公路识图建模虚拟仿真软件申报书

序号： 编码： 第十五届“挑战杯”湖南大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书（盲评） 作品名称： 公路识图建模虚拟仿真软件 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类竞赛组委会制 2017 年 5月B3申报作品情况（科技发明制作）作品全称公路识图建模虚拟仿真软件作品分类（ B1） 信息技术（B1：计算机，B2：电信，B3：通讯，B4：电子，B5：其他） 作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标作品设计目的：识读工程施工图纸是公路专业领域中一项最基本、应用最多的职业能力，公路施工图识图课程是路桥相关专业的必修课程，担负着培养学生空间想象能力、绘制与阅读施工图纸的能力等重要任务。受课程特点、实践操作和见习条件限制，在公路施工图识图课程教学中，学生对施工图识图知识、技能依赖理论化方式进行学习，开展实践活动机会缺乏。虚拟仿真教学软件由于不受时间、空间、地域条件限制，以其安全性、交互性得到了广泛关注。利用主流三维游戏引擎Unity3d技术，设计公路识图建模虚拟仿真软件，实现以虚拟现实软件模拟的方式解决学生由于缺乏现场感观、实践操作而学习效率低的问题，促使理论教学向科学化的方向发展，提高教学效率。作品设计基本思路：以辅助公路施工图识图课程教学为目的，结合虚拟现实技术与理论教学的方法，依据行业规范，采用公路工程项目4个路段的真实案例，设计公路识图建模虚拟仿真软件。实现了公路施工图纸与实物相结合、公路场景漫游、人机交互式操作等功能，满足课堂教学和学生自主学习的需要。 作品设计的创新点：1.应用Web平台+Unity3d双重技术，实现了二维施工图纸与全三维的建筑仿真场景无缝衔接。2.将虚拟现实技术与公路识图相结合，实现了游戏化的公路识图建模教学环境，有效地控制学习识图的过程，帮助学生完成识图任务。3.采用三维虚拟仿真技术和网络多媒体交互技术，实现了公路场景模型的实时交互性，通过问答建模模式，用鼠标点击控制参数组装公路建筑模型。作品设计的技术关键：1.引入主流三维游戏引擎Unity3d，在公路识图建模虚拟仿真软件中实现三维场景显示方式为3d引擎实时渲染，场景尺寸、比例与内部结构严格按照真实公路工程场景和公路施工图纸制作。2.引入现代网络信息技术，网络环境下通过用户较低配置电脑操作，实现公路识图建模虚拟仿真软件应用功能，软件场景真实、显示效果逼真、画面流畅。3.公路场景模型具有实时的交互性，学生以第一人称视角漫游在预设路段的三维场景，可通过操作鼠标的选择或拖动与三维工程实体模型实时交互。作品设计的主要技术指标：公路模型的建立，公路模型的大小、面数以及模拟公路建筑形成的步骤是否准确，与实际施工图纸是否按比例呈现，交互程序的设计与实现。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）1.公路识图建模虚拟仿真软件具有逼真的全三维虚拟场景，与真实世界中的公路建筑实物从感观和属性比例上相一致，符合专业课程教学的内在联系和规律，反映公路施工图识图课程知识之间内在的联系和规律。2.在公路识图建模虚拟仿真软件中，对教学的语言进行扩展，把虚拟模型、虚拟构件以及各种公路建筑虚拟形成过程的现象，全部嵌入到虚拟场景中，作为一种“超文本”、“超图形”的具体学习对象而存在，学生以第一人称实现虚拟场景漫游和自主操作，形成同客观世界相对应的沉浸体验，使教学模式更直观生动。3.在公路识图建模虚拟仿真软件中，引入游戏化学习理念，设计符合学生要求的游戏化教学环境和学习任务，通过人物漫游和问答建模闯关模式，实现专业知识趣味化和“游戏化”学习，符合学生认知规律。4.在公路识图建模虚拟仿真软件中，虚拟公路建筑实物与学生之间通过鼠标或键盘进行实时交互，具有较强的操作性和交互性。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果获奖情况：1. 作品于2017年4月20日在2017年“挑战杯”湖南省直大学生创新创业创效大赛决赛中获得银奖。鉴定情况：1. 作品于2017年3月20日取得湖南省科技信息研究所颁发的查新报告（CX-20170067）。查新结果：未见与作品查新项目综合技术特点相同的文献报道。2. 作品于2017年5月02日取得中华人民共和国国家版权局颁发的计算机软件著作权登记证书（2017SR151997）。展示情况：1. 作品于2017年4月20日在湖南教育网发布新闻报道。作品所处阶 段D 已完成 技术转让方式面议作品可展示的形 式产品、现场演示使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明、市场分析和经济效益预测1.作品使用说明：公路识图建模虚拟仿真软件以真实公路案例场景为大环境，学生以第一人称视角漫游在预设路段的三维场景，逐步解析图纸内容，对预设路段工程实体模型进行自主构建操作，最终完成案例路段三维场景识图建模。(1)软件客户端运行环境基本配置。操作系统win7 32位、CPU Intel(R)Core(TM)i3-3240CPU3.4GHz、内存4GB、硬盘剩余20G、显卡NVIDIAGeForceGT450。(2)软件界面主要包含“任务指导书”、“地图引导”、“操作进度指引”、“教学资源”。如图1所示。软件通过“W、S、A、D”控制人物在三维场景中的“前进、后退、左移、右移”，通过鼠标“左键”进行选择、“右键”进行视角旋转，“滚轮”进行视角缩放。图1 软件主界面各主要功能说明如下：任务指导书概述公路识图建模的内容，并指引任务全程；地图引导指引图纸与虚拟场景相结合；操作进度指引将公路建模分为4个路段，标记路段建模的进度；教学资源包括位置还原、全屏显示、任务书、图纸。2.作品技术特点及优势： 公路识图建模虚拟仿真软件作为一款以真实公路案例场景为大环境，针对公路工程项目4个路段，依据行业规范，贯穿教学重难点，基于Unity3d技术开发，实现公路施工图纸与实物相结合、公路场景漫游、人机交互式操作等功能的仿真操作软件，辅助公路施工图识图课程教学，以虚拟现实软件模拟的方式解决学生由于缺乏现场感观、实践操作而学习效率低等问题。与公路施工图识图课程的现实教学系统相比，公路识图建模虚拟仿真软件具有较高的实用价值和现实意义：(1)克服了公路建筑施工现场实习、见习活动在时间和空间的限制，学生可以在计算机平台上利用软件辅助见习，教师针对教学内容进行演示操作等相关的教学活动。(2)降低了实践教学的成本和节省模型、挂图购置维护经费，一定程度上摆脱了安全、材料消耗、没有见习场地等方面的制约，按照教学需求或施工图纸进行反复演示或操作，让学生观看内部构造结构，正好弥补了现实施工中不可“复制、再生、切割”的这一缺陷。(3)把抽象的理论知识具体化，学生不但可以直观明了地观看整个公路建筑形成的过程，而且还能通过软件掌握二维图纸三维化识别的能力。3.作品适用范围：公路识图建模虚拟仿真软件的成功发布，不仅为公路施工图识图课程教师提供了有效的信息化教学资源，也为学生学习公路施工图识图知识与技能提供更具体的学习资源，可应用于路桥相关专业实际教学、培训项目和学生在线学习。同时，也可应用于公路建模过程的模拟等。4.作品市场效益预测：现代道桥工程具有技术含量高、结构形式多、工艺工序复杂、施工组织管理难度大等特点，介于虚拟现实技术的复杂性和教育特殊需求，目前尚未有任何高校、企事业单位开发公路识图虚拟仿真教学软件。采用主流三维游戏引擎Unity3d设计公路识图建模虚拟仿真软件具有良好的真实性和交互性等特点，技术难度适中，开发周期短，开发成本低。虽然虚拟现实技术不能代替完全真实工作实践操作，但根据我国教育信息化发展趋势，公路识图建模虚拟仿真软件在路桥相关专业教育教学有着广阔应用前景，可做数字化教学软件产品销售给开设路桥相关专业的高校。目前，公路识图建模虚拟仿真软件经过多家建筑虚拟仿真公司市场评估，以市场售价1万元价格合作销售。专利申报情况（须附专利复印件）已获中华人民共和国国家版权局的计算机软件著作权登记批准号 2017SR151997批准日期 2017年 5 月 02 日学校科研管理部门签 章（部门盖章） 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述作为一项新技术应用于教育教学领域，虚拟现实技术能为复杂的技能训练、宏观的效果设计、微观的解剖分析，动态的过程仿真等方面带来变革，这就为施工图识图课程教学方法提供新的思路。基于虚拟现实技术的教学系统与其他的教学系统有着很大的差别，虚拟世界是对现实世界的映射，人沉浸在其中，身体的各个感觉器官都在不同程度上接受着来自教学系统的信息，在这样逼真的教学环境中学习，人各方面的机能得到激发，在构建知识体系和激发学习兴趣等方面会更加有效。目前国内外在虚拟教学系统的理论与实践方面取得了研究成果：(1)可行性分析：董远林引用国家教育规划方针，结合高职建筑专业实训情况，指出开发仿真资源的必然性，建筑虚拟仿真资源的研发可以让学生足不出户进行实训。林徐润围绕虚拟仿真技术在高职实训教学中应用现状，分析虚拟仿真实训教学存在问题及发展新思路。(2)技术应用：Mukherjee使用虚拟现实技术实现通用于建筑管理教育的框架，学习者概括性地掌握建筑管理中各类因素的特点和相互关系，比如：建筑装饰材料、设计工艺、工程预算、劳动力、整个经营项目过程规划等方面做了系统罗列，直观统筹了整个流程。河南大学的教学改革项目对虚拟现实技术如何提高建筑施工学进行了分析四维CAD模型（三维模型和时间）与虚拟现实技术使学生主动地变换施工进程和方法，通过实验得出不同结果，然后进行对比，从而增加学生施工方法、施工顺序、场地设计和优化、工程安全等方面的经验。部分高校和学者研制了机械工程虚拟实验系统、建筑施工虚拟教学软件、工程图学虚拟实验室、采矿工程虚拟实验平台等，并已应用于实际教学或培训项目。(3)虚实比较研究：王海阐述了虚拟仿真技术在职业教育各课程中的典型应用，分析了虚拟仿真技术的优势。曹雷从虚拟现实技术特点出发，论证其在职业学校实训教学中的优势，并通过手工电弧焊虚拟环境进行应用实践。综上所述，现代公路工程具有技术含量高、结构形式多等特点，介于虚拟现实技术的复杂性和教育特殊需求，虚拟教学软件在场景构建与模型制作的精细度、过程仿真的真实度、虚拟技术与校园网结合、主流三