。

（6）寒區(qū)工程防凌汛、清理浮冰仿真：隨著天氣轉(zhuǎn)暖，冰凍的松花江開始融化，哈爾濱到大頂子山段的所有冰都匯集于大頂子山，為使松花江哈爾濱段流冰順暢通過泄洪閘門，以保證大頂子山水庫設(shè)備的安全，通過提前將泄洪閘門前的冰清理完畢，并利用舌瓣門將弧門下游側(cè)冰融化等程序，確保打開弧門，為防凌汛提前作好準(zhǔn)備工作。要求能夠三維展示凌汛期浮冰運動的全過程，體現(xiàn)出寒區(qū)工程特色。

（7）攔河壩段施工過程虛擬仿真：要求能夠三維詳盡展示合理利用編織袋圍堰施工和吹填施工的全過程。其總體虛擬仿真實驗框架如圖1所示。

2主要性能指標(biāo)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)

（1）軟件要求支持32位和64位環(huán)境，支持Windows XP/2003/2008 /7等操作系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計查詢、網(wǎng)絡(luò)分析、三維建模、三維分析、三維漫游等功能。

（3）支持常用的位圖格式，包括tiff、jpeg、png、gif、bmp、emf、eps、pdf和svg等；支持常規(guī)視頻格式，包括avi、mpeg、mpg、mp4等。

（4）提供對系統(tǒng)樞紐工程數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、地圖的快捷搜索，支持搜索結(jié)果進行排序和分組，提供統(tǒng)計圖表和報表的生成、輸出和打印等功能。

（5）建立包含大頂子山水庫地形、地貌在內(nèi)的250平方公里全三維矢量不規(guī)則曲面地表模型，基本比例尺為1∶50000，支持三維矢量模型的縮放查看、基本定位等功能為系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺。

（6）提供250平方公里高清晰0.5米分辨率無人機DOM影像數(shù)據(jù)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)影像的動態(tài)展示。

（7）在基礎(chǔ)平臺上對大頂子山水庫核心工程區(qū)5平方公里范圍建立比例尺1∶1000的精細(xì)化三維矢量不規(guī)則曲面地表模型。

（8）建立樞紐三維矢量模型，包括內(nèi)攔河壩、閘門、閘墩、發(fā)電廠房、發(fā)電機組等模型，支持三維模型的縮放查看、基本定位、屬性顯示、功能查詢等功能。

（9）支持空間數(shù)據(jù)與水工建筑物屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)和永久關(guān)聯(lián)，支持全場景三維交互式動態(tài)展示，包括基本的地圖瀏覽、圖層管理、空間和水工建筑物屬性查詢和顯示。

（10）支持更快的矢量數(shù)據(jù)處理，支持矢量數(shù)據(jù)的捕捉、計算、測距等，支持大頂子山水庫區(qū)任意斷面矢量化切割，能夠?qū)崿F(xiàn)包括地表建筑、地表、地基矢量數(shù)據(jù)三位一體化切割，并支持切割后的斷面動態(tài)展示、縮放查看、屬性查詢等功能。

（11）支持不同水位下樞紐閘門的啟閉泄洪過程，并動態(tài)顯示水位、閘門工作原理等。

（12）支持基于SPH（三維流體粒子系統(tǒng)）的無閘門泄洪仿真模擬，真實再現(xiàn)不同工況下樞紐工程泄洪場景。

（13）建立水庫水流矢量模型，根據(jù)庫水位的變動，動態(tài)展示庫區(qū)淹沒范圍。

（14）支持發(fā)電廠房內(nèi)部三維模型虛擬展示，實現(xiàn)三維漫游。

（15）支持壩體分區(qū)填筑動態(tài)過程仿真，實現(xiàn)壩體施工過程的動態(tài)查看。

（16）支持多模式的可視化成果展示，包括動態(tài)2D/3D展示、立體眼鏡三維展示等，顯示速度快，漫游流暢，無刷新閃爍。

（17）支持普通臺式機系統(tǒng)的查看功能，提供不同用戶的權(quán)限管理。

（18）支持二次開發(fā)模塊，提供開發(fā)接口。

3結(jié)論

虛擬仿真實驗教學(xué)中心服務(wù)于我院水利水電工程、農(nóng)田水利工程、水文學(xué)及水資源所有在校學(xué)生，所有實驗項目采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)自主虛擬瀏覽，操作簡單、界面友好，并能對專業(yè)知識主動講解，動畫過渡生動形象。實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)在線展示，對不同的用戶給予不同權(quán)限，對學(xué)生采用學(xué)號加密碼等方式登陸網(wǎng)頁并記錄實驗過程，評價實驗效果。禁止普通用戶下載實驗?zāi)Ｐ?，實現(xiàn)版權(quán)保護。

水利工程運行過程具有時間長、空間跨度大、不可逆和施工周期長等特點，真實實驗不具備條件、危險性大或難以完成教學(xué)功能。虛擬仿真實驗可有效地解決現(xiàn)實中難以進行的實驗教學(xué)難題，是水利類學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的必要手段。