海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)

張 晶，馬瀟瀟

(武漢東湖學(xué)院，湖北 武漢 430212)

0 引 言

海綿校園是海綿城市的一種應(yīng)用，也就是將海綿城市的理念應(yīng)用在校園中，通過對生態(tài)環(huán)境與水土徑流的保護，實現(xiàn)環(huán)境與水資源的和平共處，為學(xué)生提供更和諧、更舒適的生活與學(xué)習(xí)環(huán)境。其本質(zhì)在于利用海綿的吸水原理，將校園內(nèi)的降水通過自然環(huán)境的方式吸收和存儲，并在干燥的環(huán)境下釋放出來，同時建立一個能夠節(jié)約水資源的綜合模塊[1]。然而在現(xiàn)實中很難只通過理論建立一個足夠真實的校園空間，使其能夠按照真實的環(huán)境水文變化實現(xiàn)研究者對雨水的調(diào)控，并得出真實的變化。基于以上需求，開發(fā)研究基于海綿校園的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，使海綿校園的設(shè)計與更新能夠依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并得到一定程度上的實現(xiàn)。

以往的研究人員已經(jīng)在虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)與研究中有了很多成果，文獻[2]中研究人員通過詳細(xì)分析實驗環(huán)境中的測試體系結(jié)構(gòu)，建立了一種基于環(huán)境結(jié)構(gòu)的分析方法，極大地縮短了虛擬建模的時間，并提高了虛擬仿真的測試效率。文獻[3]通過數(shù)據(jù)填補算法建立了一種有關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法模型，彌補了對數(shù)學(xué)模型中數(shù)據(jù)的缺失，提高了運算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文基于以上文獻對海綿校園更新設(shè)計的虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行開發(fā)與研究，解決虛擬仿真系統(tǒng)中信號不穩(wěn)定的問題，減少信號頻域的誤差。

1 海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

在單片機系統(tǒng)中，中央處理器能夠?qū)⒊笠?guī)模的集成電路聚集成擁有超強數(shù)據(jù)處理功能的計算機系統(tǒng)，并將其完善成為一個微小的微型設(shè)備。在此過程中，最重要的步驟就是其基本電路的設(shè)計[4-6]。本文中關(guān)于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的單片機電路組成如圖1所示。

圖1 單片機基本電路

如圖1所示，對于單片機系統(tǒng)而言，AT89S52型號已經(jīng)是能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真實驗的最小單元，其中也必定包括接地電源、緩沖器、時鐘裝置、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器以及回路端子等設(shè)施[7-8]。除此以外，有關(guān)于單片機電路的引腳設(shè)備也是正常工作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的周期電平指示裝置。當(dāng)單片機恢復(fù)到初始位置，開始正常工作時，該電平的引腳為低電平；當(dāng)單片機開始工作，運行到其他位置時，該電平的引腳為高電平。在本文的虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，還需要具備外接的LED顯示系統(tǒng)作為單片機電路的外接顯示裝置[9]。當(dāng)單片機連接成功時，LED顯示系統(tǒng)會有綠燈閃爍，表示該電路連接成功；當(dāng)LED顯示系統(tǒng)顯示為紅燈時，該電路連接失敗，表示單片機沒有被成功使用，需要重新設(shè)置新的電路。

1.2 接入三極管連接端口

為了能夠體現(xiàn)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的價值，實現(xiàn)更加完善穩(wěn)定的人機互動，需要制定合理的人機交互編碼結(jié)構(gòu)，并在上文單片機電路的基礎(chǔ)上增設(shè)一個數(shù)碼管作為編碼的承載體，旨在顯示數(shù)字和其他信息，實現(xiàn)穩(wěn)定的人機交互。這一類能夠承載編碼的數(shù)碼管又分為陰碼與陽碼2種，其中顯示在公共端正極部分的編碼為陽碼，顯示在公共端負(fù)極部分的編碼為陰碼[10-13]。在本文的虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)中，需要通過將陰碼與陽碼交相處理，其中陰碼與陽碼的數(shù)碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 人機交互編碼結(jié)構(gòu)

在如圖2所示的人機交互編碼結(jié)構(gòu)中，通常使用7段編碼體系，將最下層的公共端設(shè)定為VCC接口，并結(jié)合低電平結(jié)構(gòu)，制定如表1所示的編碼符號體系。

表1 人機交互編碼符號體系

表1中，人機交互的編碼通過ox口接入，再通過ot口輸出，而相應(yīng)的數(shù)碼管中則能夠顯示出相應(yīng)的字符以及編碼，作為虛擬仿真實驗系統(tǒng)中對于輸入以及輸出結(jié)構(gòu)的辨別機制。在實現(xiàn)了人機交互編碼的符號體系之后，就能夠設(shè)計并實現(xiàn)虛擬仿真顯示系統(tǒng)，這一切都需要依托擁有編碼結(jié)構(gòu)的數(shù)碼管。如果上文中設(shè)計的單片機只連接了一個數(shù)碼管，則只需要4位數(shù)據(jù)連接端口；若該單片機連接了多個數(shù)碼管，則該單片機需要8位以上的數(shù)據(jù)連接端口[14-15]。假使連接端口為8，則該數(shù)碼管的端口結(jié)構(gòu)會相對較為復(fù)雜，可以通過節(jié)省硬件中的連線數(shù)作為硬件設(shè)施的驅(qū)動裝置。其中，能夠匹配圖2中人機交互編碼結(jié)構(gòu)的數(shù)碼管如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)設(shè)置

在如圖3所示的數(shù)碼管端口設(shè)置中，需要通過至少四位一體的三極管，根據(jù)陰陽碼模式選擇的原理來實現(xiàn)，陰陽碼模式選擇的原理如圖4所示。

圖4 陰陽碼模式選擇的原理圖

根據(jù)圖4可知，如果在單片機的引腳輸出電平較低時，該三極管能夠作為數(shù)碼管的陽碼選位，若單片機的引腳輸出電平較高，該三極管能夠作為數(shù)碼管的陰碼選位[16]。從上至下，7位人機交互的編碼結(jié)構(gòu)具備7層引腳，想要通過不同的引腳排序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的虛擬仿真顯示，就需要將以上編碼結(jié)構(gòu)接入三極管連接端口[17]。

2 海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)模塊化設(shè)計

2.1 建立校園空間雨洪分析模塊

在建立校園空間雨洪分析模塊之前，需要首先識別有關(guān)自然環(huán)境的相關(guān)要素。記錄校園所在城市的氣候特征、校園內(nèi)部的地形地貌、各處區(qū)域的水文土壤條件以及土地類型等，以便做出更準(zhǔn)確的水文徑流模塊。關(guān)于降雨強度的公式如下：

(1)

式中，Qhm表示海綿校園體系下暴雨強度的標(biāo)準(zhǔn)值；pjy表示該城市年平均暴雨強度；gc表示暴雨常量，一般取值為1、2、3、4；Tr表示每年的日平均暴雨時間，單位為min[18-20]。在完善了自然環(huán)境的數(shù)據(jù)體系之后，還需要計算該校園內(nèi)部的年徑流控制總量，尤其是計算其年徑流量控制率。

(2)

式中，αn表示年徑流總量下的控制率；Qz表示一年內(nèi)該校園內(nèi)部的徑流總量，單位為m3；Sz表示校園的總面積，單位為m2；Pjy表示降雨強度，單位為mm。在計算出年徑流總量之后，就可以通過ArcGIS做出吸納供應(yīng)的緩沖區(qū)分析與空間疊加計算，將校園內(nèi)的所有自然設(shè)施與人工設(shè)施全部建立矢量數(shù)據(jù)，并賦值評價。其中，有關(guān)下墊面的分析與處理是整個海綿校園更新設(shè)計的核心，其重點內(nèi)容在于對水文以及土地覆蓋內(nèi)容的信息化建設(shè)，將整個校園的大環(huán)境作為一個整體的控制單元，綜合分析其水、土道路的邊界特性，尤其是有關(guān)濕地、河流、湖泊、地下水徑流的土地類型[21-23]。然后使用層次分析的方法建立相應(yīng)的雨洪空間評價體系，對該校區(qū)的降水存儲、土壤雨水滲透、河道匯流等數(shù)據(jù)做出綜合性的評價，并構(gòu)建校園空間雨洪分析模塊。

2.2 海綿校園地理數(shù)據(jù)可視化模塊

對整個海綿校園的更新設(shè)計需要根據(jù)實際情況進行分析，如圖5所示。

圖5 海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實現(xiàn)路徑

如圖5所示，首先需要仔細(xì)勘察校園內(nèi)部的地理環(huán)境，確定地理環(huán)境的水文、地質(zhì)、氣候、土壤等多種參數(shù)，然后建立地理數(shù)據(jù)的3D模塊。同時，還需要將校園的智能個體環(huán)境模塊同樣輸入進計算機軟件中，并通過相關(guān)的3D軟件進行動畫編輯，最后由工作人員實現(xiàn)對于海綿校園虛擬仿真的圖形簡化與更新設(shè)計[24-25]。在建立模塊的過程中，若所需要提取的文件格式涉及模式優(yōu)化，則可以通過三角合并的方式提升系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性，具體的方法如圖6所示。

圖6 三角合并圖解

通過如圖6所示的三角合并的方式，不但能夠減少系統(tǒng)運算的復(fù)雜度與運算量，從而極大地減少運算時間，還能提高系統(tǒng)運算的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)工作的效率與準(zhǔn)確性[26-27]。通過以上方法實現(xiàn)海綿校園更新設(shè)計的虛擬仿真，能夠?qū)?fù)雜的地理數(shù)據(jù)與虛擬仿真設(shè)備有機結(jié)合，從而得到更簡化的更新模塊。

3 仿真實驗分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

在實驗操作開始前，通過閱覽海綿城市建設(shè)理論相關(guān)知識，了解海綿城市建設(shè)的定義、海綿城市規(guī)劃背景、海綿城市建設(shè)原則、海綿城市設(shè)計理念、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、具體實施辦法，并通過海綿設(shè)施剖面圖認(rèn)知交互選擇和試題測驗，完成相關(guān)基礎(chǔ)知識考核。海綿校園更新設(shè)計與虛擬仿真實驗系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 海綿校園更新設(shè)計與虛擬仿真實驗系統(tǒng)界面

依托校園綠地項目進行現(xiàn)場勘測，檢驗學(xué)生對實地勘測的內(nèi)容與方法的掌握情況，引導(dǎo)學(xué)生對即將進行更新的校園景觀場地環(huán)境作整體分析評價，為普通綠地景觀更新提供設(shè)計依據(jù)。

場地普通景觀改造后，通過降雨動畫模擬，點擊交互按鈕，顯示場地內(nèi)地下排水組織情況，為海綿型綠地景觀更新提供設(shè)計依據(jù)，降雨動畫模擬如圖8所示。

圖8 降雨動畫模擬

拖拽天氣情況按鈕，動態(tài)模擬演示每種海綿景觀設(shè)施對雨水的滲、滯、蓄、凈、用、排等功能，了解海綿景觀設(shè)施的雨水調(diào)蓄的原理及過程。結(jié)合場地分析報告，依據(jù)設(shè)施改造的主要原則，針對每種海綿景觀設(shè)施的特點、適用范圍，通過交互按鈕，完成在線施工工藝節(jié)點交互試題。選擇適合場地的海綿景觀設(shè)施，并根據(jù)面板提示，自主選擇設(shè)施應(yīng)用的具體位置。雨水分析界面如圖9所示。

圖9 雨水分析界面

根據(jù)面板提示，選擇雨水系統(tǒng)流程不同路徑，并在場景中分段模擬雨水系統(tǒng)全流程，觀察海綿景觀設(shè)施對雨水滲透、溢流、截污、凈化等生態(tài)調(diào)蓄效果。

3.2 實驗指標(biāo)選取

雨水利用率的表達式為：

W=αψHA

(3)

式中，α表示季節(jié)折減系數(shù)；ψ表示綜合徑流系數(shù)；H表示多年平均降雨量；A表示匯水面積。

徑流污染物削減率的表達式為：

(4)

式中，A表示進水口污染物濃度；B表示出水口污染物濃度；D表示當(dāng)天水量。

為了驗證本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性，通過徑流總量控制率、雨水利用率、徑流污染物削減率3個重要指標(biāo)來評價海綿校園更新設(shè)計開發(fā)虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計前后的效益對比，驗證設(shè)計方案的合理性。

3.3 實驗測試結(jié)果

3.3.1 徑流總量控制率

對比本文系統(tǒng)設(shè)計前后的徑流總量控制率，對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 徑流總量控制率

根據(jù)圖10可知，本文系統(tǒng)設(shè)計后的徑流總量控制率能夠達到87%，設(shè)計前的徑流總量控制率僅能達到82%，說明本文設(shè)計的海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的徑流總量控制率較高。

3.3.2 雨水利用率

雨水利用率是評價雨水利用總量的指標(biāo)，因此，對比本文系統(tǒng)設(shè)計前后的雨水利用率，如表2所示。

表2 雨水利用率對比結(jié)果/%

根據(jù)表2可知，本文系統(tǒng)設(shè)計前的雨水利用率最高只有88.9%，而本文系統(tǒng)設(shè)計后的雨水利用率最高可達98.4%，說明本文設(shè)計的海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的雨水利用率較高。

3.3.3 徑流污染物削減率

對比本文系統(tǒng)設(shè)計前后的徑流污染物削減率，結(jié)果如圖11所示。

圖11 徑流污染物削減率對比結(jié)果

根據(jù)圖11可知，本文系統(tǒng)設(shè)計前的徑流污染物削減率最高只有85%，而本文系統(tǒng)設(shè)計后的徑流污染物削減率最高可達100%，說明本文設(shè)計的海綿校園更新設(shè)計虛擬仿真實驗系統(tǒng)的徑流污染物削減率最高。

4 結(jié)束語

本文通過設(shè)計單片機的電路系統(tǒng)，編碼人機交互符號體系，建立了虛擬仿真設(shè)備的顯示系統(tǒng)，并將海綿校園的雨洪分析模塊與海綿校園地理數(shù)據(jù)可視化模塊相結(jié)合，通過三角合并的方式實現(xiàn)對于海綿校園更新設(shè)計的簡化。通過設(shè)計實驗驗證了本文系統(tǒng)的徑流總量控制率較高、雨水利用效果較好、徑流污染物削減率較高。