虚拟仿真技术在“地下工程测量”实验教学中的应用研究

测绘与空间地理信息

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.４２ꎬＮｏ.１０Ｏｃｔ.ꎬ２０１９

虚拟仿真技术在“地下工程测量”实验

教学中的应用研究

周志富

(山西大同大学建筑与测绘工程学院ꎬ山西大同０３７００３)

摘要:地下工程因为其生产环境的特殊性ꎬ实际教学实践开展困难或勉强ꎮ虚拟仿真技术逼真ꎬ适用性强ꎬ被

用于开展巷道中线标定实验的虚拟仿真教学中ꎬ它大大激发了学生的学习兴趣ꎬ为学生提供了实验机会ꎬ实验教学效果很好ꎮ不足之处是实验的交互性有待进一步提高ꎮ关键词:地下工程ꎻ虚拟仿真ꎻ巷道ꎻ中线标定

中图分类号:Ｐ２５ꎻＧ６４２　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１６７２－５８６７(２０１９)１０－０２３３－０３

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅａｃｈｉｎｇｏｆ\"ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｕｒｖｅｙ\"

(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌꎬＳｕｒｖｅｙｉｎｇ＆ＭａｐｐｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｘｉＤａｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＤａｔｏｎｇ０３７００３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅａｃｈｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｏｒｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｕｎｄｅｒ￣ｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｌｉｆｅｌｉｋｅａｎｄｈａｓｓｔｒｏｎｇａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ.Ｉｔｗａｓｕｓｅｄｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｏｆｍｉｄ￣ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔａｎｙｔｉｍｅ.Ｉｔｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ.Ｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｉｓｔｈａｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｆｕｒ￣ｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｄ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｒｏａｄｗａｙꎻｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｄｌｉｎｅ

ｌｉｎｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｒｏａｄｗａｙ.Ｉｔｇｒｅａｔｌｙｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ'ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｌｅａｒｎｉｎｇ.Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｓｔｕｄｅｎｔｓｗｉｔｈｔｈｅｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔ

ＺＨＯＵＺｈｉｆｕ

０　引　言

地铁、隧道和地下矿山等都是重要的地下工程ꎬ也是测绘工程专业学生就业的重要领域ꎮ“地下工程测量”是大地测量学与测量工程方向的一门重要的必修专业课ꎬ重点培养学生在地下工程方面的相关测绘知识、技能和素养ꎬ该课程具有很强的实践性和实用性ꎬ其实验更是具有重要的地位ꎮ但实际的地下工程如矿山、隧道等生产一线是不允许学生去实践的ꎬ既影响生产又存在重大的安全隐患ꎬ而现实环境中建立仿真模型的费用高且缺乏多变性ꎬ故而实际中往往不能很好地开展实验ꎬ学生不能对工作场景有很好的认知ꎬ缺乏操作现场的学习资料ꎬ操作过程出现问题难以及时得到解决ꎬ特殊环境下的测绘技能和相关能力也得不到应有的锻炼ꎬ不利于老师进行及时有效的指导和评定ꎬ严重影响了教学效果[１]ꎮ虚拟

收稿日期:２０１８－１０－１５

仿真技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界ꎬ为使用者提供关于视觉等感官的模拟ꎬ让他们有身临其境的感觉ꎮ它为高校中真实实验无法开展ꎬ或成本高、消耗大、综合性强、创新性的实验提供了很好的解决思路[２]ꎮ虚拟仿真实验有应用于医学、生物、化学[３]和物理实验[４

－５]

这些实际开展成本高或有危险的ꎬ也有用于矿山

测量[１ꎬ６]和旅游[７]、计算机网络管理等这种依赖空间模型

和位置信息的课程的实验教学中的ꎮ前者强调更多的是实验的功能性ꎻ后者更关注空间的形象性ꎮ但都兼具建模和实验指导和交互功能ꎬ且都注重仿真实验的满意度[３

－４]

过在模型上进行实验的指导和交互ꎬ为学生的实验开辟了一种学习和实践的新途径ꎮ对进行虚拟实验后的满意度进行了调查ꎬ实际结果证明吸引了９０％以上学生在线学习的兴趣ꎬ学习效果和认可度很高ꎮ

ꎮ本文将虚仿真技术用于地下矿井环境的模拟ꎬ通

作者简介:周志富(１９８０－)ꎬ男ꎬ黑龙江讷河人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ２００８年毕业于辽宁工程技术大学大地测量学与测量工程专业ꎬ主要从事

工程测量与３Ｓ技术方面的教学工作ꎮ

２３４

测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年

１　实验简介

标定实验１)实验名称ꎮ

:“地下工程测量”课程中的巷道中线的测量２)”课中的重要实验内容实验的意义:地下巷道的中线的标定是ꎬ巷道水平投影的几何中心线“地下工程

就是巷道中线ꎬ标定巷道中线的目的在于控制巷道在水平面内的掘进方向ꎬ指导巷道施工ꎮ井下巷道的位置是根据设计图纸在实地标定出巷道的开切位置并给定巷道的掘进方向的[８]形测量３)、实验目的及要求ꎮ

工程测量方面的知识和仪器操作技能:该实验面向的学生已经具备地

ꎮ需要进一步加强以下方面的培养:了解巷道中线在巷道掘进中的作用ꎻ掌握地下巷(隧)道开切点、临时中线的标定方法ꎻ掌握地下直线巷道和曲线巷道中线的标定方法４)ꎮ

地下工程放样５)仪器设备精度要求:ꎬ标定的中线点精度满足巷道掘进要求:全站仪在已知点的、单棱镜３个、锤球７ｓ导线点基础上进行

、三脚架等ꎮꎮ

２　虚拟实验的设计和实施

本实验属于仪器类专业的虚拟仿真实验ꎬ教学内容

应该具有“先虚后实、以虚辅实、虚实结合”的特点[９]本实验按照以下主要步骤进行设计和实施ꎮ

ꎬ故２.１　模型的建立

用于建立三维模型或搭建虚拟场景的软件有很多、ｓｋｙｌｉｎｅ系列软件

ꎬ如有３Ｄｍａｘ

[４]

[１０]

的ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件ꎬ因为它建模操作简单且可以和ꎬ本文选择建模最简单

ＧＩＳ数据、ＣＡＤ数据进行转换[４]要利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件建立ꎮꎮ本次实验的地下巷道模型主首先ꎬ获取地下巷道的相关三维数据和二维平面图ꎬ将带有坐标的ＣＡＤ二维平面图在Ｓｋｅｔｃｈｕｐ中进行三维模型的建立和装饰ꎬ用来对地下工程环境进行模拟ꎮ本次的巷道有交叉和拐弯型的ꎬ没有起伏较大的巷道ꎬ完全满足中线标定的实验需求ꎮ此外ꎬ还依据实际尺寸比例建立了全站仪、单棱镜、锤球、点标记等的模型ꎬ以满足实验中对仪器和耗材的需求ꎮ

２.２　实验主要步骤

１)实验内容按照以下主要步骤开展实验简介

:

介绍本次实验的名称ꎬ目的要求、仪器设备、操作步

骤、预期成果ꎬ拟布置的课下任务ꎮ其中ꎬ实验主要内容包括:直线巷道中线的初步标定、直线巷道中线的精确标定、巷道中线延长、曲线巷道中线的标定４个主要内容ꎮ预期实现对巷道设计图上拟建巷道的掘进方向的标定ꎮ课下作业是对另外的拟建巷道进行中线的标定练习ꎬ留存操作视频和解说资料ꎮ

本次实验假设已经检查过设计图纸ꎬ确定测量方法是全站仪精确标定法２)ꎮ

在实验开相关规范和参考资料的学习

展前ꎬ通过煤矿测量规程[１１]和矿山测量

学[１２]相关内容的学习ꎬ明确实验实施的原理步骤的来源和内容ꎬ明确测量实施中的点数、距离要求、精度要求等参数ꎮ

３)通过对地上地下三维模型的浏览实验场景的熟悉

ꎬ使得学生对矿山

的地上地下建构筑物及联系通道有形象的认识ꎬ大致体会工作开展的流程和环境的危险性ꎬ提高对地下工程项目施工测量的形象性认识ꎬ加强对工作环境的认识ꎬ提高增强安全意识的自觉性ꎮ实验场景很好地增强了学生的实践意识ꎬ大大激发了他们严肃认真的学习兴趣ꎬ实验场景如图１、图２所示ꎮ

图１　工作场景认识图Ｆｉｇ.１　Ｗｏｒｋｓｃｅｎｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｍａｐ

图２　巷道认识图Ｆｉｇ.２　Ｌａｎｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｍａｐ

　　４)①实验操作:

确定标定数据直线巷道中线的初步标定

ꎬ首先ꎬ检查相邻导线点位置是否正确ꎻ然后ꎬ通过已知导线点ꎬ测设出开掘点附近的点Ａꎬ按照设计要求ꎬ标定出Ａ点附近的２个中线点后ꎬ在待开掘巷道口所作的侧壁上标定出第３个中线点ꎬ这组点指示巷道口的开掘平面位置ꎬ如图３所示ꎮ

第１０期

周志富:虚拟仿真技术在“地下工程测量”实验教学中的应用研究

２３５

图３　初步标定场景图

Ｆｉｇ.３　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｃｅｎｅｍａｐ

标定后开通巷道的结果如图４所示ꎬ左侧巷道被按照设计尺寸和位置挖掘出洞口ꎮ

图４　右侧巷道掘开后场景图

Ｆｉｇ.４　Ｓｃｅｎｅｍａｐａｆｔｅｒｔｕｎｎｅｌｉｎｇｏｎｔｈｅｒｉｇｈｔ

　　　　ｓｉｄｅｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ

②开门子后掘进直线巷道中线的精确标定

５—８ｍ后再测设两个标记点ꎬ和Ａ点作为一组精确中线点ꎬ也标记在顶板上ꎬ如图５所示ꎮ

图５　直线巷道中线精确标定场景图Ｆｉｇ.５　Ａｃｃｕｒａｔｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｃｅｎｅｏｆ　　　　ｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅｒｏａｄｗａｙ

需要标定一组中线点③巷道中线延长ꎬ:如图按照规范要求６所示ꎮ

ꎬ每掘进３５—４０ｍꎬ

图６　中线延长场景图Ｆｉｇ.６　Ｍｉｄｌｉｎｅｅｘｔｅｎｄｅｄｓｃｅｎｅｇｒａｐｈ

④在巷道需要拐弯的地方曲线巷道中线的标定

ꎬ一般在第一个曲线起点处先标定出中线点ꎬ前后再按照规定距离标定出２个中线点ꎬ组成一组３个点ꎮ如图７所示ꎮ

图７　曲线巷道中线标定场景图Ｆｉｇ.７　Ｃｕｒｖｅｄｒｏａｄｗａｙｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ

　　　　ｓｃｅｎｅｄｉａｇｒａｍ

２.３　实验总结

按照上文设计的实验思路和步骤进行实验ꎬ在操作模型的同时进行实验的讲解和与学生的交流互动ꎬ并将整个过程录制视频供更多学生学习使用ꎬ指导其实际操作ꎮ

将本次虚拟实验的资料交付测绘工程专业学生使用ꎬ共计９０人ꎮ设计了调查问卷ꎬ其中７０人满意ꎬ１０人基本满意ꎬ５人觉得没意思ꎬ５人觉得期待下次类似实验ꎬ并且其中有５人提出了改进建议ꎬ最终满意度是９１％ꎬ得到绝大多数学生的认可ꎮ学生对布置的任务也很有兴趣ꎬ完成的步骤清楚ꎬ讲解得明白ꎬ更多相关专业的对此感兴趣的同学也可以学习使用和评价ꎮ

以后会制作更多的仿真实验ꎬ进而建立仿真实验库ꎬ供更多学生随时学习、预习和复习ꎬ供其他老师教学交流ꎮ

３　结束语

针对地下工程测量实验的开展难度和重要性ꎬ本文以巷道中线的标定实验为例ꎬ将虚拟仿真技术应用到该实验中　　

ꎬ既可以模拟工作场景ꎬ也可以保障安全(下转第ꎬ２３８还利于页)

２３８

现势性ꎮ

测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年

产单位的需求进行教学内容的调整ꎬ以确保教学内容的

３.１　分阶段、分项目组织考核

学习该课程的学生应该严格执行基础知识考试＋技能的考核ꎬ技能考核的标准为国家相关规范ꎬ只有技能成果满足国家规范要求ꎬ才算成果合格ꎻ两项均合格才算考试通过ꎮ具体实施如下:

知识考核:依据教学进程ꎬ以课程的学习项目为单位进行考核ꎬ考核的方式采用机试ꎬ考核重点在于知识的应用ꎮ

技能考核:以个人为单位ꎬ按课程设计的实训项目逐一进行考核ꎬ主要考核学生对技能的掌握情况、自我完成实训的情况ꎬ以及对成果质量的把控情况等ꎮ

通过这种考核方式可以及时发现教学中存在的不足ꎬ掌握学生对各个知识点、技能点的学习掌握情况ꎬ指导后续的教学改进与完善ꎮ

３.３　“毕业生信息反馈＋企业调研”的课程评估

模式

课程内容的设计是否合理ꎬ是否能够满足当前生产单位“三维地理信息建模相关工作岗位”的实际工作需要是评价课程好坏的标准ꎬ而能够进行这方面评价最权威的就是毕业生和用人单位ꎮ为此ꎬ我们建立了毕业生信息档案ꎬ定期回收毕业生的反馈信息ꎬ定期组织人员到企业调研ꎬ以查找当前课程设计中所存在的不足ꎬ以便快速准确地做出调整ꎬ以适应当前测绘地理信息生产单位的需要ꎮ

４　结束语

通过以学生为本的课程设计理念ꎬ以项目导向、任务驱动为内容的课程设计ꎬ再加上教学做一体化为行动导向的教学方法等ꎬ学生通过该课程的学习ꎬ对地理信息三维建模的基本过程有了详细的了解ꎬ掌握了不同建模方法建立三维地理信息模型的基本技术ꎬ并通过可视化的方式展现出来ꎬ大大提高了学生的学习兴趣和学习效果ꎮ

３.２　“学校＋企业”的职业能力综合考核

这种考核主要是对综合实训的考核ꎬ在完成课程各个单项目教学学生具备了一定的理论知识和操作技能后ꎬ在我校的合作企业进行综合实训ꎬ并进行考核ꎮ在综合实训过程中ꎬ学校全程跟踪学生的生产实践过程ꎬ并填写«校内指导教师对学生校外实习的考核登记表»ꎻ实习单位填写«实习单位对学生校外实习的考核登记表»ꎬ表中应反映学生的实习表现、企业对学生实习过程的满意程度ꎻ学校根据学生综合实训在企业的表现和学生共同填写«校外三维地理信息建模综合实训成绩登记表»ꎮ考核的项目分基本情况、完成任务、理论水平、操作能力、行业作风、解决问题的能力、组织协调能力、综合评价等方面ꎮ

(上接第２３５页)

学生提前预习和反复练习ꎬ利于老师及时有效地指导和评估ꎬ取得了很好的教学效果和满意度ꎮ不足之处是实验是通过录制视频的形式发布到网上的ꎬ交互性有待进一步加强ꎮ

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