虚拟仿真技术在道路工程实践教学中的应用

王浩

摘要：道路工程设计是土木工程专业（道路与桥梁工程方向）重要的實践教学环节.目前实践教学过程中存在较多不足和问题，教学效果不佳，而Roadleader（路立得）软件虚拟仿真技术的运用，为学生提供设计、建模和仿真平台交互操作的真实体验环境，有效缓解了该课程实践教学所面临的困境.通过问题分析、案例分析和教学改革措施研究，详细介绍了道路工程设计课程开展虚拟仿真教学的具体教改措施，实践证明虚拟仿真技术的运用能明显提高该课程实践教学质量.

关键词：道路工程;虚拟仿真;实践教学

中图分类号：G642.45  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）04-0160-03

道路工程是国家经济、社会正常运行的重要基础设施，具有总量大、路线长、投资巨大、建设与运营周期长等特点.同时道路工程长期直接暴露在复杂的自然环境下，勘察设计困难，施工工序繁多、组织管理复杂.道路工程的在设计、施工和管理方面的这些特点和困难，同样也是土木工程专业（道路与桥梁工程方向）道路工程实践教学所面临的困境.同时，在日常实践教学中，学校在教学设备和教学手段方面无法提供真实的工作环境与工作条件，因此，面临着实践教学与实践操作和工作严重脱节的困境，导致实践教学枯燥乏味，学生学习积极性不高，教学效果不佳.而虚拟仿真技术通过利用虚拟现实、人机交互、仿真等信息化手段，构建开放自主、高度仿真的虚拟实验环境、仪器设备和实验对象[1]，打破以教师为中心的传统的教师为中心实践教学模式，探索以学生为中心的新模式，将先进的教学理念和最新的规范要求设计在实践实验系统中[2]，实验教学效果显著提高，为实现教学的理念先进、理论科学、实践创新提供设备基础和技术支撑[3].

通过运用Roadleader（路立得）软件提供的虚拟仿真技术，为学生提供设计、建模和仿真平台交互操作的真实体验环境.开展道路设计的虚拟仿真实践操作，向学生传授相关软硬件的使用方法，使学生能全面熟练掌握道路勘测设计基本技能并了解相关的先进技术.

1 道路工程设计实践教学存在的问题

道路工程设计按照选线、定线、平面设计、纵断面设计和横断面设计五个步骤展开，平面交叉、立体交叉、沿线设施、环境保护和景观等结合前面五个步骤的实际情况和整体布局进行设计.通过实践教学评价和学生意见调查反馈发现，学生学习的积极性不高，教学效果不佳.例如选线和定线阶段，传统的实践教学运用纸质地形图和CAD地形图进行，学生对平原、山岭和丘陵等地形以及复杂的地质情况，很难有直观的认识，而实地考察进行选线虽然直观，但实验成本高，且场地地形单一，不可能涉及各种地形，所以很难在考虑各种地形的前提下完成后面的平面设计、纵断面设计和平纵线形组合设计[4].

因此，以电子地形图为基础的Roadleader软件通过数字高程模型建模实现了道路虚拟仿真设计，可以让学生在各种不同的地形下进行道路设计，并能实时的查看道路三维仿真动态效果图，直观方便的检查设计效果，以及对不同设计方案进行技术经济比较.

2 教学案例

Roadleader软件是一款基于BIM理念的三维道路设计软件，除了常规的路线设计、纵断面和平面设计外，具备地形三维建模、交叉口三维建模、道路三维建模、自动更新以及三维漫游等功能，可以查看三维的地形、交叉口、绿化景观、道路设施等，并且可以实现在高仿真环境中的驾驶视角、高空飞行视角等多视角的模拟行车，直观的观察全路线实况，切身感受平面线形连接变化、纵坡起伏、平纵组合、超高和加宽过渡等设计是否合理.通过Roadleader软件进行道路设计，按照建立数字地形模型、路线设计（平面线型设计）、纵断面设计、道路设计（道路横断面设计）主要的四个步骤进行[5].

第一步是建立数字地形模型，打开一张原始的CAD地形图，地形图中主要用的数据是高程点和等高线，还有一些河流、房屋的边界线等，高程点和等高线都有相应的数据和属性.地形图数据完整条件下，通过软件高程点识别和快速转化等高线功能可以自动识别高程数据，建立三维地形模型，并查看三维地形，直观查看高程异常的高程点，通过高程检查来排序查找出高程数据异常的高程点，并将错误数据改为正确的数据.

第二步平面线型设计，提供了导线法和曲线法两种设计方法，对于主线，不管公路还是市政道路，大多数采用导线法进行设计，而对于立交、匝道采用曲线法进行设计.设计前需要对地形有详细的了解，软件对地形图高程范围用不同的颜色进行表明，同一个颜色或者颜色相近说明高程相差不大，可以直观显示出地形走势和范围，辅助学生进行平面线型设计.然后以导线法为例，先是在软件操作界面中布置导线点，可以布置多个导线点，尽量将导线点布置在同一颜色的区域内;通过剖切地面线视图和三维视图等查看路线高程差变化情况;接下来是平曲线设计，主要是缓和曲线和圆曲线组合设计，可以通过控制切线、外距等参数进行设计，选定其中一种控制方式和计算方式，对导线点的圆曲线半径和缓和曲线长度等参数进行设置，并通过软件自动计算出切线长度、外距值等参数，计算完成后，平面线型设计即完成.

第三步纵断面设计，先录入自然纵断面数据，可以自行导入数据，也可以从地形图中提取，生产自然纵断;接着新建设计纵断和纵断拉坡图，进入纵断拉坡图界面，在起终点之间添加多个变坡点，根据地形，调整边坡点位置，可以通过保持前坡度不变、保持后坡度不变、高程不变、自由移动等多个方式进行调;下一步是竖曲线设计，可以通过鼠标拖动进行设计，也可以自己设置曲线半径等参数进行设计;在竖曲线拉坡过程中，可以随时通过填挖方视图查看填挖方变化情况，也可以通过三维视图查看道路的大概的图形.

第四步道路工程设计，创建道路，设置板块形式，提供了高速公路、一级公路、二级公路等公路，以及一块板、二块板等市政道路，还可以设置边坡、挡土墙的结构形式;设计过程中可以随时查看三维图像，如图1.

道路平面、纵断面和横断面设计完成后，可以對边坡挡土墙、隧道、桥梁、平面交叉、立交和交通设施等进行设计，如图2和图3，分别是道路设计中隧道范围的平面设计图和用Roadleader软件生产的虚拟仿真效果图.软件还能自动计算土石方量、平曲线表等.

3 教学改革措施

一是强化实践教学的工程性和综合性.

道路工程设计是土木工程专业（道路与桥梁工程方向）基础性的教学实践内容，通过组织学生自主设计道路工程可加深对道路勘察设计课程教学内容及基础工程、桥梁工程、隧道工程等相关课程知识的理解[6]，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力，同时为毕业设计奠定坚实的基础[7].

道路工程设计的题目应选择实际工程项目，让学生参与实际工程项目设计，激发学生对积极性和创造性，培养学生解决工程问题的能力;道路工程设计的题目应具有综合性，不仅是道路的平面、纵断面和横断面设计，还要求对挡土墙、隧道、桥梁、绿化景观等项目进行设计，它综合了道路工程、桥隧工程等内容.

二是丰富教师的工程实践经验.

负责道路工程实践教学的教师，不仅需要储备大量专业理论知识，而且需要有参与工程建设的实践经验，熟练掌握道路工程设计的各个步骤，进而提高自身的专业素养.因此，高校应支持和鼓励教师到施工单位、勘察设计单位及其他相关单位挂职锻炼，为教师提供参与工程建设的机会，教师通过对工程操作的实际了解，是提高教师自身工程经验的有效途经[8];也可以通过有丰富实际工程经验的教师，组建教学团队培养缺乏经验的青年教师;聘请企业中实践经验丰富的工程技术人才，以兼职身份加入教师队伍中，可以快速的将工程生产的实践经验带入学校课堂中，或者到校开设专题讲座，解答教师、学生的疑问;与企业合作开发虚拟仿真实验教学软件和系统，鼓励学生参入教学平台的建设中既可以提高教师学生的实践经验和能力，又激发学生对专业的兴趣、好奇心和进一步学习探索的欲望，同时也加强企业与学校之间的合作，促进双方先进的理念和管理模式交流学习.

三是设置开放性实践课程，增强学生实践创新能力.

通过利用实验室计算机、软件等实验设备，在课余时间开设实践教学课程，老师指导和协助学生实践操作，实现学生在课余时间对自己学习的理论知识进行实践锻炼，让学生能够将自己学习中的想法和创意，投入到实践中，形成一些具有一定创造性的小成果.例如吉首大学通过设置实验室开放基金项目，为老师和学生提供一定的经费，学生在老师的指导下，可以在实验室内开展实验和实践教学.通过多年的政策实施，引导学生积极投入到实验室科研和教学活动中，最大限度发挥实验设备的作用，锻炼了学生的实践能力.

4 结论

虚拟仿真技术具有耗能低、效率高、时效性强、开放度高等特点，解决了学生多而实验设备少的困境，为学生实践与创新能力的提升提供了新的教学模式.通过Roadleader软件的虚拟仿真技术，进行道路工程设计的实践教学，实现了道路工程全过程数字化的教学改革，教学效果显著改善，进一步提高学生的专业技能、实践技能和信息技术应用能力，是落实教育信息化2.0行动计划的具体举措.

参考文献：

〔1〕龚德鸿，朱兵，顾红艳，等.能源动力类专业虚拟仿真实验设计与实践[J].教育文化论坛，2016（05）：72-76.

〔2〕户永清.地方高校实验教学示范中心建设的探索与实践[J].实验科学与技术，2015（02）：136-138.

〔3〕毛红丽.化学实践教学理念的创新及发展[J].科学导报，2016（05）：44-45.

〔4〕唐善婷.公路路线线形优化设计的探讨[J].淮阴工学院学报，2008（03）：62-65.

〔5〕殷吉功.道路横断面CAD系统的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2014.

〔6〕于秀娟.“道路工程”课程设计体系的整合与优化研究[J].中国电力教育，2010（19）：102-103.

〔7〕喻杰.基于创新能力培养的交通工程专业毕业设计环节改革探讨[J].亚太教育，2015（30）：80-82.

〔8〕赵玉红.高校土木工程专业教师工程经验提升的思考[J].教育教学论坛，2016（05）：26-27.