海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统

张 晶，马潇潇

(武汉东湖学院，湖北 武汉 430212)

0 引 言

海绵校园是海绵城市的一种应用，也就是将海绵城市的理念应用在校园中，通过对生态环境与水土径流的保护，实现环境与水资源的和平共处，为学生提供更和谐、更舒适的生活与学习环境。其本质在于利用海绵的吸水原理，将校园内的降水通过自然环境的方式吸收和存储，并在干燥的环境下释放出来，同时建立一个能够节约水资源的综合模块[1]。然而在现实中很难只通过理论建立一个足够真实的校园空间，使其能够按照真实的环境水文变化实现研究者对雨水的调控，并得出真实的变化。基于以上需求，开发研究基于海绵校园的虚拟仿真实验系统，使海绵校园的设计与更新能够依托于虚拟现实技术，并得到一定程度上的实现。

以往的研究人员已经在虚拟仿真实验系统的开发与研究中有了很多成果，文献[2]中研究人员通过详细分析实验环境中的测试体系结构，建立了一种基于环境结构的分析方法，极大地缩短了虚拟建模的时间，并提高了虚拟仿真的测试效率。文献[3]通过数据填补算法建立了一种有关于神经网络的算法模型，弥补了对数学模型中数据的缺失，提高了运算结果的准确性。本文基于以上文献对海绵校园更新设计的虚拟仿真实验系统进行开发与研究，解决虚拟仿真系统中信号不稳定的问题，减少信号频域的误差。

1 海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统硬件设计

1.1 单片机系统电路设计

在单片机系统中，中央处理器能够将超大规模的集成电路聚集成拥有超强数据处理功能的计算机系统，并将其完善成为一个微小的微型设备。在此过程中，最重要的步骤就是其基本电路的设计[4-6]。本文中关于虚拟仿真实验系统的单片机电路组成如图1所示。

图1 单片机基本电路

如图1所示，对于单片机系统而言，AT89S52型号已经是能够实现虚拟仿真实验的最小单元，其中也必定包括接地电源、缓冲器、时钟装置、数字/模拟转换器以及回路端子等设施[7-8]。除此以外，有关于单片机电路的引脚设备也是正常工作过程中经常会出现的周期电平指示装置。当单片机恢复到初始位置，开始正常工作时，该电平的引脚为低电平；当单片机开始工作，运行到其他位置时，该电平的引脚为高电平。在本文的虚拟仿真实验系统中，还需要具备外接的LED显示系统作为单片机电路的外接显示装置[9]。当单片机连接成功时，LED显示系统会有绿灯闪烁，表示该电路连接成功；当LED显示系统显示为红灯时，该电路连接失败，表示单片机没有被成功使用，需要重新设置新的电路。

1.2 接入三极管连接端口

为了能够体现虚拟仿真实验系统的价值，实现更加完善稳定的人机互动，需要制定合理的人机交互编码结构，并在上文单片机电路的基础上增设一个数码管作为编码的承载体，旨在显示数字和其他信息，实现稳定的人机交互。这一类能够承载编码的数码管又分为阴码与阳码2种，其中显示在公共端正极部分的编码为阳码，显示在公共端负极部分的编码为阴码[10-13]。在本文的虚拟仿真实验系统开发中，需要通过将阴码与阳码交相处理，其中阴码与阳码的数码结构如图2所示。

图2 人机交互编码结构

在如图2所示的人机交互编码结构中，通常使用7段编码体系，将最下层的公共端设定为VCC接口，并结合低电平结构，制定如表1所示的编码符号体系。

表1 人机交互编码符号体系

表1中，人机交互的编码通过ox口接入，再通过ot口输出，而相应的数码管中则能够显示出相应的字符以及编码，作为虚拟仿真实验系统中对于输入以及输出结构的辨别机制。在实现了人机交互编码的符号体系之后，就能够设计并实现虚拟仿真显示系统，这一切都需要依托拥有编码结构的数码管。如果上文中设计的单片机只连接了一个数码管，则只需要4位数据连接端口；若该单片机连接了多个数码管，则该单片机需要8位以上的数据连接端口[14-15]。假使连接端口为8，则该数码管的端口结构会相对较为复杂，可以通过节省硬件中的连线数作为硬件设施的驱动装置。其中，能够匹配图2中人机交互编码结构的数码管如图3所示。

图3 数码管结构设置

在如图3所示的数码管端口设置中，需要通过至少四位一体的三极管，根据阴阳码模式选择的原理来实现，阴阳码模式选择的原理如图4所示。

图4 阴阳码模式选择的原理图

根据图4可知，如果在单片机的引脚输出电平较低时，该三极管能够作为数码管的阳码选位，若单片机的引脚输出电平较高，该三极管能够作为数码管的阴码选位[16]。从上至下，7位人机交互的编码结构具备7层引脚，想要通过不同的引脚排序实现相应的虚拟仿真显示，就需要将以上编码结构接入三极管连接端口[17]。

2 海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统模块化设计

2.1 建立校园空间雨洪分析模块

在建立校园空间雨洪分析模块之前，需要首先识别有关自然环境的相关要素。记录校园所在城市的气候特征、校园内部的地形地貌、各处区域的水文土壤条件以及土地类型等，以便做出更准确的水文径流模块。关于降雨强度的公式如下：

(1)

式中，Qhm表示海绵校园体系下暴雨强度的标准值；pjy表示该城市年平均暴雨强度；gc表示暴雨常量，一般取值为1、2、3、4；Tr表示每年的日平均暴雨时间，单位为min[18-20]。在完善了自然环境的数据体系之后，还需要计算该校园内部的年径流控制总量，尤其是计算其年径流量控制率。

(2)

式中，αn表示年径流总量下的控制率；Qz表示一年内该校园内部的径流总量，单位为m3；Sz表示校园的总面积，单位为m2；Pjy表示降雨强度，单位为mm。在计算出年径流总量之后，就可以通过ArcGIS做出吸纳供应的缓冲区分析与空间叠加计算，将校园内的所有自然设施与人工设施全部建立矢量数据，并赋值评价。其中，有关下垫面的分析与处理是整个海绵校园更新设计的核心，其重点内容在于对水文以及土地覆盖内容的信息化建设，将整个校园的大环境作为一个整体的控制单元，综合分析其水、土道路的边界特性，尤其是有关湿地、河流、湖泊、地下水径流的土地类型[21-23]。然后使用层次分析的方法建立相应的雨洪空间评价体系，对该校区的降水存储、土壤雨水渗透、河道汇流等数据做出综合性的评价，并构建校园空间雨洪分析模块。

2.2 海绵校园地理数据可视化模块

对整个海绵校园的更新设计需要根据实际情况进行分析，如图5所示。

图5 海绵校园更新设计虚拟仿真实现路径

如图5所示，首先需要仔细勘察校园内部的地理环境，确定地理环境的水文、地质、气候、土壤等多种参数，然后建立地理数据的3D模块。同时，还需要将校园的智能个体环境模块同样输入进计算机软件中，并通过相关的3D软件进行动画编辑，最后由工作人员实现对于海绵校园虚拟仿真的图形简化与更新设计[24-25]。在建立模块的过程中，若所需要提取的文件格式涉及模式优化，则可以通过三角合并的方式提升系统的效率与稳定性，具体的方法如图6所示。

图6 三角合并图解

通过如图6所示的三角合并的方式，不但能够减少系统运算的复杂度与运算量，从而极大地减少运算时间，还能提高系统运算的稳定性，提高系统工作的效率与准确性[26-27]。通过以上方法实现海绵校园更新设计的虚拟仿真，能够将复杂的地理数据与虚拟仿真设备有机结合，从而得到更简化的更新模块。

3 仿真实验分析

3.1 实验准备

在实验操作开始前，通过阅览海绵城市建设理论相关知识，了解海绵城市建设的定义、海绵城市规划背景、海绵城市建设原则、海绵城市设计理念、行业标准、具体实施办法，并通过海绵设施剖面图认知交互选择和试题测验，完成相关基础知识考核。海绵校园更新设计与虚拟仿真实验系统界面如图7所示。

图7 海绵校园更新设计与虚拟仿真实验系统界面

依托校园绿地项目进行现场勘测，检验学生对实地勘测的内容与方法的掌握情况，引导学生对即将进行更新的校园景观场地环境作整体分析评价，为普通绿地景观更新提供设计依据。

场地普通景观改造后，通过降雨动画模拟，点击交互按钮，显示场地内地下排水组织情况，为海绵型绿地景观更新提供设计依据，降雨动画模拟如图8所示。

图8 降雨动画模拟

拖拽天气情况按钮，动态模拟演示每种海绵景观设施对雨水的渗、滞、蓄、净、用、排等功能，了解海绵景观设施的雨水调蓄的原理及过程。结合场地分析报告，依据设施改造的主要原则，针对每种海绵景观设施的特点、适用范围，通过交互按钮，完成在线施工工艺节点交互试题。选择适合场地的海绵景观设施，并根据面板提示，自主选择设施应用的具体位置。雨水分析界面如图9所示。

图9 雨水分析界面

根据面板提示，选择雨水系统流程不同路径，并在场景中分段模拟雨水系统全流程，观察海绵景观设施对雨水渗透、溢流、截污、净化等生态调蓄效果。

3.2 实验指标选取

雨水利用率的表达式为：

W=αψHA

(3)

式中，α表示季节折减系数；ψ表示综合径流系数；H表示多年平均降雨量；A表示汇水面积。

径流污染物削减率的表达式为：

(4)

式中，A表示进水口污染物浓度；B表示出水口污染物浓度；D表示当天水量。

为了验证本文设计系统的有效性，通过径流总量控制率、雨水利用率、径流污染物削减率3个重要指标来评价海绵校园更新设计开发虚拟仿真实验系统设计前后的效益对比，验证设计方案的合理性。

3.3 实验测试结果

3.3.1 径流总量控制率

对比本文系统设计前后的径流总量控制率，对比结果如图10所示。

图10 径流总量控制率

根据图10可知，本文系统设计后的径流总量控制率能够达到87%，设计前的径流总量控制率仅能达到82%，说明本文设计的海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统的径流总量控制率较高。

3.3.2 雨水利用率

雨水利用率是评价雨水利用总量的指标，因此，对比本文系统设计前后的雨水利用率，如表2所示。

表2 雨水利用率对比结果/%

根据表2可知，本文系统设计前的雨水利用率最高只有88.9%，而本文系统设计后的雨水利用率最高可达98.4%，说明本文设计的海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统的雨水利用率较高。

3.3.3 径流污染物削减率

对比本文系统设计前后的径流污染物削减率，结果如图11所示。

图11 径流污染物削减率对比结果

根据图11可知，本文系统设计前的径流污染物削减率最高只有85%，而本文系统设计后的径流污染物削减率最高可达100%，说明本文设计的海绵校园更新设计虚拟仿真实验系统的径流污染物削减率最高。

4 结束语

本文通过设计单片机的电路系统，编码人机交互符号体系，建立了虚拟仿真设备的显示系统，并将海绵校园的雨洪分析模块与海绵校园地理数据可视化模块相结合，通过三角合并的方式实现对于海绵校园更新设计的简化。通过设计实验验证了本文系统的径流总量控制率较高、雨水利用效果较好、径流污染物削减率较高。