基于物理模型的水利工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究

秦慶先

摘要：文章從水利工程的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合水利工程物理模型，構(gòu)建水工實(shí)訓(xùn)中心教學(xué)一體化平臺(tái)，建立水工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，通過各類儀器設(shè)備和教學(xué)一體化信息管理系統(tǒng)，以現(xiàn)實(shí)或虛擬制定的場(chǎng)景作載體進(jìn)行實(shí)景模擬，從而展示水文、水利、城鎮(zhèn)供水、節(jié)水灌溉等相關(guān)水利工程構(gòu)成、運(yùn)行及管理利用的相關(guān)知識(shí)。為培養(yǎng)和造就一批能夠掌握現(xiàn)代水利知識(shí)，熟悉信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)和管理的多層次、高素質(zhì)的水利人才提供實(shí)時(shí)教學(xué)支持。

關(guān)鍵詞：物理模型;實(shí)訓(xùn)平臺(tái);教學(xué)一體化信息管理系統(tǒng)

引言

職業(yè)教育是以就業(yè)為導(dǎo)向、以技能培訓(xùn)為中心的教育。工學(xué)結(jié)合背景下的實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法與手段的改革一直是高職教育的重要課題。目前，高職教育的發(fā)展將虛擬仿真技術(shù)推向了前所未有的高度。

1技術(shù)標(biāo)

虛擬仿真技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合技術(shù)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和研究。

“水利虛擬仿真培訓(xùn)平臺(tái)”主要以水利工程為研究對(duì)象，采用當(dāng)今優(yōu)秀的可視化建模軟件Multigen Creator和實(shí)時(shí)可視化驅(qū)動(dòng)軟件Vega，結(jié)合高性能圖形工作站，結(jié)合ArcGIS，MicroStation與AutoCAD構(gòu)成基本的虛擬仿真工作環(huán)境，并基于C-a-D數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成準(zhǔn)確逼真的三維模型。其核心是通過對(duì)水利工程和自然災(zāi)害的仿真，建立一個(gè)三維、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、可視化的虛擬仿真環(huán)境。

1.1系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇

目前，虛擬仿真軟件發(fā)展迅速，種類繁多。本系統(tǒng)的研究與開發(fā)選用了優(yōu)秀的虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)軟件multigencreator和實(shí)時(shí)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件Vega。Multigen Creator是唯一集成多邊形建模和紋理貼圖、矢量編輯和建模以及地形生成的三維建模工具。它對(duì)三維場(chǎng)景的描述幾乎已經(jīng)成為視景仿真領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Multigen Creator定義了一種數(shù)據(jù)庫(kù)格式OpenFlight。該數(shù)據(jù)庫(kù)以樹狀層次結(jié)構(gòu)組織，支持視覺模擬中的許多概念，如光源、紋理貼圖、細(xì)節(jié)層次模型（LOD）、3D聲音、自由度、動(dòng)畫序列和模型實(shí)例化。

Vega是MultiGen paradise在實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用的世界領(lǐng)先軟件環(huán)境。它巧妙地結(jié)合了易于使用的工具和先進(jìn)的模擬功能，可以快速創(chuàng)建各種實(shí)時(shí)交互式3D環(huán)境，讓開發(fā)人員可以在專業(yè)應(yīng)用上投入更多精力。

1.2系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)過程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)分為以下9個(gè)部分。

（1） 工程數(shù)字幾何建模和水工結(jié)構(gòu)部件運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模。

首先，在Multigen Creator環(huán)境下，根據(jù)一定比例尺的地形圖建立整個(gè)項(xiàng)目的三維地形模型。sitebuilder 3D v1.1.1 for ArcGIS插件可用于直接在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中以O(shè)penFlight格式生成地形3D模型。根據(jù)地形的復(fù)雜程度，可以對(duì)地形采用不同的精度，也可以將地形圖直接轉(zhuǎn)換為Creator R識(shí)別的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight數(shù)據(jù)格式的三維地形模型，然后粘貼航空?qǐng)D像紋理。然后，根據(jù)各種二維和三維CAD設(shè)計(jì)圖紙，建立水工建筑物和工程輔助建筑物的真實(shí)尺寸三維幾何數(shù)字模型。最后，根據(jù)各水工建筑物的具體坐標(biāo)位置，拼接地形模型和建筑物模型。船閘啟閉、泄水弧形閘門旋轉(zhuǎn)、水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)等水工結(jié)構(gòu)部件運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)建模。

（2） 項(xiàng)目運(yùn)行控制管理。各種水利工程運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（如大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)和水情監(jiān)控系統(tǒng)以及閘門監(jiān)控系統(tǒng)）對(duì)水工建筑物的控制和監(jiān)控信息被傳輸至項(xiàng)目運(yùn)行控制數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)時(shí)更新。

（3）工程特性和圖紙管理。在三維場(chǎng)景中，需要查詢建筑構(gòu)件及其二維設(shè)計(jì)圖形的屬性。在織女星中有vgpick r類。在該程序中，可以通過調(diào)用vgpicker類的API函數(shù)拾取場(chǎng)景中的三維對(duì)象，獲取三維對(duì)象的名稱，然后在屬性數(shù)據(jù)表中查找字段，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)與三維模型的通信。

（4） 三維數(shù)字幾何模型管理。針對(duì)OpenFlight文件格式場(chǎng)景模型的層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還建立了相應(yīng)的樹狀層次結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)層次結(jié)構(gòu)對(duì)水工建筑物進(jìn)行分類。

（5） 工程功能模擬。在其他專業(yè)軟件中進(jìn)行工程地質(zhì)、巖土力學(xué)、水力學(xué)分析，將分析計(jì)算結(jié)果輸入水利工程三維仿真系統(tǒng)，在虛擬場(chǎng)景中顯示水利工程功能仿真過程。

（6） 放電粒子系統(tǒng)。通用建模工具用于對(duì)某些具有固定幾何形狀的對(duì)象進(jìn)行建模。放電沒有固定的形狀。其形狀隨泄水閘的開啟角度和上游水位而變化。為了達(dá)到這種特殊效果，必須構(gòu)造一個(gè)粒子系統(tǒng)。

（7） 二維地圖和三維仿真場(chǎng)景之間的相互響應(yīng)。二維地圖根據(jù)地圖投影、地理坐標(biāo)和比例尺，使用各種點(diǎn)、線和區(qū)域符號(hào)、文字注釋和顏色來表示地形、地理現(xiàn)象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。

（8） 場(chǎng)景合成。通過在V EGA的圖形環(huán)境Lyn X中選擇各種參數(shù)，驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象的實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)漫游和可控可視化的目的。通過LY N-X工具或Visual C++環(huán)境調(diào)用Vega API函數(shù)，增加系統(tǒng)所需的光照、聲音和特效。

（9） 人機(jī)交互系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了方便的人機(jī)交互界面，包括設(shè)計(jì)菜單、圖標(biāo)、屏幕顯示信息等。

2水工教學(xué)物理模型

2.1內(nèi)容

2.1.1教學(xué)認(rèn)知內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容主要包括以下12個(gè)方面：1）對(duì)貴州省地質(zhì)地貌特征的認(rèn)識(shí)。

2） 對(duì)貴州省地表植被綜合狀況的認(rèn)識(shí)。

3） 可以觀察和了解地表徑流過程。

4） 貴州省河流的趨勢(shì)特征和水位變化特征。

5） 貴州省不同功能、不同結(jié)構(gòu)的水利工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

6） 水利工程大壩地形選擇知識(shí)的認(rèn)知教學(xué)。

7） 貴州省飲用水工程和農(nóng)田灌溉工程建設(shè)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

8） 我們可以學(xué)習(xí)貴州省水利工程、飲用水工程、農(nóng)田水利工程中各種功能性水工建筑物的認(rèn)知教學(xué)。

9）可學(xué)習(xí)給水管道工程認(rèn)知教學(xué)和渠道工程施工知識(shí)，以適應(yīng)各種地形。

10） 我們可以學(xué)習(xí)地表徑流的測(cè)量知識(shí)和水文觀測(cè)知識(shí)。

11） 學(xué)習(xí)電廠、水利工程、泵站、水閘等的日常工作管理知識(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控操作技能。

12） 水利信息化的理論知識(shí)、系統(tǒng)配置、工作原理等相關(guān)知識(shí)和操作技能。

2.2模型布局

模型的物理特性與模擬原型的物理特性相同。模型按一定比例，以幾何相似性為前提，以動(dòng)力相似性為主導(dǎo)，模擬整個(gè)水利及其上下游相鄰河段的全部流量。主要用于水利水電工程布置設(shè)計(jì)方案論證試驗(yàn)、泄水建筑物上下游水流銜接消能防沖及流態(tài)試驗(yàn)。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，高職實(shí)踐教學(xué)的培訓(xùn)內(nèi)容、培訓(xùn)手段和培訓(xùn)設(shè)備都將發(fā)生變化。水利虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可控、可視化、實(shí)用、易觀察、易參與、無(wú)損、可重復(fù)、完整性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了倍增作用，并將有效提高教學(xué)效果?？梢姡摂M仿真技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用是高職院校實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的一個(gè)方向，具有廣泛的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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