分布式虛擬仿真在“輸配電線路施工”教學(xué)中的應(yīng)用

黃宵寧 楊成順 楊中亞

摘要：介紹“輸配電線路施工”在專業(yè)知識體系中的重要作用，并針對施工課程實踐性極強的特點和該課程教學(xué)上存在的問題現(xiàn)狀，結(jié)合自身在三維仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)方面的研究開發(fā)實踐，進一步介紹分布式虛擬仿真的技術(shù)特點和應(yīng)用系統(tǒng)的內(nèi)容，以及該系統(tǒng)對提高本課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的積極價值。

關(guān)鍵詞：分布式;虛擬仿真;輸配電線路施工;教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0093-01

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，輸配電線路里程數(shù)不斷增加，電力行業(yè)對輸電專業(yè)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量上都提出了更高要求。作為國內(nèi)設(shè)置電氣工程及其自動化（輸配電）專業(yè)方向的僅有三所全日制本科院校之一，南京工程學(xué)院承擔(dān)著向社會輸送該專業(yè)方向高級工程應(yīng)用型人才的重任，如何突出應(yīng)用的特色，切實有效提高教學(xué)效果進而提升培養(yǎng)質(zhì)量是面臨的首要課題和任務(wù)。[1]

一、“輸配電線路施工”課程的教學(xué)特點

電氣工程及其自動化（輸配電方向）專業(yè)是培養(yǎng)具有電力系統(tǒng)輸配電線路工程的理論和技術(shù)，并能從事輸配電線路設(shè)計、施工、運行、維護、管理的高等應(yīng)用型技術(shù)人才。[2]“輸配電線路施工”是該專業(yè)方向一門重要專業(yè)必修課程，通過本門課程的學(xué)習(xí)，牢固掌握輸配電線路施工理論及實踐技能，才能在畢業(yè)后能夠較快適應(yīng)現(xiàn)場工作，滿足電網(wǎng)建設(shè)單位的用人需要。因此“輸配電線路施工”是該專業(yè)方向知識體系架構(gòu)中非常重要的環(huán)節(jié)，一直受到廣泛的重視。

“輸配電線路施工”課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解輸配電線路施工的整個工藝流程及各施工工藝原理，掌握基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線等主要部件的安裝施工工藝步驟，具備施工方案設(shè)計和作業(yè)指導(dǎo)書的編制的能力。本課程具有以下特點：

（1）內(nèi)容形象具體。相較于其他課程知識的抽象性邏輯性強的特點，本課程內(nèi)容非常的具體形象，例如輸配電線路部件種類多、型式雜、裝配關(guān)系復(fù)雜的特點。此外，輸配電線路分布性廣，施工現(xiàn)場往往跨越高山大河，施工布置和工藝展開等內(nèi)容都需要營造臨場感。

（2）工程實踐性強。本課程的力學(xué)計算理論與施工工藝聯(lián)系緊密，教學(xué)要求中直接包含了豐富的工程實踐內(nèi)容，并且十分注重施工過程中安全控制和團隊協(xié)作。[3]

（3）本專業(yè)屬于電氣學(xué)科范疇，而本課程的知識體系接近于建筑工程領(lǐng)域，對于電氣專業(yè)學(xué)生在缺少建筑施工前導(dǎo)性知識鋪墊的前提下，快速掌握中輸配電線路施工安裝工藝和要領(lǐng)也存在一定的難度。

（4）學(xué)歷教育為主的本科院校無法按照電力培訓(xùn)部門那樣打造大規(guī)模的實訓(xùn)實操基地，現(xiàn)場實習(xí)環(huán)節(jié)因為時間短和安全因素也難以達到理想的效果。

（5）由于電力企業(yè)需要的是上手快、適應(yīng)強、基礎(chǔ)實的應(yīng)用型技術(shù)人才，客觀上要求進一步強化學(xué)生動手能力和應(yīng)用能力的鍛煉，把實踐教學(xué)放到關(guān)鍵和重要的位置上，不斷在人才培養(yǎng)上突出工程實踐性強的特色。

在當(dāng)前的形勢下采用手繪、板書、視頻、照片這樣的傳統(tǒng)教學(xué)方式已經(jīng)難以滿足“輸配電線路施工”課程這些鮮明的特點對教學(xué)手段的要求。

二、分布式虛擬仿真技術(shù)的引入

1.虛擬仿真技術(shù)引入的理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論（Constructivism Learning Theory）認為，知識是學(xué)習(xí)者在一定的情境背景下借助教師或同學(xué)的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得，即通過人際間的協(xié)作活動而實現(xiàn)的意義建構(gòu)過程，因此建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素或四大屬性。[4]通過長期的研究實踐，基于以上理論的虛擬仿真技術(shù)對“輸配電線路施工”課程而言，是提高教學(xué)質(zhì)量和效果有效的途徑。

2.分布式虛擬仿真的技術(shù)特點

分布式虛擬仿真綜合了計算機圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式計算、計算機仿真、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機交互、人機智能等多學(xué)科專業(yè)技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要分支。分布式虛擬仿真將位于不同物理位置的用戶通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，或者多個用戶參與到同一個虛擬環(huán)境中，通過與其他用戶進行資源共享、實時溝通或就特定的復(fù)雜問題進行探討和協(xié)作，簡而言之就是多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。基于分布式虛擬仿真系統(tǒng)除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）兩大特征以外，還具備以下幾個顯著技術(shù)特點：網(wǎng)絡(luò)用戶共享虛擬任務(wù)空間;角色扮演行為具有真實感;多機實時交互，保持時空一致性;資源信息共享，多個用戶（學(xué)員）可以采用多種方式相互通信。

3.分布式虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

通過研究開發(fā)我們建立了國內(nèi)首套分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)、多機協(xié)同、虛擬仿真等技術(shù)手段，可以直觀、準(zhǔn)確、快速地為課程教學(xué)內(nèi)容提供具體的展現(xiàn)對象和高效的演練手段。高擬真度虛擬環(huán)境中的多人協(xié)作和角色扮演手段雖然不能完全取代實際的操作和訓(xùn)練，作為現(xiàn)場實操實訓(xùn)環(huán)節(jié)的有效補充，對提高教學(xué)效果、提升實踐能力具有十分積極的作用和意義。

三、分布式虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用效果和前景

1.系統(tǒng)主要功能

分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學(xué)系通過虛擬施工場景建模、施工人員角色動畫建模與數(shù)據(jù)處理、施工業(yè)務(wù)流程仿真腳本設(shè)計，用戶可以對虛擬施工場景的視點進行自由選擇，實現(xiàn)全景式自由漫游[5];用戶借助虛擬布局技術(shù)模擬或生成施工現(xiàn)場的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)輸配電線路本體和通道環(huán)境仿真;通過綁定相關(guān)數(shù)學(xué)模型和動畫路徑的規(guī)劃，實現(xiàn)各個班組成員分工協(xié)作下的輸配電線路施工各項工作專業(yè)流程的仿真;通過實時受力可視化分析和設(shè)備監(jiān)控，實現(xiàn)工藝方案的虛擬設(shè)計和優(yōu)化;并通過培訓(xùn)支持與管理底層平臺子模塊實現(xiàn)了培訓(xùn)信息管理、考勤提問、鍵鼠管制、屏幕監(jiān)管、自動評價等日常培訓(xùn)助教功能，同時還具備課上演練、課后訓(xùn)練等助學(xué)功能。

2.系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）借助系統(tǒng)可以快速建立和強化感性認識，為課程的展開提供了鋪墊和基礎(chǔ)。例如，學(xué)生可以全方位、多角度、近距離地觀察虛擬環(huán)境中的輸配電線路及各組成部件，感覺他們的尺寸、型式、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、裝配關(guān)系。同時通過可視化的分析手段，將抽象的概念表達直觀具體化，為理論知識的講授提供豐富直觀的手段。例如，輸配電線路中的桿高與各種檔距、弧垂的計算、空間布置測量和設(shè)備受力監(jiān)控等都可以直觀、高效地進行實時計算和對結(jié)果的可視化表達。

（2）系統(tǒng)充分考慮了施工現(xiàn)場作業(yè)是以班組為單位，具有團隊協(xié)作的特點，突破了原有單人單機培訓(xùn)模式的桎梏。在分布式虛擬仿真系統(tǒng)中，每個用戶能更好地通過角色扮演方式增加臨場感，以角色扮演的形式出現(xiàn)與虛擬場景以及其他替身進行實時的交互，真正地跨越了現(xiàn)實工作中難以設(shè)計實施團隊集體培訓(xùn)方案的藩籬。

（3）系統(tǒng)為用戶提供一個高度真實感和沉浸感的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。與單機用戶的虛擬現(xiàn)實環(huán)境相比，本系統(tǒng)所體現(xiàn)出逼真度類型要比單用戶復(fù)雜得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行為特征的逼真度和時間逼真度、信息逼真度和系統(tǒng)逼真度等。這些要素不僅要求行為正確、真實、可信，而且還恰當(dāng)?shù)剡€原和模仿了真實施工作業(yè)流程的復(fù)雜度，達到了提高培訓(xùn)質(zhì)量和效果的目的。

3.系統(tǒng)推廣前景

（1）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)使多個用戶或?qū)W員同時參與到一個共享的虛擬施工任務(wù)空間，通過網(wǎng)絡(luò)與其他用戶共享信息，在分布式的虛擬施工仿真平臺上完成施工組織設(shè)計、施工方案評估評價，并對方案的開展過程和結(jié)果進行預(yù)演。學(xué)員通過高度聯(lián)系實踐的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，并協(xié)同完成教師課前規(guī)劃或預(yù)設(shè)的一項輸配電線路現(xiàn)場施工作業(yè)任務(wù)，以達到協(xié)同工作的目標(biāo)，它將虛擬仿真輔助教學(xué)培訓(xùn)手段的應(yīng)用提高到了一個更高的境界。

（2）分布式“輸配電線路施工”虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠更好地解決線路施工實踐教學(xué)過程中，多人現(xiàn)場作業(yè)存在的安全隱患問題，同時能夠節(jié)約實習(xí)實訓(xùn)資金，使技能培訓(xùn)不再局限于在有限的室內(nèi)課堂和室外基地，學(xué)員可以重復(fù)地觀摩、演練，多角度、全方位地觀察和操作，可以全面地、深入地參與到電網(wǎng)建設(shè)生產(chǎn)過程中。

（3）現(xiàn)代遠程教育工作是實現(xiàn)終身學(xué)習(xí)和教育培訓(xùn)的一種行之有效的手段，分布式虛擬仿真技術(shù)作為遠程教育支持系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，可以實現(xiàn)多人協(xié)同機制下的各種培訓(xùn)學(xué)習(xí)功能。本系統(tǒng)的技術(shù)成果和應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)軌驗殡娏π袠I(yè)培訓(xùn)提供有效的借鑒，積極推動企業(yè)教育手段的發(fā)展。

參考文獻：

[1]黃宵寧.輸電線路虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用[J].中國電力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黃宵寧，等.輸配電線路施工技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007：1-2.

[3]黃宵寧.虛擬仿真技術(shù)在輸電線路運檢專業(yè)技能培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中國輕工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建構(gòu)主義-革新傳統(tǒng)教學(xué)的理論基礎(chǔ)[J].電化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黃宵寧，楊志超.超高壓架空輸電鐵塔組立虛擬施工技術(shù)研究[J].電力建設(shè)，2007，（12）：55-57.

（責(zé)任編輯：王祝萍）