隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统在高职道桥专业教学中的应用

［摘           要］  为了解决职业院校道桥专业实习实训受场地、设备等的限制问题，杨凌职业技术学院建设了隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统。这一系统包含桥梁识图、桥隧施工、虚拟项目部与隧道漫游、隧道事故仿真VR体验等内容。虚拟仿真实训系统有区别于传统教学的诸多优势，可开展多门课程的实习实训，消除了传统教学方法重理论、轻实践的弊端，提高了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果，适应了职业院校高素质技术技能人才培养的需求，为职业院校人才的培养提供了很好的思路。

［关    键   词］  虚拟仿真实训系统；道路与桥梁工程技术专业；应用

［中图分类号］  G712                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）08-0113-04

高职院校实践教学是培养高素质技术技能人才的必备过程，但是由于条件的限制，有些实践教学无法全面开展。以我校道路与桥梁工程技术专业的施工实训为例，由于桥梁、隧道工程等往往远离城市，而且由于施工安全管理等因素，学生现场实习实训的机会很少，而校内的实训基地由于场地、经费等条件限制往往不能体验所有的实训环节。有的学校即使有较完善的实训场地，基本也无法让学生进行大部分的施工操作。随着现代科学技术的发展，虚拟仿真技术逐渐运用于各行各业。虚拟仿真技术具有三维沉浸、交互操作的优点，把虚拟仿真技术应用于实践教学，建立虚拟仿真实训系统，可以很好地解决以上难题。基于虚拟仿真技术的实训教学，其中实验环境与设备都是虚拟的，能够大大减少设备更新维护费用与实训场地费用。因此，近年来越来越多的高校建设了或者准备建设虚拟仿真实训系统。

我院在2018年建成了隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统。这一系统包含桥梁识图、桥隧施工、虚拟项目部与隧道漫游、隧道事故仿真VR体验等内容，可开展多门课程的实习实训。本文将阐述我院的隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统内容，以此来为职业院校实训教学方式提供参考，也为职业院校高素质技术技能人才的培养提供思路。

一、隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统的内容与功能

隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统共包含四大模块，每个模块又包含许多小模块。

（一）桥梁识图模块

桥梁识图模块主要包含空心板桥和T梁桥的桥面系、上部结构、下部结构三个部分。分为结构展示模块和钢筋构造模块，结构展示模块主要展示结构外形3D构造，与施工图相互配合显示。钢筋构造模块主要展示结构内部钢筋3D构造，与施工图相互配合显示。

软件采用三维仿真技术，按照实际工程等比设计，依照图纸模拟出桥梁整体3D模型，真实再现施工场景，使用对象能够以第一人称或第三人称的视角体验全三维仿真环境，体验过程中可以满足多种操作，自由行走，画面流畅。模型需展示地形地貌及项目模型，提供放大、缩小、旋转、点选漫游等功能，在典型位置提供构建模型内部剖切图；提供构件列表或构件树形菜单，可按构件名称快速查找和选择构件，选中部分构件可单独显示进行局部展示，并且能进行消隐或者透明显示操作（以便显示内部钢筋）；能够将钢筋和预应力钢筋整体呈现、局部呈现、单根呈现。

（二）隧道与桥梁工程仿真施工模块

仿真施工模块包括桥梁工程施工、隧道工程施工、测量工程、路桥检测等模块的仿真学习模式、教学模式、考评模式。

软件界面左上角工具栏为主要功能区，具备工具箱、资料库、视频库等功能，提供仿真项目实施时所需要的材料、工具、施工方案、图纸、各种记录和视频等其他资料，如图1所示。工具栏简介如下：

1.工具箱：系统工具箱中存放此次仿真程序中所需要用到的工具，主要根据性能以及使用方面的不同分别存放在材料库、设备库、工具库三个库中。

2.资料库：资料库是在施工过程中需要签署或者遵守的一些规章制度等文件，以保证整个项目可以安全、有序地进行下去，资料库中的内容可细分为四个类型，每个类型都存放着相应的文件，具体可归纳为施工方案、图纸、记录（安全交底记录、技术交底）。

3.视频库：视频库中详细地通过视频动画方式全面地演示了施工的整个过程，可以使学生更加透彻、清晰地了解施工流程以及注意事项。

4.题库：题库为针对本施工系统模块的学习内容，做一个简单的回顾复习，以此来测试对本章内容的掌握程度，达到加深记忆的目的。

5.在线平台：在线平台可链接到在线学习管理平台系统。界面详细介绍了考试学习系统安装的整个操作指南，可供教师学员参考。功能为便于学生的学习进度、个人信息管理以及交流沟通的便捷。平台分为管理端和学员端，可根据需求进行登录。

6.视角切换：视角切换主要根据不同的视角展现操作界面。可以从不同角度更加全面、准确地观察到操作细节，便于操作。

7.模式切换：隧道超前小导管支护施工系统中，模式切换主要分为三种，分别为仿真模式、教学模式、考评模式。下面将各个模式需要注意的操作事项进行详细说明。

仿真模式下，有语音提示，且需根据提示获取工具，点击可进入下一步操作，需按照工序操作，不可随意跳转。教学模式下，有语音提示，无须获取工具，点击即可进入下一步操作工序，且可随意跳转。考评模式下，无语音提示，需正确获得工具，点击即可进入下一步操作，需按工序操作，不可随意跳转。设有题库来测试对内容的掌握程度，达到加深记忆的目的。可根据自己的学习计划内容自由导入或导出资料。

8.导入/导出资料：可根据自己的学习计划内容自由导入或导出资料，导入时更改文件为资料库中相同的名称，便可替换之前的资料。

9.辅助工具箱：在该施工任务中将从工具库中取到的材料、工具放置在工具箱内，方便操作，同时方便了解该任务中所需用到的各种材料、工具，一目了然，如图1左下角所示。

（三）虚拟项目部与隧道漫游模块

主要包括隧道洞口漫游、隧道内部漫游、拌合站漫游、钢筋加工厂漫游、项目部漫游等6个模块。本软件统一运用了手动漫游系统，学生可以第一视角在隧道周边和隧道内漫游，在需要了解的各结构部位设置明显标记，学生点击后可学习隧道的组成及各结构的特点等相关知识。如点击钢拱架，可显示钢拱架的作用及组成；点击喷射混凝土，可显示喷射混凝土的作用及施工图片。

为了使操作的过程更明了地呈现出来，特意添加了动画展示的视角，当前期获取完资料以后进入动画节点的展示时，可以按下键盘“R”动画视角键位来切换成动画展示模式。

（四）隧道事故仿真VR体验模块

隧道事故仿真体验系统主要是以三维的方式模拟隧道洞口仰坡坍塌、洞顶塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、隧道内火灾、机械伤害等场景。并实现事故现象发生时，模拟在现场看到事故、有人受伤、出现死亡三种场景，同时系统需带有逼真的隧道外工地三维场景，可以实现对工地的三维查看和漫游。

隧道事故仿真体验系统能够使体验者身临其境地感受实际生活中难以体验的场景。多感知性、交互性、真实性能够给予体验者深刻的印象，强化体验者对隧道施工中安全事故的感性认识，从而有效避免隧道施工中事故的发生。

其中，多感知性指的是除了具有视觉感知外，还有听觉、触觉及运动感知。交互性指的是体验人员可以对软件模拟环境中的物体进行交互，如可拿起灭火器灭火。真实性指的是软件模块真实模拟现实世界物理运动。

二、隧道与桥梁工程虚拟仿真实训系统的教学优势

（一）设计了全方位系统化的实训项目来满足多项实训需求

1.在桥梁识图模块，把空心板梁桥和T梁桥两种桥型的上部结构、下部结构、桥面系所有结构都展示了出来，展示包含外形3D构造和内部钢筋3D构造。可满足桥梁构造、识图实训等课程的教学及实训。

2.在施工能力训练模块，共有桥梁施工、隧道施工、道路施工、路桥检测等模块的58个施工技能训练项目，系统地涵盖了典型桥梁、隧道、道路施工的整个施工流程，可以满足桥梁施工、隧道施工、公路施工、公路检测、施工实习等课程的教学及实训要求。

3.在虚拟项目部与隧道漫游模块，包含隧道洞口漫游、隧道内部漫游、拌合站漫游、钢筋加工厂漫游、项目部漫游等6个模块，还原了隧道的施工现场。让学生身临其境地体验施工现场，可满足认识实习的需求。

4.在隧道事故仿真VR体验模块，包含隧道常见的6项事故，可满足施工安全课程“隧道”部分的教学及实践。

而这些项目在实际中受到场地、资金等的限制，往往不能开展，形成了重理论、轻实践的情况，而有了系统化的虚拟仿真软件之后，可以把技能训练贯穿于从课程教学到实践教学的各环节，全面培养学生的技能。

（二）高仿真动画展示标准施工工艺，以对接行业标准

依托于真实工程，3D还原出桥隧工程典型结构及构件的标准施工工艺。采用高仿真动画的方式展示施工细节，并以文字和语音加以解说，重现施工场景。工艺流程按照国家规范、施工工艺标准施工，根据所提供的施工图纸真实还原施工步骤，做到了教学过程与行业标准与规范的对接。

（三）采用游戏通关的方式进行施工能力训练，以提升学习兴趣

施工工艺展示模块遵循分项工程结构展示→施工准备（场地准备、资源准备和技术准备）→施工流程→操作步骤的任务表达方式，进入单个任务模块下进行学习操作时，操作任务本身需以案例工程为依托，结合标准的现场施工工艺流程，以具体化施工步骤的方式进行，学生必须调取系统为当前任务所配置的施工机具、材料，工具与材料放在相对应的位置才能进行下一步，而且每成功地做完一步会得到相应的分数，最终一步一步完成该项施工操作任务。在切换到考评模式时会出现该项目所用到的试题，答完试题后关闭试题，然后进行动画操作。操作完提交成绩可以得出在考评模式下所得到的相应分数。这有点类似于通关游戏，学生完成后会比较有成就感，也能提高学生的实训兴趣。

同时在进行每个任务时，可以点击“工作内容”“岗位职责”按钮查看该任务工作内容及其岗位职责（用文字信息展示现场施工技术人员岗位职责，包括技术员、安全员、试验员、测量员、资料员等），做到了技能训练与岗位职责的对接。

（四）立体化多视角展示结构构造，以帮助学生理解复杂结构

软件采用三维仿真技术，按照实际工程等比设计，依照图纸模拟出桥隧结构3D模型，真实再现施工场景。提供放大、缩小、旋转、点选漫游等功能，在典型位置提供构建模型内部剖切图。提供构件列表或构件树形菜单，可按构件名称快速查找和选择构件，选中部分构件可单独显示或进行局部展示，并且能进行消隐或者透明显示操作（以便显示内部钢筋）。能够将钢筋和预应力钢筋整体呈现、局部呈现、单根呈现。在识图实训和施工实训环节，点选漫游可以有助于学生理解桥梁、隧道等复杂结构的立体构造及内部钢筋的构造，帮助学生更容易看懂施工图纸。

（五）借助VR技术使学生身临其境体验工程事故，以增强安全意识

隧道事故仿真体验系统主要是以三维的方式模拟隧道洞口仰坡坍塌、洞顶塌方、突水突泥、瓦斯爆炸、隧道内火灾、机械伤害6种事故场景，能够使体验者身临其境地感受实际生活中难以体验的场景。这种犹如亲临现场的灾难场景给体验者极大的冲击，加深体验者对隧道施工中安全事故的感性认识，从而产生敬畏之心，在工作中能有意识地避免隧道施工事故的发生。