一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用

1.本发明属于虚拟仿真技术领域，尤其涉及一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用。


背景技术：

2.现有技术中，以演示为主的传统实验教学模式已不能满足工科人才的培养要求，培养全新工程科技人才势在必行。
3.明渠流是重要的水流现象之一，其衔接方式复杂多样。高校水力学实验教学中一般设置“明渠水面线实验”、“水跃实验”、“堰流实验”、“闸孔出流实验”等单项实验，主要以演示为主兼顾学生动手能力，尚存在诸多不足：(1)实验教学与工程实践脱节，在水流衔接方式、流动特性上差异较大；(2)实验室实验装置和控制条件的局限性，同实际明渠相比渠道断面形状不同，水深、流量等均较小，无法全面再现真实尺度的明渠工程及水流现象；(3)实验教学案例单一，单项实验各自独立分割了各水流现象的联系，综合性差；(4)仪器数量有限，学生参与度低。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)传统实验教学手段具有局限性，工程尺度实验成本高、消耗高、实际运行困难。
6.(2)现有技术实验教学设备可重复使用效果差，实验周期长，且实验不可逆等，实验效率低下。


技术实现要素：

7.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用。
8.所述技术方案如下：一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，包括：
9.实验介绍模块，用于获取实验目的、实验原理、考核知识点及实验步骤数据信息，并设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路不同视角用于识别工程背景和实验场景图像；
10.基础知识模块，用于获取明渠、水工建筑物的体型和参数数据信息，以及获取水位、流速及流量量测仪器的工作原理数据信息；
11.实验设计模块，用于获取自主选择的上游底坡、下游底坡、堰型、闸门型式可变参量，进行实验设计工况的设置；
12.现象观测模块，用于获取自主选择的来水流量、闸门开度、下游水位可变参量，进行运行工况的设置，形成有序的明渠流动信息；还用于获取明渠水面曲线和水跃衔接形式、闸孔出流、堰流局部水流现象信息；以及还用于依次循环实验设计模块设置的实验设计工况和设置的运行工况，再次形成有序的明渠流动信息，得到新的水面曲线和局部水流现象图像；
13.智能计算模块，用于智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量变量，绘制出闸孔出流或堰流的流量-作用全水头关
系曲线图，并获得流量和作用全水头之间的关系，以及通过采用水位量测获取量测仪器适用条件及使用方法信息；
14.实验考核模块，用于通过输入的思维训练、理论和操作考核数据，生成并导出实验报告，进行可视化示出。
15.在一实施例中，所述实验介绍模块还用于获取不同水工建筑物布置、不同运行工况及取水调度情况下水面曲线变化规律及局部水流现象的信息。
16.在一实施例中，所述基础知识模块包括：
17.水工建筑物三维仿真模块，用于获取明渠及平板闸门、弧形闸门、宽顶堰、实用断面堰水工建筑物三维仿真模型，以及还用于将获得的水力参数、公式和文字进行配对组合；
18.量测仪器三维仿真模块，用于获取水位、流速和流量量测仪器三维仿真模型，并进行水位、流速和流量量测仪器的名称、用途和适用范围配对组合。
19.在一实施例中，所述实验设计模块进行实验设计工况(实验工况包括“实验设计工况”和“实验运行工况”；实验设计工况包括4个参数，在“实验设计模块”选择；实验运行工况包括3个参数，在“现象观测模块”选择)的设置，包括上游明渠底坡、下游明渠底坡、堰型和闸门型式实验设计工况，其中实验设计工况上游和下游明渠底坡选择范围均为0.00003-0.00008(间隔0.00001)，实验设计工况堰型包括宽顶堰和实用断面堰，实验设计工况闸门型式包括平板闸门和弧形闸门。
20.在一实施例中，所述现象观测模块包括：
21.进行实验运行工况设置，包括来水流量、闸门开度和下游水位实验运行工况，其中实验运行工况来水流量选择范围为0.5-5m(间隔0.5m)，实验运行工况闸门开度选择范围为15-135m3/s(间隔15m3/s)，实验运行工况下游水深选择范围为1.5-5m(间隔0.5m)；
22.通过明渠水面曲线水力模拟计算，获取明渠水面曲线信息；
23.通过放水河节制闸处局部水流现象仿真模拟，以翻转卡牌形式获取实验工况的局部水流现象，并通过三维仿真动画，获取不同出流现象及水跃衔接形式，以及获取不同类型局部水流现象剖面图及水力参数示意图。
24.在一实施例中，所述智能计算模块包括：
25.智能水力模拟模块，自动计算得到水力模拟实验数据，结合工程实际运行随机选择实验工况并自动计算随机模拟实验数据，实验数据包括水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，用于绘制出闸孔出流或堰流的流量-作用全水头关系曲线图，获取流量和作用全水头之间的关系；
26.水位量测模块采用虚拟现实手法，进行量测仪器适用条件及使用方法模拟。
27.具体的，智能计算模块还用于：
28.水力模拟实验数据：智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，至少10组实验工况，后“归类”保留同类数据，如10组中保留6组同类数据；
29.随机模拟实验数据：结合工程实际运行，系统随机生成同类实验工况，智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、流量系数、作用全水头及出流流量，同水力模拟实验数据共保留至少10组数据；如在6组水力模拟实验数据基础上，随机生成4组随机模拟实验数据，最终得到10组同类实验数据；
[0030]“曲线”：出现闸孔出流或堰流流量-作用全水头散点图，并绘制平滑的关系曲线。
[0031]
在一实施例中，所述实验考核模块中生成并导出实验报告包括：根据操作准确度和完整度分步打分；结合现象观测模块和智能计算模块的功能进行考核题、思考分析考核题的设置，获取最后得分，生成并导出实验报告。
[0032]
本发明的另一目的在于提供一种支撑所述明渠水流衔接虚拟仿真实验平台运行的实验系统，从上至下包括：
[0033]
数据层，用于设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息实现对相应数据的存放和管理；
[0034]
支撑层，用于数据信息的运行、维护和管理；
[0035]
通用服务层，用于提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验；
[0036]
仿真层，用于进行相应水工建筑物和量测仪器建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供仿真器，并为上层提供实验结果数据的格式化输出；
[0037]
应用层，基于底层的服务，用于明渠水流衔接虚拟仿真实验教学与数据信息共享。
[0038]
本发明的另一目的在于提供一种明渠水流衔接虚拟仿真实验方法，所述明渠水流衔接虚拟仿真实验方法，采用精细化3d建模、水流动画仿真和人机交互技术进行场景的搭建及水流现象的还原；包括以下步骤：
[0039]
搭建实验场景三维仿真全景、制作三维仿真模型，并通过三维仿真动画，还原水工建筑物的体形结构、工作原理及运行实况；
[0040]
进行交互程序的设计，实现在虚拟场景中的漫游行走以及实验过程中的交互选择；同时通过创建wet texture maps，仿真模拟各种动态、自然波动的水流流态，实现工程尺度复杂水流现象的还原。
[0041]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述明渠水流衔接虚拟仿真实验平台的功能。
[0042]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
[0043]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：
[0044]
针对目前缺少有关明渠水流衔接的大型综合训练实验的现状，提出了一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台及其实验方法，集国家重大工程虚拟仿真、水工建筑物和量测仪器仿真模拟、交互设计、虚拟实验结果自动生成、图形绘制、实验步骤自动打分、实验报告自动生成于一体，是具有良好创新性、交互性、自动化和扩展性的虚拟仿真实验教学平台及其实验方法，具有以下有益效果：
[0045]
真实性：本发明紧密结合国家重大工程，搭建南水北调中线京石段三维仿真场景和水工建筑物、量测仪器三维仿真模型，注重虚实结合，解决工程尺度实验落地困难的问题。
[0046]
综合性：本发明将传统单项实验整合为综合设计实验，利用智能水力模拟技术模拟不同类型明渠水面曲线及各类水流衔接方式，代替了传统线下“明渠水面线实验”、“水跃
实验”、“堰流实验”和“闸孔出流实验”等单项实验，实现不同水流现象有机衔接。
[0047]
灵活性：本发明设置明渠上下游底坡、堰型、闸门型式、来水流量、闸门开度和下游水位7个可变参量，通过智能水力模拟得到67500组实验工况和8类局部水流现象，设计新颖的循环式实验过程，通过自主设计改变实验参量得到不同类型明渠水面曲线和水流衔接方式，增强实验趣味性和对明渠水流知识的系统性认知。
[0048]
可视性：本发明利用三维水流仿真动画模拟各种动态、自然波动的水流流态，呈现不同类型局部水流现象的动态变化，实现工程尺度复杂水流现象的直观展示。
[0049]
交互性：本发明具有良好的人机交互操作和界面，直观反映实验参数改变过程、明渠流形成过程、知识掌握程度等；具有良好的人人交互特性，充足的实验工况激励操作者相互联动，分组协同，探索更多的水流衔接样式，培养操作者思考和解决实际问题的能力。
[0050]
经济性：本发明可重复使用，没有时间、地点和使用次数的限制，传统线下“明渠水面线实验”、“水跃实验”、“堰流实验”、“闸孔出流实验”等单项实验一般共需7个学时且需在水力学实验室完成，本发明仅需2个学时并可通过手机、电脑等设备随时随地完成，突破传统实体实验的时空限制和周期长、不可逆等问题，提高实验效率。
[0051]
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0052]
本发明坚持以需补实、能实不虚和虚实结合的原则，借助虚拟仿真实验平台将专业教学与虚拟现实技术深度融合，通过灵活多样的交互环节，提出一种全新的实验方法和教学方式是水利工程专业实验教学改革的新路径。
[0053]
本发明利用深度融合知识逻辑与工程实践，将传统单项实验整合为综合设计实验，实现了不同水流现象有机衔接，提升实验效率和效果。
[0054]
第三、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0055]
(1)本发明的技术方案转化后可开放共享，用于全国高校的水力学本科教学实验，同时用于社会应用机构进行员工培训和社会宣传等，转化后具有较大的预期收益和商业价值。
[0056]
(2)国内以往进行明渠水流衔接实验均为操作线下“明渠水面线实验”、“水跃实验”、“堰流实验”和“闸孔出流实验”单项实验，存在时空限制、周期长和不可逆等问题，本发明的技术方案填补了明渠水流衔接虚拟仿真实验教学内容和技术领域的空白，将传统单项实验整合为综合设计实验，借助虚拟仿真技术打造立体化教学资源，创新智能型教学实践模式，补了国内外业内教学方面的技术空白。
[0057]
(3)理想的水力学实验教学应以典型的重大水利工程为背景，现场认知工程尺度的水流现象、利用先进的仪器量测水力指标、通过智能算法进行水力计算、通过智能设计进行多种水流现象的有机组合。但因工程尺度实验成本高、消耗高、实际运行困难，目前无该类大型综合训练实验。本发明的技术方案借助虚拟仿真实验平台将专业教学与虚拟现实技术深度融合，成功解决了一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题。
附图说明
[0058]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
[0059]
图1是本发明实施例提供的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台示意图；
[0060]
图2是本发明实施例提供的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台原理图；
[0061]
图3是本发明实施例提供的支撑明渠水流衔接虚拟仿真实验平台运行的实验系统原理图；
[0062]
图中：1、实验介绍模块；2、基础知识模块；3、实验设计模块；4、现象观测模块；5、智能计算模块；6、实验考核模块；7、数据层；8、支撑层；9、通用服务层；10、仿真层；11、应用层。
具体实施方式
[0063]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0064]
一、解释说明实施例：
[0065]
本发明实施例提供一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，包括：
[0066]
实验介绍模块1，用于获取实验目的、实验原理、考核知识点及实验步骤数据信息，并设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路不同视角用于识别工程背景和实验场景图像；
[0067]
基础知识模块2，用于获取明渠、水工建筑物的体型和参数数据信息，以及获取水位、流速及流量量测仪器的工作原理数据信息；
[0068]
实验设计模块3，用于获取自主选择的上游底坡、下游底坡、堰型、闸门型式可变参量，进行实验设计工况的设置；
[0069]
现象观测模块4，用于获取自主选择的来水流量、闸门开度、下游水位可变参量，进行运行工况的设置，形成有序的明渠流动信息；还用于获取明渠水面曲线和水跃衔接形式、闸孔出流、堰流局部水流现象信息；以及还用于依次循环实验设计模块3设置的实验设计工况和设置的运行工况，再次形成有序的明渠流动信息，得到新的水面曲线和局部水流现象图像；
[0070]
智能计算模块5，用于智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量变量，绘制出闸孔出流或堰流的流量-作用全水头关系曲线图，并获得流量和作用全水头之间的关系，以及通过采用水位量测获取量测仪器适用条件及使用方法信息；
[0071]
实验考核模块6，用于通过输入的思维训练、理论和操作考核数据，生成并导出实验报告，进行可视化示出。
[0072]
实施例1
[0073]
如图1所示，本发明实施例提供一种明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，采用精细化3d建模、水流动画仿真和人机交互等技术进行三维场景的搭建及水流现象的还原，包括实验介绍模块1、基础知识模块2、实验设计模块3、现象观测模块4、智能计算模块5和实验考核模块6。
[0074]
所述实验介绍模块1，包括实验概况和实验背景，用于介绍实验目的、实验原理、考核知识点及实验步骤，设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路三个视角用于工程背景和实验场景认知；
[0075]
所述基础知识模块2，包括水工建筑物和量测仪器，用于认知明渠、水工建筑物的体型和参数，认知水位、流速及流量量测仪器的工作原理；
[0076]
所述实验设计模块3，包括明渠设计和建筑物设计，用于自主选择上游底坡、下游底坡、堰型、闸门型式等可变参量，完成实验设计工况设置；
[0077]
所述现象观测模块4，包括实验运行工况(其中，实验工况包括“实验设计工况”和“实验运行工况”；实验设计工况包括4个参数，在实验设计模块3进行选择；实验运行工况包括3个参数，在现象观测模块4进行选择)设置、明渠水面线和仿真动画，用于自主选择来水流量、闸门开度、下游水位等可变参量，完成运行工况设置，形成合理有序的明渠流动；用于观察明渠水面曲线，放大观察水跃、闸孔出流、堰流等局部水流现象；用于依次循环设计工况和运行工况设置，再次形成合理有序的明渠流动，得到新的水面曲线和局部水流现象，进行不少于10组工况；
[0078]
所述智能计算模块5，包括：智能水力模拟模块，自动计算得到水力模拟实验数据，结合工程实际运行随机选择实验工况并自动计算随机模拟实验数据，实验数据包括水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，用于绘制出闸孔出流或堰流的流量-作用全水头关系曲线图，获取流量和作用全水头之间的关系；
[0079]
水位量测模块采用虚拟现实手法，进行量测仪器适用条件及使用方法模拟。
[0080]
示例性的，智能计算模块5还用于：水力模拟实验数据：智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，至少10组实验工况，后“归类”保留同类数据，如10组中保留6组同类数据；
[0081]
随机模拟实验数据：结合工程实际运行，系统随机生成同类实验工况，智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、流量系数、作用全水头及出流流量，同水力模拟实验数据共保留至少10组数据；如在6组水力模拟实验数据基础上，随机生成4组随机模拟实验数据，最终得到10组同类实验数据；
[0082]“曲线”：出现闸孔出流或堰流流量-作用全水头散点图，并绘制平滑的关系曲线。
[0083]
所述实验考核模块6，包括思考分析和实验报告，用于进行思维训练、理论和操作考核。
[0084]
其中，如图2所示，是本发明实施例提供的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台原理。
[0085]
实施例2
[0086]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，实验介绍模块1中实验概况包括实验目的、实验原理、考核知识点和实验步骤。实验目的为了解实际工程条件下明渠水流特征，掌握不同水工建筑物布置、不同运行工况及取水调度等情况下水面曲线变化规律及局部水流现象；实验原理为(1)明渠非均匀流水面曲线变化规律，(2)水跃及其发生位置，(3)闸孔出流水流现象，(4)堰流水流现象；考核知识点为(1)熟悉明渠，熟悉闸和堰等水工建筑物，掌握水深、流速和流量等水力要素的量测方法，了解常用量测仪器的使用方法，(2)掌握明渠典型水面曲线及变化规律，(3)熟悉水跃现象，掌握水跃特征以及描述水跃的水力指标，(4)熟悉闸孔出流现象，掌握闸孔出流特征，掌握闸孔出流计算公式，(5)熟悉堰流现象，掌握堰流特征，掌握堰流计算公式；实验步骤如图2所示。
[0087]
进一步地，实验介绍模块1中实验背景介绍实际工程背景并进行三维虚拟场景演示，明渠水流衔接虚拟仿真实验以南水北调中线工程京石段为背景，选取京石段河北境内
唐河节制闸-放水河节制闸-蒲阳河节制闸渠段，该段为明渠输水，渠道横断面为梯形断面，长度38.9km，边坡系数2.5，糙率0.014；设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路三个视角用进行虚拟场景演示，全景视角说明实验时主视角位于放水河节制闸、唐河节制闸控制上游来水流量、蒲阳河节制闸控制下游水位，局部视角观察放水河节制闸场景，巡视视角置身于放水河渡槽三维虚拟场景，沉浸式体验渡槽结构。
[0088]
实施例3
[0089]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，基础知识模块2中水工建筑物包括明渠及平板闸门、弧形闸门、宽顶堰、实用断面堰等水工建筑物三维仿真模型，认知体型和水力参数，后将水力参数、公式和文字以拖动配对的形式进行组合，考核掌握程度。
[0090]
进一步地，基础知识模块2中量测仪器包括水位测针、超声波液位计、毕托管、旋桨流速仪、adv多普勒流速仪、adcp多普勒流速剖面仪、量水堰、孔板流量计、电磁流量计、超声波流量计等水位、流速和流量量测仪器三维仿真模型，认知量测仪器用途及适用范围，后将仪器名称、用途和适用范围以拖动配对的形式进行组合，考核掌握程度。
[0091]
实施例4
[0092]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，实验设计模块3中明渠设计针对上游渠段和下游渠段分别设定底坡坡度，设计范围均为0.00003-0.00008，滑动间隔0.00001，上、下游底坡可自由进行组合，完成上、下游渠段底坡自主设计。
[0093]
进一步地，实验设计模块3中建筑物设计针对放水河节制闸设定堰型和闸门型式，其中堰型包括宽顶堰和实用断面堰，闸门型式包括平板闸门和弧形闸门，完成堰型和闸门型式自主设计，至此，完成实验设计工况设置。
[0094]
实施例5
[0095]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，现象观测模块4中明渠水面线，设定放水河节制闸闸门开度、上游来水流量和下游水深，其中闸门开度涉及范围为0.5-5m(滑动间隔0.5m)、上游来水流量设计范围为15-135m3/s(滑动间隔15m3/s)和下游水深设计范围为1.5-5m(滑动间隔0.5m)，完成运行工况自主设计，形成合理有序明渠流；后台程序进行明渠水面曲线水力模拟计算，绘制该实验工况下水面曲线图，观察水面曲线变化规律。
[0096]
示例性的，现象观测模块4还通过明渠水面曲线水力模拟计算，获取明渠水面曲线信息；
[0097]
通过放水河节制闸处局部水流现象仿真模拟，以翻转卡牌形式获取实验工况的局部水流现象，并通过三维仿真动画，获取不同出流现象及水跃衔接形式，以及获取不同类型局部水流现象剖面图及水力参数示意图。
[0098]
进一步地，现象观测模块4中局部水流现象针对上述实验工况进行放水河节制闸处局部水流现象仿真模拟，以翻转卡牌形式弹出该实验工况的局部水流现象，点击后进入相应的三维仿真动画，观察不同出流现象及水跃衔接形式，可放大查看不同类型局部水流现象剖面图及水力参数示意图，学习水力参数计算方法；其中，出流现象包括闸孔自由出流、闸孔淹没出流、堰流自由出流和堰流淹没出流，水跃衔接形式包括远驱水跃、淹没水跃
和弱水跃，8张卡牌对应8类仿真动画：宽顶堰闸孔自由出流远驱式水跃、宽顶堰闸孔淹没出流淹没式水跃/弱水跃、宽顶堰堰流自由出流远驱式水跃、宽顶堰堰流淹没出流弱水跃、实用断面堰闸孔自由出流远驱式水跃、实用断面堰闸孔自由出流淹没式水跃、实用断面堰闸孔淹没出流弱水跃、实用断面堰堰流淹没出流弱水跃。
[0099]
进一步地，第一组实验工况完成后弹出提示“为认知不同水流类型及水跃类型，探求水跃、闸孔出流和堰流流动特点及计算公式，请进行不少于10组实验”，依次重复实验设计模块3和现象观测模块4循环设计实验工况，进行实验设计工况(上下游底坡、堰型、闸门型式)和运行工况(闸门开度、来水流量、下游水深)设置，再次形成合理有序的明渠流动，得到新的实验工况和相应的水面曲线、局部水流现象，需进行不少于10组工况才可进入下一步骤。
[0100]
实施例6
[0101]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，智能计算模块5智能水力模拟中水力模拟实验数据为上述实验过程中记录的实验结果(至少10组)，根据实验工况参数，后台运行程序自动计算得到闸孔出流或堰流流量系数、作用全水头及出流流量，若形成水跃，则计算得到跃前水深、跃后水深和跃长；通过“归类”按钮依次按照堰型和出流现象进行归类，剔除掉数量少的组合，保留同类工况条件下的实验结果。
[0102]
进一步地，智能计算模块5智能水力模拟中随机模拟实验数据为系统后台自动给出的随机实验工况，结合工程实际运行数据随机选择实验工况，后台运行程序自动计算得到闸孔出流或堰流流量系数、作用全水头及出流流量，若形成水跃，则得到跃前水深、跃后水深和跃长；点击“随机模拟实验数据”和“删除”按钮，同水力模拟实验数据共保留至少10组实验工况及结果；在此基础上，绘制闸孔出流或堰流流量-作用全水头关系曲线。
[0103]
进一步地，智能计算模块5中水位量测利用虚拟现实方法进行水位量测，深入掌握量测仪器适用条件及使用方法，具体包括(1)跃前水深：水尺量测，水尺贴于实际场景闸门出口处，直接观察并读数，(2)跃后水深方法一：行至量测水位处，利用便携式水尺，放置量测并读数，(3)跃后水深方法二：依据实际场景，渡槽中逐段已安置超声波液位计，行至量测水位处，读取液位计读数并记录。
[0104]
实施例7
[0105]
基于实施例1记载的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台，进一步地，实验考核模块6中思考分析通过设置单选题和多选题，进行思维训练和理论考核。
[0106]
进一步地，实验考核模块6中实验报告记录各个实验步骤，根据操作准确度和完整度分步打分；结合现象观测模块4和智能计算模块5中根据具体实施方案设置的步骤考核题、思考分析考核题，获取最后得分，生成并导出实验报告。
[0107]
在上述实施例中，本发明实施例提供的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台紧密结合重大工程，借助三维仿真实际工程环境，模拟真实渠段和水工建筑物，通过水流动画仿真再现工程尺度复杂水流现象，使操作者切实感受实际工程的运行；
[0108]
优选地，本发明实施例提供的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台充分的设计选择空间，设置上下游底坡、堰型、闸门型式、来水流量、闸门开度和下游水位7个可变参量，形成67500组海量工况，通过智能水力模拟技术每组工况对应一组实验结果，将传统明渠水面线、水跃、闸孔出流、堰流等传统单项实验整合为综合性设计实验，实现不同水流现象有机
衔接；
[0109]
优选地，本发明实施例提供的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台在实验设计模块3和现象观测模块4中采用新颖的循环式实验过程，将67500组实验工况归纳为8类局部水流现象，规定需自主设计不少于10次循环设计实验工况，即得到第一类局部水流现象后，需思考如何改变各参量才能解锁其他类型，积累充足的实验结果才能进入下一步，从而探讨不同类型明渠非均匀流水面曲线变化规律、水跃衔接形式及出流现象的相互转换，通过人机交互在辅助操作者掌握明渠水流知识方面体现出独特的智能性和创新性；
[0110]
优选地，本发明实施例提供的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台提供新颖的分组制实验模式，由于工况充足激励操作者相互联动，分组协同练习，以期获得更多的水流衔接样式，实现人人交互的研究探索模式；
[0111]
优选地，本发明实施例提供的明渠水流衔接的虚拟仿真实验平台在现象观测模块4和智能计算模块5步骤中，根据具体实施方案设置考核题，结合实验考核模块6，通过人机交互辅助掌握明渠水流知识。
[0112]
实施例8
[0113]
如图3所示，本发明实施例提供的支撑明渠水流衔接虚拟仿真实验平台运行的实验系统共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟仿真实验环境的构建。下面将按照从上至下的顺序分别阐述各层的具体功能：
[0114]
数据层7，明渠水流衔接虚拟仿真实验平台涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。
[0115]
支撑层8，是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心实验系统，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。
[0116]
通用服务层9，即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、互动交流、实验报告管理等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。
[0117]
仿真层10，主要针对该项目进行相应水工建筑物和量测仪器建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。
[0118]
应用层11，基于底层的服务，最终明渠水流衔接虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该实验系统的应用层11具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层10提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向用户开展实验教学应用。
[0119]
实施例9
[0120]
本发明实施例提供一种明渠水流衔接虚拟仿真实验方法，采用精细化3d建模、水流动画仿真和人机交互等技术进行场景的搭建及水流现象的还原；包括以下步骤：
[0121]
利用autocad和autodesk 3ds max搭建实验场景三维仿真全景、制作三维仿真模型，后通过after effects制作三维仿真动画，高度还原水工建筑物的体形结构、工作原理
及运行实况；
[0122]
利用virtools软件进行交互程序的设计，实现在虚拟场景中的漫游行走；
[0123]
为真实模拟水流运动形态，展示不同水跃衔接形式及出流现象，选用流体动力学模拟软件realflow，模拟各种实验工况水流运动状态，后导入3dmax软件中进行照明和渲染，实现水流仿真；
[0124]
同时通过创建wet texture maps，仿真模拟各种动态、自然波动的水流流态，如水跃、堰流及闸孔出流等，实现工程尺度复杂水流现象的直观教学。
[0125]
实施例10
[0126]
本发明实施例还提供一种明渠水流衔接虚拟仿真实验方法，即通过明渠水流衔接虚拟仿真实验平台的六个模块实现仪器认知、实验操作、数据分析和水流现象规律探索四个层次的递进式实验方法，所述方法包括以下步骤：
[0127]
s101：在浏览器中访问教学平台登录网址，经账号密码登录后进入该平台，打开课程及实验；
[0128]
s102：浏览实验介绍模块1的实验概况，依次点击实验目的、实验原理、考核知识点和实验步骤进行认知；
[0129]
s103：浏览实验介绍模块1的实验背景，观察南水北调中线京石段工程背景及其三维仿真场景，认知相关明渠参数，依次点击“全”、“局”和“巡”按钮，观察工程实际全景、放水河节制闸局部场景及放水河渡槽槽身三维仿真动画，其中巡视视角通过方向键游览渡槽；
[0130]
s104：浏览基础知识模块2中的水工建筑物，认知明渠及平板闸门、弧形闸门、宽顶堰、实用断面堰等水工建筑物；对于平板闸门、弧形闸门、宽顶堰和实用断面堰，通过点击界面右侧笔形按钮，在右侧框标注各指标相应的位置，掌握水工建筑物相关参数；点击右上角考核按钮进行考核，将水力参数、公式和文字以拖动配对的形式进行组合，完成水工建筑物知识的考核；
[0131]
s105：浏览基础知识模块2中的量测仪器，认知水位测针、超声波液位计、毕托管、旋桨流速仪、adv多普勒流速仪、adcp多普勒流速剖面仪、量水堰、孔板流量计、电磁流量计、超声波流量计等水位、流速和流量量测仪器；点击右上角考核按钮进行考核，将仪器名称、用途和适用范围以拖动配对的形式进行组合，完成量测仪器知识的考核；
[0132]
s106：进行实验设计模块3的明渠设计，针对唐河节制闸至放水河节制闸段、放水河节制闸至蒲阳河节制闸段分别设定渠段底坡坡度，完成上、下游渠段底坡自主设计；
[0133]
示例性的，渠段底坡的上、下游底坡分别选择0.00004和0.00007；
[0134]
s107：进行实验设计模块3的建筑物设计，设定放水河节制闸选择堰型和闸门型式，完成堰型和闸门型式自主设计；
[0135]
s108：进行现象观测模块4的运行工况，设定放水河节制闸闸门开度、上游来水流量和下游水深，完成运行工况自主设计，形成合理有序明渠流；
[0136]
示例性的，分别选择闸门开度0.5m、上游来水流量60m3/s和下游水深2m，完成运行工况自主设计，形成合理有序明渠流，即实验工况；
[0137]
s109：得到现象观测模块4的明渠非均匀流水面曲线，点击“确定”按钮闸门开启，后台程序进行明渠水面曲线水力模拟计算，点击“水面线”按钮，弹出该实验工况的水面曲线图，观察水面曲线变化规律；
[0138]
s110：观察现象观测模块4的仿真动画，点击“仿真动画”按钮，后台进行局部水流现象仿真模拟，以翻转卡牌形式弹出该实验工况的局部水流现象，点击进入相应的仿真动画，观察不同出流现象及水跃衔接形式；
[0139]
s111：观察现象观测模块4的局部水流现象，放大查看不同类型局部水流现象剖面图及水力参数示意图，根据所学知识判断闸孔出流、堰流不同出流现象和远驱式水跃、淹没式水跃、弱水跃等不同水跃衔接方式，掌握水力参数计算方法；
[0140]
示例性的，通过实验工况宽顶堰平板闸门条件下闸孔自由出流，放大查看该类型局部水流现象剖面图及水力参数，掌握水力参数计算方法。
[0141]
s112：循环实验过程，重复步骤s106～步骤s111，依次循环设计工况(底坡、堰型、闸门型式)和运行工况(闸门开度、来水流量、下游水深)，至少形成9组新的实验工况，得到新的水面曲线和局部水流现象，点亮相应的仿真动画卡牌；
[0142]
s113：分析智能计算模块5的水力模拟实验数据，记录并显示重复步骤s106-步骤s111所得的实验数据(至少10组)，后台运行程序自动计算得到闸孔出流或堰流流量系数、作用全水头及出流流量，若形成水跃，则计算得到跃前水深、跃后水深和跃长；点击“归类”按钮，依次按照堰型和出流现象进行归类，剔除掉数量少的组合，保留同类工况条件下的实验结果；
[0143]
s114：分析智能计算模块5的随机模拟实验数据，结合工程实际运行，系统随机生成实验数据，共保留至少10组数据；点击“曲线”按钮，出现闸孔出流或堰流流量-作用全水头散点图，手动绘制平滑的关系曲线；
[0144]
s115：进行智能计算模块5中水位量测深入掌握量测仪器适用条件及使用方法，基于最后一组实验数据利用vr进行水位量测，具体包括(1)跃前水深：水尺量测，水尺贴于实际场景闸门出口处，直接观察并读数，(2)跃后水深方法一：行至量测水位处，利用便携式水尺，放置量测并读数，(3)跃后水深方法二：依据实际场景，渡槽中逐段已安置超声波液位计，行至量测水位处，读取液位计读数并记录；
[0145]
s116：进行实验考核模块6的思考分析，回答选择题进行理论考核；
[0146]
s117：保存实验过程，检查实验完整度，核对实验结果，自动得到实验分数，生成实验报告。
[0147]
示例性的，本发明实施例提供的明渠水流衔接虚拟仿真实验方法中，步骤s106至步骤s114中选择参数和随机生成实验数据，用户可根据本发明的构思做出诸多修改和变化，得到相应的技术方案实施结果，皆在本技术的保护范围内。
[0148]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0149]
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0150]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的
单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0151]
二、应用实施例：
[0152]
应用例1
[0153]
本发明实施例提供的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台及其实验方法可以应用于教学、技能培训、教学资源配置与管理等方面。
[0154]
应用例2
[0155]
本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
[0156]
应用例3
[0157]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
[0158]
应用例4
[0159]
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
[0160]
应用例5
[0161]
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
[0162]
应用例6
[0163]
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
[0164]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
[0165]
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。