基于物理模型的水利工程實訓平臺研究

秦慶先

摘要：文章從水利工程的特點出發，結合水利工程物理模型，構建水工實訓中心教學一體化平臺，建立水工實訓教學中心數據庫，通過各類儀器設備和教學一體化信息管理系統，以現實或虛擬制定的場景作載體進行實景模擬，從而展示水文、水利、城鎮供水、節水灌溉等相關水利工程構成、運行及管理利用的相關知識。為培養和造就一批能夠掌握現代水利知識，熟悉信息系統應用技術和管理的多層次、高素質的水利人才提供實時教學支持。

關鍵詞：物理模型;實訓平臺;教學一體化信息管理系統

引言

職業教育是以就業為導向、以技能培訓為中心的教育。工學結合背景下的實訓基地建設和實訓教學方法與手段的改革一直是高職教育的重要課題。目前，高職教育的發展將虛擬仿真技術推向了前所未有的高度。

1技術標

虛擬仿真技術是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術和應用領域相關專業技術為基礎的綜合技術，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際或設想的系統進行測試和研究。

“水利虛擬仿真培訓平臺”主要以水利工程為研究對象，采用當今優秀的可視化建模軟件Multigen Creator和實時可視化驅動軟件Vega，結合高性能圖形工作站，結合ArcGIS，MicroStation與AutoCAD構成基本的虛擬仿真工作環境，并基于C-a-D數據進行數據轉換，形成準確逼真的三維模型。其核心是通過對水利工程和自然災害的仿真，建立一個三維、動態、實時、可視化的虛擬仿真環境。

1.1系統開發工具的選擇

目前，虛擬仿真軟件發展迅速，種類繁多。本系統的研究與開發選用了優秀的虛擬仿真系統開發軟件multigencreator和實時場景驅動軟件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。它對三維場景的描述幾乎已經成為視景仿真領域的工業標準。Multigen Creator定義了一種數據庫格式OpenFlight。該數據庫以樹狀層次結構組織，支持視覺模擬中的許多概念，如光源、紋理貼圖、細節層次模型（LOD）、3D聲音、自由度、動畫序列和模型實例化。

Vega是MultiGen paradise在實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現實領域應用的世界領先軟件環境。它巧妙地結合了易于使用的工具和先進的模擬功能，可以快速創建各種實時交互式3D環境，讓開發人員可以在專業應用上投入更多精力。

1.2系統開發流程設計

系統開發過程采用模塊化設計思想，系統分為以下9個部分。

（1） 工程數字幾何建模和水工結構部件運動數學建模。

首先，在Multigen Creator環境下，根據一定比例尺的地形圖建立整個項目的三維地形模型。sitebuilder 3D v1.1.1 for ArcGIS插件可用于直接在地理信息系統軟件ArcGIS中以OpenFlight格式生成地形3D模型。根據地形的復雜程度，可以對地形采用不同的精度，也可以將地形圖直接轉換為Creator R識別的USGS DEM，在Creator中直接生成OpenFlight數據格式的三維地形模型，然后粘貼航空圖像紋理。然后，根據各種二維和三維CAD設計圖紙，建立水工建筑物和工程輔助建筑物的真實尺寸三維幾何數字模型。最后，根據各水工建筑物的具體坐標位置，拼接地形模型和建筑物模型。船閘啟閉、泄水弧形閘門旋轉、水輪機旋轉等水工結構部件運動的數學建模。

（2） 項目運行控制管理。各種水利工程運行監控系統（如大壩安全監控系統、水質和水情監控系統以及閘門監控系統）對水工建筑物的控制和監控信息被傳輸至項目運行控制數據庫并實時更新。

（3）工程特性和圖紙管理。在三維場景中，需要查詢建筑構件及其二維設計圖形的屬性。在織女星中有vgpick r類。在該程序中，可以通過調用vgpicker類的API函數拾取場景中的三維對象，獲取三維對象的名稱，然后在屬性數據表中查找字段，實現二維數據與三維模型的通信。

（4） 三維數字幾何模型管理。針對OpenFlight文件格式場景模型的層次結構，系統還建立了相應的樹狀層次結構圖，根據層次結構對水工建筑物進行分類。

（5） 工程功能模擬。在其他專業軟件中進行工程地質、巖土力學、水力學分析，將分析計算結果輸入水利工程三維仿真系統，在虛擬場景中顯示水利工程功能仿真過程。

（6） 放電粒子系統。通用建模工具用于對某些具有固定幾何形狀的對象進行建模。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。為了達到這種特殊效果，必須構造一個粒子系統。

（7） 二維地圖和三維仿真場景之間的相互響應。二維地圖根據地圖投影、地理坐標和比例尺，使用各種點、線和區域符號、文字注釋和顏色來表示地形、地理現象和社會經濟現象。

（8） 場景合成。通過在V EGA的圖形環境Lyn X中選擇各種參數，驅動虛擬環境實現虛擬對象的實現，從而達到實時漫游和可控可視化的目的。通過LY N-X工具或Visual C++環境調用Vega API函數，增加系統所需的光照、聲音和特效。

（9） 人機交互系統。設計了方便的人機交互界面，包括設計菜單、圖標、屏幕顯示信息等。

2水工教學物理模型

2.1內容

2.1.1教學認知內容

教學內容主要包括以下12個方面：1）對貴州省地質地貌特征的認識。

2） 對貴州省地表植被綜合狀況的認識。

3） 可以觀察和了解地表徑流過程。

4） 貴州省河流的趨勢特征和水位變化特征。

5） 貴州省不同功能、不同結構的水利工程的結構特點。

6） 水利工程大壩地形選擇知識的認知教學。

7） 貴州省飲用水工程和農田灌溉工程建設的設計特點。

8） 我們可以學習貴州省水利工程、飲用水工程、農田水利工程中各種功能性水工建筑物的認知教學。

9）可學習給水管道工程認知教學和渠道工程施工知識，以適應各種地形。

10） 我們可以學習地表徑流的測量知識和水文觀測知識。

11） 學習電廠、水利工程、泵站、水閘等的日常工作管理知識和遠程監控操作技能。

12） 水利信息化的理論知識、系統配置、工作原理等相關知識和操作技能。

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，以動力相似性為主導，模擬整個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計方案論證試驗、泄水建筑物上下游水流銜接消能防沖及流態試驗。

3結束語

隨著虛擬仿真技術的發展，高職實踐教學的培訓內容、培訓手段和培訓設備都將發生變化。水利虛擬仿真實訓平臺具有安全、經濟、高效、可控、可視化、實用、易觀察、易參與、無損、可重復、完整性強等特點，在實踐教學中發揮了倍增作用，并將有效提高教學效果。可見，虛擬仿真技術在高職院校實訓教學中的應用是高職院校實訓基地建設的一個方向，具有廣泛的推廣價值。

參考文獻

[1]教育部高教司.關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見

[2]韋有雙，楊湘龍.虛擬現實與系統仿真.北京：國防工業出版社