分布式虚拟仿真在“输配电线路施工”教学中的应用

黄宵宁 杨成顺 杨中亚

摘要：介绍“输配电线路施工”在专业知识体系中的重要作用，并针对施工课程实践性极强的特点和该课程教学上存在的问题现状，结合自身在三维仿真教学培训系统方面的研究开发实践，进一步介绍分布式虚拟仿真的技术特点和应用系统的内容，以及该系统对提高本课程教学质量和学习效果的积极价值。

关键词：分布式;虚拟仿真;输配电线路施工;教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0093-01

随着我国经济的迅猛发展，输配电线路里程数不断增加，电力行业对输电专业人才培养的数量和质量上都提出了更高要求。作为国内设置电气工程及其自动化（输配电）专业方向的仅有三所全日制本科院校之一，南京工程学院承担着向社会输送该专业方向高级工程应用型人才的重任，如何突出应用的特色，切实有效提高教学效果进而提升培养质量是面临的首要课题和任务。[1]

一、“输配电线路施工”课程的教学特点

电气工程及其自动化（输配电方向）专业是培养具有电力系统输配电线路工程的理论和技术，并能从事输配电线路设计、施工、运行、维护、管理的高等应用型技术人才。[2]“输配电线路施工”是该专业方向一门重要专业必修课程，通过本门课程的学习，牢固掌握输配电线路施工理论及实践技能，才能在毕业后能够较快适应现场工作，满足电网建设单位的用人需要。因此“输配电线路施工”是该专业方向知识体系架构中非常重要的环节，一直受到广泛的重视。

“输配电线路施工”课程的教学目标是使学生了解输配电线路施工的整个工艺流程及各施工工艺原理，掌握基础、杆塔、导地线等主要部件的安装施工工艺步骤，具备施工方案设计和作业指导书的编制的能力。本课程具有以下特点：

（1）内容形象具体。相较于其他课程知识的抽象性逻辑性强的特点，本课程内容非常的具体形象，例如输配电线路部件种类多、型式杂、装配关系复杂的特点。此外，输配电线路分布性广，施工现场往往跨越高山大河，施工布置和工艺展开等内容都需要营造临场感。

（2）工程实践性强。本课程的力学计算理论与施工工艺联系紧密，教学要求中直接包含了丰富的工程实践内容，并且十分注重施工过程中安全控制和团队协作。[3]

（3）本专业属于电气学科范畴，而本课程的知识体系接近于建筑工程领域，对于电气专业学生在缺少建筑施工前导性知识铺垫的前提下，快速掌握中输配电线路施工安装工艺和要领也存在一定的难度。

（4）学历教育为主的本科院校无法按照电力培训部门那样打造大规模的实训实操基地，现场实习环节因为时间短和安全因素也难以达到理想的效果。

（5）由于电力企业需要的是上手快、适应强、基础实的应用型技术人才，客观上要求进一步强化学生动手能力和应用能力的锻炼，把实践教学放到关键和重要的位置上，不断在人才培养上突出工程实践性强的特色。

在当前的形势下采用手绘、板书、视频、照片这样的传统教学方式已经难以满足“输配电线路施工”课程这些鲜明的特点对教学手段的要求。

二、分布式虚拟仿真技术的引入

1.虚拟仿真技术引入的理论基础

建构主义学习理论（Constructivism Learning Theory）认为，知识是学习者在一定的情境背景下借助教师或同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。[4]通过长期的研究实践，基于以上理论的虚拟仿真技术对“输配电线路施工”课程而言，是提高教学质量和效果有效的途径。

2.分布式虚拟仿真的技术特点

分布式虚拟仿真综合了计算机图形学、虚拟现实、计算机网络、分布式计算、计算机仿真、数据库技术、人机交互、人机智能等多学科专业技术，是虚拟现实技术的重要分支。分布式虚拟仿真将位于不同物理位置的用户通过网络进行连接，或者多个用户参与到同一个虚拟环境中，通过与其他用户进行资源共享、实时沟通或就特定的复杂问题进行探讨和协作，简而言之就是多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。基于分布式虚拟仿真系统除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）两大特征以外，还具备以下几个显著技术特点：网络用户共享虚拟任务空间;角色扮演行为具有真实感;多机实时交互，保持时空一致性;资源信息共享，多个用户（学员）可以采用多种方式相互通信。

3.分布式虚拟仿真教学系统

通过研究开发我们建立了国内首套分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统，该系统采用分布式架构、多机协同、虚拟仿真等技术手段，可以直观、准确、快速地为课程教学内容提供具体的展现对象和高效的演练手段。高拟真度虚拟环境中的多人协作和角色扮演手段虽然不能完全取代实际的操作和训练，作为现场实操实训环节的有效补充，對提高教学效果、提升实践能力具有十分积极的作用和意义。

三、分布式虚拟仿真教学系统应用效果和前景

1.系统主要功能

分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系通过虚拟施工场景建模、施工人员角色动画建模与数据处理、施工业务流程仿真脚本设计，用户可以对虚拟施工场景的视点进行自由选择，实现全景式自由漫游[5];用户借助虚拟布局技术模拟或生成施工现场的虚拟环境，实现输配电线路本体和通道环境仿真;通过绑定相关数学模型和动画路径的规划，实现各个班组成员分工协作下的输配电线路施工各项工作专业流程的仿真;通过实时受力可视化分析和设备监控，实现工艺方案的虚拟设计和优化;并通过培训支持与管理底层平台子模块实现了培训信息管理、考勤提问、键鼠管制、屏幕监管、自动评价等日常培训助教功能，同时还具备课上演练、课后训练等助学功能。

2.系统应用效果

（1）借助系统可以快速建立和强化感性认识，为课程的展开提供了铺垫和基础。例如，学生可以全方位、多角度、近距离地观察虚拟环境中的输配电线路及各组成部件，感觉他们的尺寸、型式、结构、材质、装配关系。同时通过可视化的分析手段，将抽象的概念表达直观具体化，为理论知识的讲授提供丰富直观的手段。例如，输配电线路中的杆高与各种档距、弧垂的计算、空间布置测量和设备受力监控等都可以直观、高效地进行实时计算和对结果的可视化表达。

（2）系统充分考虑了施工现场作业是以班组为单位，具有团队协作的特点，突破了原有单人单机培训模式的桎梏。在分布式虚拟仿真系統中，每个用户能更好地通过角色扮演方式增加临场感，以角色扮演的形式出现与虚拟场景以及其他替身进行实时的交互，真正地跨越了现实工作中难以设计实施团队集体培训方案的藩篱。

（3）系统为用户提供一个高度真实感和沉浸感的虚拟现实环境。与单机用户的虚拟现实环境相比，本系统所体现出逼真度类型要比单用户复杂得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行为特征的逼真度和时间逼真度、信息逼真度和系统逼真度等。这些要素不仅要求行为正确、真实、可信，而且还恰当地还原和模仿了真实施工作业流程的复杂度，达到了提高培训质量和效果的目的。

3.系统推广前景

（1）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统使多个用户或学员同时参与到一个共享的虚拟施工任务空间，通过网络与其他用户共享信息，在分布式的虚拟施工仿真平台上完成施工组织设计、施工方案评估评价，并对方案的开展过程和结果进行预演。学员通过高度联系实践的学习、训练，并协同完成教师课前规划或预设的一项输配电线路现场施工作业任务，以达到协同工作的目标，它将虚拟仿真辅助教学培训手段的应用提高到了一个更高的境界。

（2）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统能够更好地解决线路施工实践教学过程中，多人现场作业存在的安全隐患问题，同时能够节约实习实训资金，使技能培训不再局限于在有限的室内课堂和室外基地，学员可以重复地观摩、演练，多角度、全方位地观察和操作，可以全面地、深入地参与到电网建设生产过程中。

（3）现代远程教育工作是实现终身学习和教育培训的一种行之有效的手段，分布式虚拟仿真技术作为远程教育支持系统的一个重要发展方向，可以实现多人协同机制下的各种培训学习功能。本系统的技术成果和应用经验能够为电力行业培训提供有效的借鉴，积极推动企业教育手段的发展。

参考文献：

[1]黄宵宁.输电线路虚拟仿真技术在应用型人才培养中的作用[J].中国电力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黄宵宁，等.输配电线路施工技术[M].北京：中国电力出版社，2007：1-2.

[3]黄宵宁.虚拟仿真技术在输电线路运检专业技能培训中的应用[J].中国轻工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建构主义-革新传统教学的理论基础[J].电化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黄宵宁，杨志超.超高压架空输电铁塔组立虚拟施工技术研究[J].电力建设，2007，（12）：55-57.

（责任编辑：王祝萍）