機場排水系統虛擬仿真教學平臺構建

中國民航大學 彭晶

隨著互聯網技術的快速發展，虛擬仿真技術越來越多地應用在高校教學過程中。本研究擬應用三維仿真技術，進行機場排水系統虛擬仿真教學平臺構建，并設計實驗方案進行仿真模擬，方便學生了解排水系統設計布局、學習機場排水設計理論、熟悉排水模擬方案。該平臺以直觀的場景、真實的體驗、直觀的感受，讓學生以第一視角的體驗與交互模式對模擬平臺進行操作，直觀便捷地完成實驗項目要求，有利于學生熟悉真實場景和學習相關理論知識，提高實驗效率。

虛擬現實技術最早是從美國開始研發的，并引領世界各國虛擬現實技術發展潮流。1960年，Licklidr預言“未來電腦會以人大腦的思維方式處理信息”。在20世紀80年代，美國宇航局及國防部對虛擬現實技術進行了大量研究，建成了虛擬現實教育系統，在全國得以使用，取得了顯著成就。隨著虛擬現實技術研究的不斷深入，其在教學中應用也越來愈廣泛。澳大利亞墨爾本理工大學建立了虛擬物理實驗室，進行熱傳遞教學。我國關于虛擬現實技術的研究相對起步晚，但隨著信息技術的迅猛更新發展，也已經引起人們廣泛的關注。我國教育部于2018年針對高等教育啟動“示范性虛擬仿真實驗教學項目”，并依托國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺（www.ilab.com），實現國家虛擬仿真實驗教學項目的持續性對外聯通和服務。目前該平臺已經收錄2079個認定項目，正創新性地推進中國高等教育質量的提升。從首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的資源統計數據來看，各高校自行研發，具有自主知識產權的虛擬仿真教學資源相對較少，大量資源屬于市場購置的商業軟件，而其中多數都有使用授權數量的限制。虛擬仿真教學平臺是采用虛擬仿真現實、三維動畫與演示、人機交互等技術，根據理論與實驗教學的需求設計出用于輔助教學的虛擬場景、虛擬環境、虛擬設備及構件庫、演示理論和實驗過程等內容，運用不同的軟件設計應用技術，依托平臺以及學科屬性，針對不同專業及課程特點進行設計和拓展的教學資源庫平臺。

為進一步推進我校實驗教學的改革與創新，加快實驗室建設，促進優質資源融合，提升辦學水平和人才培養質量，形成教學科研協同、學校企業聯合培養人才的實驗教學新模式，學校根據《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號），我校也積極開展了虛擬仿真實驗教學中心的建設和申報工作。于2017年開始組織申報天津示范性虛擬仿真實驗教學項目，進而我校虛擬仿真實驗平臺建設受到越來越多教師的關注。

1 機場排水系統虛擬仿真平臺簡介

1.1 建設的必要性

機場排水設計是我校交通工程專業的一門專業選修課，主要講授機場排水系統設計理論及模擬仿真研究。隨著四型機場建設需求提出，綠色海綿機場建設也受到極大關注。由于機場安全運行及管理模式的特殊性，即便是機場內部的工作人員都需持證上崗，并在所持證件許可的工作范圍之內活動。只有少部分飛行區工作人員，在不影響航班正常起降、運行的前提下，才允許進入飛行區例行日常的巡查、檢查。高校的學生很難進行機場排水系統的布局及構型的參觀和認知，學生對機場排水系統很難有直觀的認識和了解。目前機場排水系統實驗室實驗很難開展，主要存在的問題有：

(1)受場地因素制約，目前國內外均以小尺寸實驗裝置替代管網系統開展實驗，僅滿足定性研究需求，與排水溝實際情況偏差較大；(2)受資金因素限制，學校不可能建造大量植草溝或大規模機場排水系統模型供學生現場試驗，少量實驗裝置無法滿足多人在有限學時的實驗，實驗教學周期長，教學工作量大；(3)受設備條件困擾，目前實物模擬裝置中流量計等零部件損耗嚴重，維修維護工作量大，實驗運行成本高。

鑒于此，應用虛擬仿真技術，開發機場排水系統虛擬仿真實驗平臺，通過前臺虛擬、后臺計算的方式，在線完成課程的實驗教學。學生可依托本場景開展排水理論學習及虛擬實驗，完成實驗教學及技能訓練，提升教學效果。同時解決實物實驗實施困難、設備臺套數不足等問題。實驗教學中，可讓學生以直觀的感受、真實的視角，開展機場排水系統的學習和模擬實驗，意義重大。學生依托該平臺，通過模塊操作、流程切換等步驟，完成機場排水系統理論學習，排水系統認知、不同情景模擬實驗，植草型排水溝滯蓄性能實驗等內容。

1.2 層次架構

如圖1所示，該虛擬實驗平臺的設計主要包括：(1)戰略層。頂層設計階段，規劃完成了機場排水系統虛擬仿真教學平臺設計的實驗腳本，并進行開發。(2)范圍層。以天津某機場排水系統為例進行展示，及不同降雨量下機場排水系統工作狀況展示。實現了學生選擇飛行區某一典型的區域進行放大，加以詳細介紹排水管網設計的步驟、理論知識等操作。以問答的形式鞏固知識點，對計算公式有深刻的印象。(3)結構層。規劃完成了機場排水和場景的模型建模，實現了用戶使用WASD鍵盤按鍵配合鼠標進行操作，模型以某機場為案例，充分了解其基礎信息后完成了建模。模型由機場飛行區、工作區排水系統布局、尺寸，排水溝選型及斷面形狀、蓄水池、泵站等構成。(4）框架層。規劃設計了軟件的交互設計，主要包含界面設計和導航元素，使用戶快速了解實驗操作。完成機場排水系統的程序腳本搭建、功能開發及交互邏輯優化。程序開發工作集中在模型的動畫效果，習題考核評價功能的開發，以及交互邏輯上的功能開發，實現了用戶操作鼠標對航展區漫游的功能。實現了系統考評功能，實現了機場降雨量模擬及排水動效展示。(5)表現層。設計了軟件UI界面，以及提供了機場模型的參考圖像，幫助開發公司保質保量的完成項目。完成虛擬仿真項目的原型圖設計和UI設計。本實驗從功能設計上考慮讓學生在場景中自主漫游，以了解機場的排水設施的情況，并在其中穿插對學生知識的考核，最后由系統給出分數評價。UI外觀設計上以藍色科技風為主題風格。

圖1 虛擬仿真實驗平臺層次架構Fig.1 Hierarchical architecture of virtual simulation experiment platform

2 機場排水系統虛擬仿真實驗平臺設計

2.1 主要設計模塊

如圖2所示，該虛擬實驗平臺擬設置“實驗準備”“實驗簡介”“實驗指導”“實訓工況”“結果分析”等多個模塊，設計實施流程如下：

圖2 虛擬仿真實驗平臺設計模塊Fig.2 Design module of virtual simulation experiment platform

(1)虛擬實驗平臺“實驗準備”項目中，預置數字化資料，如實驗基本理論、實驗注意事項等微視頻、文字、圖片說明等。需要開展實驗的學生需要提前進行在線學習，并完成試題庫中抽取題目的測試，方可進行后續環節；(2)學生進入系統后即進入虛擬實驗。可以選擇“實驗簡介”了解實驗目的、植草溝情況、操作方法等；(3)選擇“實驗指導”模式，根據系統提供的文字、圖片、動畫等提示信息，可完成實驗操作步驟的學習和訓練；(4)選擇“實訓工況”模式，學生可選擇實驗的模擬工況，根據系統給出的任務要求，無信息提示，獨立完成實驗操作；(5)完成操作的學生，可以通過“結果及分析”選項查看自己模擬實驗操作后的實驗數據，完成機場飛行區植草型排水溝水文性能測定。

2.2 虛擬實驗流程

實驗開始之前，學生輸入姓名、學號進入模擬仿真平臺，打開“實驗準備”環節，進行實驗基本理論、實驗注意事項、實驗操作及安全常識等內容的學習；在此基礎上，抽取的相關問題，測試合格后進入正式的實驗操作。

擬設計的實驗過程及內容主要為：(1)進入模擬仿真平臺，選擇“漫游”，了解機場排水系統整體布局、構型植草溝布局等。(2)選擇“機場排水設計理論”，選擇飛行區某一典型的區域進行放大，加以詳細介紹排水管網設立的步驟、理論知識。讓學生結合實際的排水案例學習排水設計理論知識點，中間插入選擇題的形式（題目、答案、解析），并記錄學生練習的成績。(3)在“不同降雨情境模擬”部分，根據暴雨強度公式，設定重現期、降雨歷時、其他地區性參數等，開展不同工況下的模擬，輸出節點、斷面的水位、流量等。(4)在“植草溝設計及模擬實驗”部分，可設計植草溝的構型、布局及尺寸，模擬植草溝作用前后的效果對比，輸出模擬結果圖片、視頻。

綜上所述，機場排水系統植草溝虛擬仿真平臺的設計思路如圖3所示：

圖3 實驗流程設計圖Fig.3 Experimental flow chart

3 結論

采用虛擬仿真方式進行機場排水系統虛擬仿真實驗平臺的構建，不僅避免了實物實驗場地、資金不足、實施困難等問題，還可以有效調動學生興趣，提高學生對知識的掌握和實操水平，牢記步驟，提高實驗正確性與效率。系統以直觀的場景，真實的體驗，直觀感受等，讓學生以第一視角的體驗與交互模式對模擬平臺進行操作，進行不同設計工況下的機場飛行區排水溝或植草型排水溝滯蓄性能測定實驗等，直觀便捷地完成實驗項目要求。

該研究的創新點主要體現在幾個方面：(1)教學理念創新。虛擬仿真實驗平臺能彌補實物裝置實驗投入高、占地面積大、后期維護困難等不足，是一種具有較好效果的新的教學理念。(2)教學模式新穎。采用全在線虛擬仿真互動式教學方法，應用游戲引擎技術，系統內置機場飛行區植草型排水溝實景，具有較好的可視化效果。基于不同的實驗情景，通過虛擬仿真平臺的實驗設備設施，完成實驗流程。(3)運行模式創新。教師通過在線虛擬仿真平臺，在課前發布實驗要求和實驗基礎理論，學生提前完成預習；學生進入模擬平臺，在平臺引導下或獨立完成不同情景的實驗，既實用又好玩，真正實現快樂教學、快樂學習的目標。