高職道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張家宇

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

高職道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張家宇

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

道路與橋梁工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生的道路勘測(cè)設(shè)計(jì)能力由于受到各種因素制約無(wú)法獲得較好訓(xùn)練，為解決這一問(wèn)題，本文論述了高職道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提出了該系統(tǒng)功能的總體設(shè)計(jì)思路，并舉例說(shuō)明了系統(tǒng)模塊功能的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)的融合研究具有一定借鑒意義。

道路勘測(cè)；實(shí)訓(xùn)改革；虛擬仿真

1 引言

道路勘測(cè)設(shè)計(jì)能力是高職道路與橋梁工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生職業(yè)核心能力的重要組成部分，包括道路平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)等內(nèi)業(yè)工作以及現(xiàn)場(chǎng)選線、定線等外業(yè)工作，需要綜合考慮擬選路線與現(xiàn)有山水田林的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，涉及地形地貌、工程水文、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、控制點(diǎn)位等諸多因素。道路勘測(cè)設(shè)計(jì)成果的優(yōu)劣不是一個(gè)非對(duì)即錯(cuò)、非好即壞的簡(jiǎn)單判斷，而是一個(gè)可以不斷“優(yōu)化、再優(yōu)化、不斷優(yōu)化”的逼近過(guò)程。在傳統(tǒng)的道路勘測(cè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化往往受制于時(shí)間有限、數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算繁瑣、關(guān)系復(fù)雜等因素沒(méi)有得到很好地訓(xùn)練，急需運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)手段解決此問(wèn)題。

2010年，教育部啟動(dòng)國(guó)家道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目，遼寧省交通高等?？茖W(xué)校牽頭全國(guó)17家院校及20家企業(yè)共完成課程中心等十個(gè)平臺(tái)和 《路面工程技術(shù)》等12門(mén)核心課程。2015年，依據(jù) 《教育部關(guān)于確定職業(yè)教育專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)2015年度立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目及獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)目的通知》（教職成函 ［2015］10號(hào)）精神，教育部啟動(dòng)國(guó)家資源庫(kù)升級(jí)改造項(xiàng)目。在此背景下，以全過(guò)程模擬道路勘測(cè)設(shè)計(jì)各階段主要工作任務(wù)為內(nèi)容的道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)列入升級(jí)改造建設(shè)任務(wù)，并開(kāi)展相關(guān)建設(shè)研究工作。

2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

依據(jù) “碎片化資源、結(jié)構(gòu)化課程和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)”的總體思路，強(qiáng)化道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) “教師教學(xué)、學(xué)生自學(xué)、突出實(shí)訓(xùn)、成果評(píng)價(jià)”的功能定位，充分運(yùn)用需求向?qū)?、?yīng)用激勵(lì)的策略，把創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)融入到傳統(tǒng)的道路勘測(cè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)需要完成的主要功能是：

2.1 平面設(shè)計(jì)

通過(guò)交點(diǎn)法、積木法、控制法并利用交互設(shè)計(jì)方式，完成公路直線、圓弧、回旋線組合的各種線形計(jì)算以及超高加寬計(jì)算，自動(dòng)輸出包括路線平面設(shè)計(jì)圖、超高方式圖、直線曲線及轉(zhuǎn)角表、曲線要素表、逐樁坐標(biāo)表等。

2.2 縱斷面設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)交互式拉坡和交互式豎曲線設(shè)計(jì)功能，動(dòng)態(tài)顯示縱斷面設(shè)計(jì)主要控制參數(shù)，自動(dòng)生成各種路基形式的路基設(shè)計(jì)表、縱坡豎曲線表、水準(zhǔn)點(diǎn)表、超高計(jì)算表等。

2.3 橫斷面設(shè)計(jì)

通過(guò)交互設(shè)計(jì)方式對(duì)路線進(jìn)行分段定制路拱、邊坡、邊溝形式及材料等，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則自動(dòng)完成各樁號(hào)的 “戴帽子”工作，自動(dòng)進(jìn)行土石方調(diào)配并生成土石方表。

2.4 三維建模

系統(tǒng)根據(jù)完成的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)生成基于三維數(shù)字地面模型的三維透視圖，模擬車輛以不同速度行駛在這條 “未來(lái)公路”上的技術(shù)狀態(tài)，以 “所見(jiàn)即所得”體現(xiàn)職業(yè)教育 “學(xué)中做、做中學(xué)”的教育教學(xué)特點(diǎn)。

2.5 教學(xué)評(píng)價(jià)

依據(jù)現(xiàn)行公路設(shè)計(jì)規(guī)范性文件的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)成果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，指出設(shè)計(jì)中尚需改進(jìn)和完善的部分，充分體現(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)目的與要求。

3 系統(tǒng)模塊功能設(shè)計(jì)

依據(jù)道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)，結(jié)合道路勘測(cè)實(shí)訓(xùn)的技術(shù)準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)實(shí)施和成果評(píng)價(jià)三個(gè)教學(xué)過(guò)程，將系統(tǒng)劃分為8個(gè)功能模塊，如圖1所示。

圖1 道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模塊關(guān)系圖

平面設(shè)計(jì)模塊、縱斷面設(shè)計(jì)模塊和橫斷面設(shè)計(jì)模塊是虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)實(shí)施階段，通過(guò)這三個(gè)模塊全過(guò)程虛擬仿真道路勘測(cè)設(shè)計(jì)的各個(gè)技術(shù)工作環(huán)節(jié)，這是整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心建設(shè)內(nèi)容。地形瀏覽模塊和項(xiàng)目管理模塊屬于技術(shù)準(zhǔn)備階段，地形瀏覽模塊主要為學(xué)生提供山嶺重丘區(qū)和平原微丘區(qū)兩種地貌條件的三維數(shù)字地面模型，項(xiàng)目管理模塊以人機(jī)交互形式確定公路等級(jí)、計(jì)算車速、路幅數(shù)、路幅寬度、路幅坡度等全局設(shè)計(jì)參數(shù)。測(cè)設(shè)放樣模塊、三維漫游模塊和教學(xué)評(píng)價(jià)模塊屬于成果評(píng)價(jià)階段，測(cè)設(shè)放樣模塊主要為學(xué)生提供測(cè)設(shè)放樣數(shù)據(jù)，方便學(xué)生將自己的設(shè)計(jì)成果在外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施，三維漫游模塊可以生成基于三維數(shù)字地面模型的三維透視圖，方便學(xué)生直觀了解設(shè)計(jì)成果的優(yōu)劣，教學(xué)評(píng)價(jià)模塊可以依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范等技術(shù)性要求對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)成果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

對(duì)上述8個(gè)功能模塊進(jìn)行詳細(xì)功能分析與設(shè)計(jì)，形成模塊功能需求分析與設(shè)計(jì)表，用以指導(dǎo)后繼的項(xiàng)目研發(fā)工作，以平面設(shè)計(jì)模塊為例，如表1所示。

4 系統(tǒng)模塊功能實(shí)現(xiàn)

在對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行需求分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，專業(yè)教師與軟件開(kāi)發(fā)人員共同進(jìn)行詳細(xì)的模塊功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，所有系統(tǒng)功能均按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD20-2006）的技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮 “教師教學(xué)、學(xué)生自學(xué)、突出實(shí)訓(xùn)、成果評(píng)價(jià)”的功能定位。系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算部分采用美國(guó)Microsoft公司推出的面向?qū)ο罂梢暬删幊滔到y(tǒng)visual C++，圖形處理部分采用美國(guó)Autodesk公司的AutoCAD 2014，三維處理部分采用美國(guó)Autodesk公司的3D Studio Max 2013，數(shù)據(jù)庫(kù)處理部分采用美國(guó)Oracle公司的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)MySQL，visual C++、 AutoCAD、 3D Studio Max和MySQL完成大量數(shù)據(jù)運(yùn)算、交換與存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示階段設(shè)計(jì)成果，共同實(shí)現(xiàn)了道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。以項(xiàng)目管理模塊的“新建項(xiàng)目”功能為例，如圖2所示。

表1 平面設(shè)計(jì)模塊功能需求分析與設(shè)計(jì)表

圖2 項(xiàng)目管理模塊的 “新建項(xiàng)目”功能界面

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD20-2006）的有關(guān)技術(shù)性要求和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)性要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了教學(xué)評(píng)價(jià)功能。在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)置了各種不同公路等級(jí)、不同設(shè)計(jì)速度下的最小半徑、最小緩和曲線長(zhǎng)度、最大縱坡、最大坡長(zhǎng)等國(guó)家強(qiáng)制性設(shè)計(jì)指標(biāo)，學(xué)生在完成設(shè)計(jì)后，可以由教學(xué)評(píng)價(jià)功能嚴(yán)格按照指標(biāo)體系對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行檢查，指出不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)之處，并給出為滿足上述要求的改進(jìn)建議，充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的教學(xué)功能與屬性。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的道路勘測(cè)實(shí)訓(xùn)分為外業(yè)勘測(cè)與內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)兩部分，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)引入道路勘測(cè)實(shí)訓(xùn)后，一部分外業(yè)勘測(cè)的數(shù)據(jù)處理和全部的內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)工作都在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中完成，學(xué)生從大量重復(fù)繁瑣的計(jì)算工作中解脫出來(lái)，專心于地形地貌、工程水文、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、控制點(diǎn)位等諸多因素對(duì)路線的影響分析，而且對(duì)自己的設(shè)計(jì)成果“所見(jiàn)即所得”，可以獲得非常充分的路線設(shè)計(jì)訓(xùn)練。通過(guò)崗位能力剖析和實(shí)訓(xùn)難點(diǎn)分析，采用最優(yōu)化的教學(xué)設(shè)計(jì)，運(yùn)用信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的道路勘測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有效解決了實(shí)踐教學(xué)瓶頸問(wèn)題，為全面提升道路橋梁工程技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］張學(xué)剛，周曉奉.高職建工專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2014（23）：25-27.

［2］于國(guó)鋒.高職專業(yè)課程教學(xué)與職業(yè)核心能力培養(yǎng)初探 ［J］.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011（12）：55-59.

Design and Implementation of Virtual Simulation Training System on Road Survey in Higher Vocational Education

ZHANG Jia-yu

Students majoring in road and bridge engineering technology cannot be better trained due to a variety of factors.To solve the problem,the article discusses the process of the design and implementation of virtual simulation training system on road survey,proposes overall design ideas of the system function, and gives an example to illustrate the specific design of the system function module and realization.Meanwhile,it's of great significance to the integration research of the higher vocational training teaching and the virtual simulation technology.

road survey,training reform,virtual simulation

G712；U412.2

A

1008-3812（2017）01-057-03

2016-06-08

教育部職業(yè)教育專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)2015年度獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)目（2010-03）

作者簡(jiǎn)介：張家宇（1974— ），男，黑龍江海倫人，副教授。研究方向：道路工程、職業(yè)教育信息化。