線上虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)
——以“隧道工程”課程為例

張鵬飛，張 吉，劉晨光

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

作為土木工程專業(yè)道橋方向的核心專業(yè)課程，“隧道工程”具有涉及多個(gè)學(xué)科，內(nèi)容繁雜、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。要學(xué)好“隧道工程”課程，不僅要掌握巖土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還要理解明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等施工方法的施工工藝和施工關(guān)鍵技術(shù)。

“隧道工程”傳統(tǒng)線下教學(xué)模式多半采用多媒體或板書教學(xué)，對(duì)于復(fù)雜的隧道施工工藝，教師難以結(jié)合工程實(shí)際講授清楚。即使為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合，要求學(xué)生到工地進(jìn)行實(shí)習(xí)和觀摩，但由于隧道爆破施工風(fēng)險(xiǎn)大、施工作業(yè)面狹窄、洞內(nèi)環(huán)境差等實(shí)際情形，使得大規(guī)模學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)變得不現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)隧道工程各施工工藝的理解僅停留在課本知識(shí)，缺乏對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的感性認(rèn)知。

虛擬仿真技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)前處理和后處理能力，通過系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)試、人機(jī)互動(dòng)等步驟，將抽象對(duì)象進(jìn)行可視化的動(dòng)態(tài)模擬仿真。基于Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)建設(shè)隧道工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。將各隧道施工工藝流程在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬，使復(fù)雜的隧道施工過程變得更清晰、更全面，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)隧道施工實(shí)踐的感性認(rèn)知。該虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)通過人機(jī)交互，提供與實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高度一致的施工虛擬仿真場(chǎng)景，創(chuàng)造完全符合工程實(shí)際的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，教師可以通過系統(tǒng)后臺(tái)的反饋信息，及時(shí)了解學(xué)生的掌握程度，并對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。

本文基于Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)隧道工程施工虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)；根據(jù)隧道工程不同施工工藝的施工流程，采用Revit軟件建立山體隧道、地鐵隧道等三維信息化BIM模型，并運(yùn)用動(dòng)畫制作軟件對(duì)山體隧道的新奧法施工、地鐵隧道區(qū)間的盾構(gòu)法施工和地鐵車站的明挖法施工等施工工藝流程進(jìn)行動(dòng)畫仿真模擬，以實(shí)現(xiàn)“以虛補(bǔ)實(shí)、理實(shí)融合、深度參與”的教學(xué)效果。

1 “隧道工程”特點(diǎn)

“隧道工程”課程涉及多個(gè)學(xué)科，主要包括巖土力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論等。要學(xué)好隧道工程，不僅要全面掌握上述專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還要充分理解各施工工藝流程和關(guān)鍵施工技術(shù)。

“隧道工程”是一門與工程實(shí)踐結(jié)合非常緊密的學(xué)科?！八淼拦こ獭苯虒W(xué)不僅要講授隧道專業(yè)理論知識(shí)和隧道施工方法，還要對(duì)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范進(jìn)行宣貫。

隧道是一種埋置于地層中的構(gòu)造物,主要由圍巖和襯砌組成。圍巖既是作用體，又是承載體。隧道與圍巖的相互作用隨著項(xiàng)目工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的不同而復(fù)雜多變，這就決定了不同結(jié)構(gòu)類型、不同地質(zhì)條件的隧道設(shè)計(jì)理論和施工方法均不一致。因此，“隧道工程”課程教學(xué)必須將課本理論知識(shí)與項(xiàng)目工程實(shí)踐緊密結(jié)合。

2 虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)與建設(shè)思路

2.1 線上虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)

彌補(bǔ)傳統(tǒng)線下工程實(shí)踐教學(xué)缺失。采用虛擬仿真技術(shù)模擬隧道工程實(shí)踐，開發(fā)建設(shè)線上虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)隧道工程施工過程的虛擬仿真模擬，再現(xiàn)隧道工程各施工工藝流程，將隧道施工容易出現(xiàn)的問題呈現(xiàn)給學(xué)生，使隧道工程施工過程具有豐富的三維表現(xiàn)力。此外，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)通過設(shè)計(jì)以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生在三維虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互式操作實(shí)踐，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)線下課堂實(shí)踐教學(xué)的缺失，達(dá)到理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐的有機(jī)統(tǒng)一。

克服線下工程實(shí)踐周期長、風(fēng)險(xiǎn)大難題。隧道工程施工具有建設(shè)周期長、施工環(huán)境差、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，借助三維虛擬仿真模擬代替真實(shí)的隧道工程實(shí)踐，可以將復(fù)雜的、漫長周期的施工過程在很短時(shí)間中予以展現(xiàn)。同時(shí)，還可有效避免工程實(shí)踐教學(xué)過程中學(xué)生進(jìn)入隧道施工現(xiàn)場(chǎng)可能受到的潛在危險(xiǎn)。

2.2 線上虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)思路

隧道工程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)主要包括“專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、理論知識(shí)綜合應(yīng)用和實(shí)踐推廣創(chuàng)新”3個(gè)層次。其中，基礎(chǔ)知識(shí)層次包括隧道工程設(shè)計(jì)理論、施工方法與施工工藝；綜合應(yīng)用層次側(cè)重于不同隧道不同施工工藝的應(yīng)用與實(shí)踐；推廣應(yīng)用主要表現(xiàn)為學(xué)生模擬實(shí)習(xí)與企業(yè)施工模擬方案制定等。該平臺(tái)在滿足教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，還完善了隧道實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)新了隧道工程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?shí)現(xiàn)了“以虛補(bǔ)實(shí)、理實(shí)融合、深度參與”的教學(xué)效果。

3 “隧道工程”虛擬仿真平臺(tái)開發(fā)

3.1 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)模塊組成

結(jié)合隧道工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，隧道工程虛擬仿真平臺(tái)由圖1所示的模塊組成，主要包括基本理論認(rèn)知、漫游模式、自測(cè)實(shí)驗(yàn)、效果自測(cè)模式4個(gè)模塊，各自的功能如下。

(1)基本理論認(rèn)知。該模式主要側(cè)重于對(duì)隧道工程基本知識(shí)、基本理論的講解。結(jié)合文字及圖表，詳細(xì)介紹隧道結(jié)構(gòu)組成及隧道設(shè)計(jì)與施工涉及的基本理論。

(2)漫游模式。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)隧道工程結(jié)構(gòu)組成及隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)，漫游模式提供了不同類型隧道的BIM模型，并給出了“地圖導(dǎo)航”和“漫游觀察”兩種查看方式以及切換視角的快捷操作指南。學(xué)生可通過“地圖導(dǎo)航”查看關(guān)鍵局部位置，通過“漫游觀察”自由鳥瞰完整場(chǎng)景。

(3)自測(cè)實(shí)驗(yàn)。自測(cè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等隧道施工工藝的施工流程，逐步完成各施工工藝的仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，模塊還提供了明挖法、新奧法、盾構(gòu)法等施工工藝的動(dòng)畫視頻。

(4)效果自測(cè)模式。該模塊首先對(duì)“隧道工程”基本知識(shí)及基本理論認(rèn)知進(jìn)行考核。其次，對(duì)施工工藝的施工流程仿真效果及涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考核。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)可自動(dòng)生成詳細(xì)的成績分析報(bào)告，便于教師實(shí)時(shí)分析教學(xué)效果、調(diào)整授課重點(diǎn)。

圖1 隧道工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)流程

首先基于Unity 3D仿真技術(shù)，采用Revit軟件建立山體隧道、地鐵隧道等不同類型隧道結(jié)構(gòu)的三維BIM模型，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將BIM模型導(dǎo)入 Unity 3D中，實(shí)現(xiàn)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜地形和場(chǎng)景布置。其次，根據(jù)隧道工程各施工工藝特點(diǎn)和關(guān)鍵施工技術(shù)，對(duì)各隧道施工工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬和反演分析，建立集成化的隧道工程通用計(jì)算和施工仿真系統(tǒng)。

在Unity 3d虛擬現(xiàn)實(shí)引擎構(gòu)建的隧道虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境中，學(xué)生可通過佩戴虛擬仿真頭盔等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、手持手柄等操作設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在虛擬隧道場(chǎng)景中漫游，完成各施工工藝的仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程為：

(1)教師介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例的隧道概況，提供隧道地勘資料、設(shè)計(jì)資料等背景資料，并將施實(shí)驗(yàn)要求布置給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)先前所學(xué)的隧道施工理論知識(shí)，結(jié)合案例隧道背景資料，隧道施工仿真實(shí)驗(yàn)方案。

(2)教師評(píng)價(jià)仿真實(shí)驗(yàn)方案，介紹虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及使用方法。

(3)教師準(zhǔn)備虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，布置學(xué)生實(shí)驗(yàn)室上課分組方案。

(4)學(xué)生到達(dá)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，在教師的輔助下，先熟悉虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，體驗(yàn)虛擬仿真場(chǎng)景，學(xué)習(xí)通過手柄等控制裝置在虛擬仿真場(chǎng)景中的漫游以及在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作。

(5)學(xué)生在虛擬仿真場(chǎng)景中，通過實(shí)驗(yàn)操作獲得數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖2 隧道虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

3.3 虛擬仿真動(dòng)畫制作

根據(jù)明挖法施工、新奧法施工、盾構(gòu)法施工等不同施工工藝的施工流程，采用Revit軟件分別建立明挖法、新奧法、盾構(gòu)法施工三維BIM模型(見圖4—6)，再運(yùn)用動(dòng)畫制作軟件對(duì)各施工工藝流程和關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行動(dòng)畫仿真模擬，最后生成視頻播放文件。

圖3 盾構(gòu)隧道虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

圖4 盾構(gòu)隧道開挖施工

圖5 新奧法施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

圖6 明挖施工基坑開挖支護(hù)

4 虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用與推廣

隧道工程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)和基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)相結(jié)合，極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)模式。平臺(tái)將理論知識(shí)與工程實(shí)踐充分融合，引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行工程實(shí)踐學(xué)習(xí)，推動(dòng)“隧道工程”課程教學(xué)“工程化”。

為了進(jìn)一步推廣隧道工程仿真應(yīng)用，平臺(tái)開發(fā)主要進(jìn)行以下內(nèi)容的完善：

(1)綜合應(yīng)用多大數(shù)據(jù)、BIM建模、人工智能、現(xiàn)實(shí)虛擬、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)、云計(jì)算等手段，對(duì)隧道設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)進(jìn)行虛擬仿真，以豐富現(xiàn)隧道工程全過程虛擬仿真內(nèi)容。

(2)加強(qiáng)隧道工程虛擬仿真平臺(tái)虛實(shí)統(tǒng)一管理的能力，建立開放式虛擬仿真管理平臺(tái)。增強(qiáng)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)資源信息的共享能力和用戶訪問平臺(tái)的穩(wěn)定性，滿足更多用戶并行訪問。

5 結(jié)語

隧道工程線上虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)基于Unity 3D仿真、媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，將隧道施工移植到虛擬環(huán)境中，構(gòu)建具有良好沉浸感、臨場(chǎng)感、交互感的隧道施工虛擬仿真場(chǎng)景，使不易完整展現(xiàn)的隧道復(fù)雜施工過程變得更全面、更清晰，彌補(bǔ)“隧道工程”傳統(tǒng)線下實(shí)踐教學(xué)的缺失。將傳統(tǒng)線下理論教學(xué)與線上實(shí)踐教學(xué)相融合，實(shí)現(xiàn)“以虛補(bǔ)實(shí)、理實(shí)融合、深度參與”的教學(xué)效果，推動(dòng)“以教為主”向“以學(xué)為主”的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，提升“隧道工程”教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、較強(qiáng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才提供有效保障。