基于物理模型的水利工程实训平台研究
秦庆先
摘要：文章从水利工程的特点出发，结合水利工程物理模型，构建水工实训中心教学一体化平台，建立水工实训教学中心数据库，通过各类仪器设备和教学一体化信息管理系统，以现实或虚拟制定的场景作载体进行实景模拟，从而展示水文、水利、城镇供水、节水灌溉等相关水利工程构成、运行及管理利用的相关知识。为培养和造就一批能够掌握现代水利知识，熟悉信息系统应用技术和管理的多层次、高素质的水利人才提供实时教学支持。
关键词：物理模型;实训平台;教学一体化信息管理系统
引言
职业教育是以就业为导向、以技能培训为中心的教育。工学结合背景下的实训基地建设和实训教学方法与手段的改革一直是高职教育的重要课题。目前，高职教育的发展将虚拟仿真技术推向了前所未有的高度。
1技术标
虚拟仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术和应用领域相关专业技术为基础的综合技术，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际或设想的系统进行测试和研究。
“水利虚拟仿真培训平台”主要以水利工程为研究对象，采用当今优秀的可视化建模软件Multigen Creator和实时可视化驱动软件Vega，结合高性能图形工作站，结合ArcGIS，MicroStation与AutoCAD构成基本的虚拟仿真工作环境，并基于C-a-D数据进行数据转换，形成准确逼真的三维模型。其核心是通过对水利工程和自然灾害的仿真，建立一个三维、动态、实時、可视化的虚拟仿真环境。
1.1系统开发工具的选择
目前，虚拟仿真软件发展迅速，种类繁多。本系统的研究与开发选用了优秀的虚拟仿真系统开发软件multigencreator和实时场景驱动软件Vega。Multigen Creator是唯一集成多边形建模和纹理贴图、矢量编辑和建模以及地形生成的三维建模工具。它对三维场景的描述几乎已经成为视景仿真领域的工业标准。Multigen Creator定义了一种数据库格式OpenFlight。该数据库以树状层次结构组织，支持视觉模拟中的许多概念，如光源、纹理贴图、细节层次模型（LOD）、3D声音、自由度、动画序列和模型实例化。
Vega是MultiGen paradise在实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实领域应用的世界领先软件环境。它巧妙地结合了易于使用的工具和先进的模拟功能，可以快速创建各种实时交互式3D环境，让开发人员可以在专业应用上投入更多精力。
1.2系统开发流程设计
系统开发过程采用模块化设计思想，系统分为以下9个部分。
（1） 工程数字几何建模和水工结构部件运动数学建模。
首先，在Multigen Creator环境下，根据一定比例尺的地形图建立整个项目的三维地形模型。sitebuilder 3D v1.1.1 for ArcGIS插件可用于直接在地理信息系统软件ArcGIS中以OpenFlight格式生成地形3D模型。根据地形的复杂程度，可以对地形采用不同的精度，也可以将地形图直接转换为Creator R识别的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight数据格式的三维地形模型，然后粘贴航空图像纹理。然后，根据各种二维和三维CAD设计图纸，建立水工建筑物和工程辅助建筑物的真实尺寸三维几何数字模型。最后，根据各水工建筑物的具体坐标位置，拼接地形模型和建筑物模型。船闸启闭、泄水弧形闸门旋转、水轮机旋转等水工结构部件运动的数学建模。
（2） 项目运行控制管理。各种水利工程运行监控系统（如大坝安全监控系统、水质和水情监控系统以及闸门监控系统）对水工建筑物的控制和监控信息被传输至项目运行控制数据库并实时更新。
（3）工程特性和图纸管理。在三维场景中，需要查询建筑构件及其二维设计图形的属性。在织女星中有vgpick r类。在该程序中，可以通过调用vgpicker类的API函数拾取场景中的三维对象，获取三维对象的名称，然后在属性数据表中查找字段，实现二维数据与三维模型的通信。
（4） 三维数字几何模型管理。针对OpenFlight文件格式场景模型的层次结构，系统还建立了相应的树状层次结构图，根据层次结构对水工建筑物进行分类。
（5） 工程功能模拟。在其他专业软件中进行工程地质、岩土力学、水力学分析，将分析计算结果输入水利工程三维仿真系统，在虚拟场景中显示水利工程功能仿真过程。
（6） 放电粒子系统。通用建模工具用于对某些具有固定几何形状的对象进行建模。放电没有固定的形状。其形状随泄水闸的开启角度和上游水位而变化。为了达到这种特殊效果，必须构造一个粒子系统。
（7） 二维地图和三维仿真场景之间的相互响应。二维地图根据地图投影、地理坐标和比例尺，使用各种点、线和区域符号、文字注释和颜色来表示地形、地理现象和社会经济现象。
（8） 场景合成。通过在V EGA的图形环境Lyn X中选择各种参数，驱动虚拟环境实现虚拟对象的实现，从而达到实时漫游和可控可视化的目的。通过LY N-X工具或Visual C++环境调用Vega API函数，增加系统所需的光照、声音和特效。
（9） 人机交互系统。设计了方便的人机交互界面，包括设计菜单、图标、屏幕显示信息等。
2水工教学物理模型
2.1内容
2.1.1教学认知内容
教学内容主要包括以下12个方面：1）对贵州省地质地貌特征的认识。
2） 对贵州省地表植被综合状况的认识。
3） 可以观察和了解地表径流过程。
4） 贵州省河流的趋势特征和水位变化特征。
5） 贵州省不同功能、不同结构的水利工程的结构特点。
6） 水利工程大坝地形选择知识的认知教学。
7） 贵州省饮用水工程和农田灌溉工程建设的设计特点。
8） 我们可以学习贵州省水利工程、饮用水工程、农田水利工程中各种功能性水工建筑物的认知教学。
9）可学习给水管道工程认知教学和渠道工程施工知识，以适应各种地形。
10） 我们可以学习地表径流的测量知识和水文观测知识。
11） 学习电厂、水利工程、泵站、水闸等的日常工作管理知识和远程监控操作技能。
12） 水利信息化的理论知识、系统配置、工作原理等相关知识和操作技能。
2.2模型布局
模型的物理特性与模拟原型的物理特性相同。模型按一定比例，以几何相似性为前提，以动力相似性为主导，模拟整个水利及其上下游相邻河段的全部流量。主要用于水利水电工程布置设计方案论证试验、泄水建筑物上下游水流衔接消能防冲及流态试验。
3结束语
随着虚拟仿真技术的发展，高职实践教学的培训内容、培训手段和培训设备都将发生变化。水利虚拟仿真实训平台具有安全、经济、高效、可控、可视化、实用、易观察、易参与、无损、可重复、完整性强等特点，在实践教学中发挥了倍增作用，并将有效提高教学效果。可见，虚拟仿真技术在高职院校实训教学中的应用是高职院校实训基地建设的一个方向，具有广泛的推广价值。
参考文献
[1]教育部高教司.关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见
[2]韦有双，杨湘龙.虚拟现实与系统仿真.北京：国防工业出版社
猜你喜欢实训平台物理模型建筑工程虚拟仿真实训平台构建中国教育技术装备(2020年6期)2020-07-04应用型本科商科类跨专业综合实训平台探索建设财讯(2019年22期)2019-09-03电子商务专业实训平台教学初探新一代(2019年5期)2019-06-12新型永磁式振动发电装置的分析与设计中文信息(2018年5期)2018-05-30全开放资源式电子实训平台的构建与应用研究大陆桥视野·下(2017年11期)2017-10-31浅析建立物理模型在教学中的重要性报刊荟萃（上）(2017年8期)2017-08-31上游式尾矿坝漫顶溃坝的溃口扩展机理价值工程(2017年19期)2017-07-12关于国际经济与贸易专业综合实训平台项目的设计中国管理信息化(2016年22期)2017-04-07搭建服务型校企合作实训平台，探索高职人才培养新模式继续教育研究(2013年10期)2013-12-27