基于CSCW的测绘专业虚拟仿真系统群设计与应用

苏群 谢智颖 何原荣 吴芸 于鹏

摘要：

為提升测绘专业的教学效率和虚拟仿真教学系统的开发效率，本文提出一种基于CSCW机制的共享数字孪生组件的虚拟仿真系统群的设计方法，并应用于该专业的自然资源相关领域的教学。本文先对这一领域的教学问题进行汇总分析，研究他们的内容和相关特点，考虑对接国家实验平台的统一接口的需要，确定仿真群的可共享的基础数字孪生组件和软件基础功能组件，然后采用CSCW机制实现组件粒度的信息协同，以SCM进行软件架构的管理，促进自然资源的多个领域上的监管仿真教学平台的创建和升级。在实际教学工作应用中，与传统单个仿真项目开发方式等相比，本文提出的方法平均开发效率提升20%，项目质量提升15%，教学效率也得到提升。

关键词： 虚拟仿真 CSCW 数字孪生 软件配置管理

中图分类号：TP311

Design and Application of the Virtual System Group in the Surveying and Mapping Major Based on CSCW

SU Qun  XIE Zhiying  HE Yuanrong*  WU Yun  YU Peng

（College of Computer and Information Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen， Fujian Province， 361024 China）

Abstract：In order to improve the teaching efficiency of the surveying and mapping major and the development efficiency of the virtual simulation teaching system， this paper proposes a design method of the virtual simulation system group based on the CSCW mechanism withshared digital twin components， and applies it to the teaching of the field related to natural resources in this major. This paper first summarizes and analyzes the teaching problems in this field， studies their content and related characteristics， considers the need for a unified interface to connect with the national experimental platform， and determines the shareable basic digital twin components of the simulation group and the basic functional components of the software. Then， it uses the CSCW mechanism to realize the information collaboration of component granularity， uses SCM to manage the software architecture， and promotes the creation and upgrading of the regulatory simulation teaching platform of the multiple fields of natural resources. In the practical application of teaching work， compared with the traditional single simulation project development method， the average development efficiency of the method proposed in this paper is increased by 20%， the project quality is increased by 15%， and teaching efficiency is also improved.

Key Words：Virtual simulation; CSCW; Digital twin; Software configuration management

1引言

1.1背景

近年来云计算[1]和数字孪生[2]等技术的发展与广泛应用，推动经济社会各领域在原来的数字化、网络化基础上向实景三维可视化和动态智能交互的方向发展。这些技术在测绘专业的自然资源监管领域上的结合、应用和开发研究不断深入推进[3]，在教学领域有着良好的应用前景。但是目前，数字孪生的发展仍处于初级阶段，各领域对数字孪生没有通用的定义和实现框架[4]。

2018年3月起，自然资源部由多部门重组成立。重组前，土地、地质、海洋、林草、水利等部门均各自有着良好的技术支撑系统，建立了相关调查监测网络；重组后，由单要素监测向多要素综合监测转变，从而掌握各自然资源之间的相互关系，实现全过程用途管控，全流程综合监管[5]。自然资源部统一行使全民所有自然资源资产所有者职责，管理和服务对象进一步扩大，测绘专业的服务对象和业务范围产生较大的变化[6]。

1.2问题

测绘工程本身也是一门综合性、实践性强的专业，注重锻炼学生的专业实践技能能力。但是，自然资源监管领域相关的实践教学中主要存在以下问题。

（1）自然资源监管的对象资源一般分布比较广，甚至在一些交通不便的地方或者保密性比较强的地方，很难有效地组织学生到实地进行实践。（2）监管的部分违法场景一般在一段时间内也会被人为地处理或者掩饰，存在一定的时效性；部分违法场景因为违法开采等原因，容易造成滑坡等地质灾害，也有一定的危险性。（3）教学场景复杂，难以构造涵盖各种地物地貌的综合测量实训场景。（4）受疫情、天气等外部环境因素影响大。涉及专业仪器操作的各类实训课程都需要在户外空旷地方才能有效开展，因此受天气影响大，近年来也常因疫情影响难以开展正常教学。（5）由于教学成本，无法做到让学生人手一台，特别是当前热门的现代测绘新技术设备，如RTK[7]、无人机、无人测量船和三维激光扫描等。学生只能在有限的时间、特定的场合接触和使用测量设备，难以达到反复练习、提升技能的需求。（6）卫星遥感数据一般数据量都比较大，下载、传输和处理的时间都比较长，很难在课堂上有限时间内完整完成。

2仿真系统群的目标

自然资源智慧监管虚拟仿真系统群的目标是在自然资源监管领域上，结合现有的软硬件设备，逐步辅助学校建立多个协同发展的虚实结合、线上线下结合和具有测绘工程专业特色的虚拟仿真教学平台系统，从而促进自然资源监管领域上测绘专业教学点建设及人才培养。

3仿真系统群的设计方法

3.1系统群的协作机制

系统群的由多个虚拟仿真实验平台组成。每个虚拟仿真实验平台利用互联网、云计算和数字孪生等信息技术，通过构建虚拟实验场景、实验内容和操作对象，以及灵活多样的交互环节，使学生可以不受时空限制进行在线实验。它打破了传统实物实验室在时间和空间上的局限性，同时有效地解决了实验经费限制、设备不足和场地受限等传统实物实验常遇到的问题[8]。多个自然资源监管相关的虚拟仿真实验系统根据专业相关性和衔接性、开发框架平台共通性和数字孪生基础组件的共享性等情况，组成一个支持层次性循序渐进学习的系统群。系统群采用基于CSCW的系统群协作机制在技术实现和数字孪生组件上进行技术和功能共享和问题交流，提高虚拟仿真实验项目建设的效率和质量。基于CSCW的系统群协作机制主要包括以系统群组织管理为核心的系统群协同组织机制，以过程评价为核心的系统群协同评价机制，以平台整体质量为核心的系统群协同完善机制。

3.2系统群关系模型和单系统架构

自然资源智慧监管仿真系统群由不同监管内容不同监管方式的多个虚拟仿真实验平台整合构建。它们有以下的共通的功能特点：（1）需要包含课程思政[9]（提升学生的“爱党爱国”的觉悟）和双创教育（提高学生的创新意识）等基础功能模块；（2）注重过程培养模式（提高学生实践水平）[10]；（3）需要对接国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（ilab-x.com）的虚拟仿真系统的接口；（4）使用数字孪生框架进行学习功能仿真；（5）对接软件配置管理系统进行版本管理处理；（6）需要收集和整理来自项目平台用户的使用反馈，形成功能使用分析报告；（7）以自然资源监管的覆盖程度、学生实践学习的过程分析数据、学生学习效果数据和系统使用情况等为评价要素，生成“融合型”评价指标[11]；（8）其他可仿真相关的共通功能。因此，仿真群的所有系统都在基础功能框架上进行定制性开发，各个系统的关系模型如图2所示。

3.3系统群的信息协作机制的相关算法

仿真群的多系统间通过共享共通问题来支持可自动化升级处理方法。每个仿真系统定期访问仿真群的问题和版本管理服务器，当发现和自己的组合模块相关的问题和相应的解决版本时，根据系统设置决定进行人工决策或者系统自动化升级。具体实现机制如下。

3.3.1數据

（1）问题的相关信息：类型、级别和所属模块、存在版本和修正版本；（2）系统的版本信息：系统本身版本信息和系统的各个功能模块的版本信息；（3）系统设置：强制升级的问题类型[c1..cn]；（4）系统上次的检测时间DTc。

3.3.2问题检测算法步骤

（1）系统的每个模块Mi，Mi的模块版本为Vmi，预设Mi的问题解决版本Vsoli=Vmi，V循环处理（2）～（3）。

（2）搜索发现时间为DTc且问题种类限制为[c1..cn]且问题的所属模块为Mi的问题列表ProblemList。

（3）对ProblemList的每个问题Pri，对应的解决版本为Vpri，如果Vpri>Vsoli，则Vsoli=Vpri;

（4）如果Vsoli>Vmi，则模块Mi需要升级。

（5）汇总所有的需要升级Mi到Mupdate [0..K]和对应的版本Vupdate[0..K]。

4仿真系统群的实践应用

虚拟仿真项目群的实践应用是在开设《自然资源管理与监测》课程基础上展开，具体应用如下。（1）监管内容研究并形成研究分析报告：展开智慧监管方式、自然资源监管内容明确、自然资源监管内容分类、虚拟仿真的方式和虚拟仿真的范畴的研究，形成和不断完善丰富《自然资源管理与监测》的课程学习大纲以及自然资源智慧监管研究分析报告；（2）思政、双创与过程培养等统一模式保证：在项目群的建设过程中，通过统一功能模式，预先设置课程思政（提升学生的“爱党爱国”的觉悟）和双创教育（提高学生的创新意识）等统一功能，确定过程培养模式的一致性；（3）校内外高效推广：在建设和管理过程中，加强校内外的交流，根据实际情况有针对性地高效地推广项目群的应用；（4）持续收集反馈和改进：在项目的应用推广过程中，收集和整理来自项目多平台不同应用角色用户的使用反馈、多平台的应统一功能、多平台的可共通功能、和各平台的特色功能，形成优缺点对比和分析改进报告；在项目群内分享分析报告，从而更好促进新平台的开发和老平台的升级；（5）建立有效评价体系：项目群以自然资源监管的覆盖程度、学生实践学习的过程分析数据、学生学习效果数据和系统使用情况等为评价要素，建立相应的评价体系，从而给出定量化的指引；新系统的引入和評价反馈也不断促进评价体系的完善，从而形成相互促进的良性互动完善机制；（6）项目群信息协同：在不同应用的差别性基础上的进行应用的可扩展性的研究，为后续自然资源的其他可能的新领域监管提供快速适配参考和支持，从而形成项目群的协同测试和一定程度上的质量协同保证[12]；（7）共用框架：将生成项目群的不同应用的统一性和差异性的分析报告，在该项目群应用的统一性的分析报告基础上，形成虚拟仿真项目群的可共用的框架产品设计，编写产品设计报告，形成可对外演示的框架产品。

5成果和总结

5.1 应用成果

在2021年《基于无人机实景三维露天矿开采智慧监管虚拟仿真实验》虚拟仿真项目的校级平台基础上，根据自然资源监管的内容的特点，开始展开虚拟仿真项目的建设。项目群构建和相关应用展开后，在自然资源的安全监测领域上，又构建和申请了校级《基于物联网与GNSS的高层建筑形变监测》和《矿区生态修复规划及生态效益评估虚拟仿真教学系统》等多个虚拟仿真平台。多个平台的问题汇总和优化也反作用提高了原有的仿真项目的内容和质量，从而使得《基于无人机实景三维露天矿开采智慧监管虚拟仿真实验》得到省级一流课程的认可。这表明，项目群的构建和应用不仅有利于新的平台的构建，也有利于原有的平台的提高，形成良性循环。

在开发效率上，按照虚拟仿真系统平均在5大功能模块基础上，仿真群的项目可以共享思政和双创教育这个大功能模块以及国家虚拟仿真平台的对接工作。以仿真群的第1个项目和第2个项目对比为例，开发工作量从原来的18个人月减少到14个人月，开发效率[13]提升22.22%。同时，仿真群的第1个项目集成第1版本的Bug数量有83个；仿真群的第2个项目的集成第1版本的Bug数量平均为72个，项目质量[14]提升15.3%。

5.2.总结

项目群的整合构建和应用采用由“点”（单个虚拟仿真项目）到“面”（虚拟仿真项目群）的递进归纳汇总[15]，再由面推广到更多点的辐射性影响性提高的方法。

项目群的整合构建和应用的研究创新点在于：（1）把项目群的目标领域限定在自然资源智慧监管领域上，该领域是一个需求很实际的和专业学习相关性特别强的领域，为学生提供综合性和实践性强的学习训练机会；（2）通过建立虚拟仿真群，从而研究和识别出虚拟仿真群的多应用的统一性和差别性，形成虚拟仿真项目平台建设和测试等信息协同，从而提高平台建设效率，也有效的保证了平台建设的质量；（3）通过建立应用的可扩展性的研究，为虚拟仿真项目平台的升级发展提供了基础，从而有利于虚拟仿真项目的长期的应用与发展。

参考文献

[1] 杜晓明.基于云计算的协作式自主学习的实践[J].实验室研究与探索，2016，35（8）：171-173，211.

[2] 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统， 2018，24（1）：1-18.

[3] 陈军，刘万增，武昊，等.智能化测绘的基本问题与发展方向[J].测绘学报，2021，50（8）：995-1005.

[4] 王进峰，问丛川，花广如.面向概念、技术与应用的数字孪生综述[J].中国工程机械学报，2023，21（2）：112-116，133.

[5] 李胤，宋珂，王玉军，等.自然资源动态监测网络构建：以江苏省为例[J/OL].地质通报：1-14[2023-07-06].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4648.p.20230630.1558.004.html.

[6] 郝小艳.自然资源管理体制改革背景下复合型人才队伍建设研究[J].经济师，2022（6）：251-252，55.

[7] 饶维冬，张林杰，黄筱，等.RTK辅助的城市免像控无人机倾斜摄影建模分析[J].北京测绘，2022，36（9）：1151-1154.

[8] 逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虚拟仿真实验教学的基本问题与趋势[J].现代教育技术，2021，31（12）：61-68.

[9] 苏淼，李琦，冯留建.虚拟仿真技术在高校思想政治理论课教学中的应用[J].学校党建与思想教，2022（21）：57-59，91.

[10] 侯廷平，李钰，李新，等.“双一流”背景下材料研究方法Ⅱ课程教学改革初探[J].科教文汇，2022（17）：69-72.

[11] 吴瑞玉，张军，董葵.基于数据驱动的智能交通管理系统评价体系研究[J].道路交通管理，2022 （3）：30-33.

[12] 张福建.浅谈信息系统类项目群管理过程与实践[J].中国管理信息化，2021，24（9）：127-129.

[13] 苏浩，肖桃顺，孔瑞远，等.一种综合电子信息系统协同设计方法及效率评估模型[J].指挥控制与仿真，2018，40（4）：95-100.

[14] 陈翔，王莉萍，顾庆，等.跨项目软件缺陷预测方法研究综述[J].计算机学报，2018，41（1）：254-274.

[15] 李扬，单标安，费宇鹏，等.数字技术创业：研究主题述评与展望[J].研究与发展管理，2021，33（1）：65-77.