闽江流域生态鱼道虚拟仿真实验

(1）实验的必要性及实用性水利工程在防洪、发电、灌溉等方面为我国社会发展作出巨大贡献的同时，也不同程度地引起—些河流生态破坏的问题，其中拦水建筑物如拦水坝、水闸等水利设施的建设阻断了河流生态纵向廊道，影响原有河流水生物栖息地环境，严重阻碍鱼类涧游，破坏河流水生态环境多样性发展。因此国家在大力建设水利工程保障民生的同时，也越来越重视生态和环境保护。鱼道作为河流水生态保护与修复的有效工程措施之一，弥补工程对水生生态的损伤，在新水利工程建设中受到普遍重视。鱼道的设计，要考虑不同鱼类的上溯习性，包括利用水流条件吸引鱼类进入鱼道、满足鱼类依靠自身力量克服流速上溯等，同时还要考虑闸坝的不同运行方式导致的上下游水位组合，因此，鱼道进口及内部的水深、流速、流态等水力条件是设计的重点，往往需要通过大比尺模型试验进行测定。但由于下列原因，生态鱼道设计实验目前难以作为现场教学实验: ①实验规模大，鱼道模型实验由于模型比尺关系单体实验规模较大，实验硬件依存性较强，无法满足学生分组独立实验的需求，若作为演示实验，学生对鱼道结构的认知和相关知识点的体会只能浮于表面、理解不够深刻，从而对后续教学的顺利开展产生了一定的阻滞。 ②实验组织困难:现场实验场地复杂，存在高低差、大量用水、高功率用电问题，大量学生参与，则安全问题难以保证，同时学生对现场环境的不熟悉及实验观察操作过程的不规范易对现场模型、实验水泵等重要设备造成较大甚至是难以弥补的损坏，增加实验成本及影响实验的可持续性。 ③实验效率低下∶现场实验体量较大，水循环系统复杂，因此存在多点监测协调不易、流量调节耗时长、测量仪器操作难度大等限制，学生往往难以在有限课时时间内完成常规鱼道水流测量，更无法展开进—步探索。 ④实验拓展性差﹔实验中涉及鱼道结构选择，不同结构的模型安装难度较大、成本高且耗费时间，现场实验无法满足实验过程中多种鱼道类型的选择，学生对鱼道的学习就较为单一，对结构与水流的关系无法形成具体联系，掌握上会产生一定的学习局限性，亦限制学生对创新性、探索性实验的追求。因此，基于上述现场实验的不足因素，本实验教学项目将闽江流域第一座仿生态鱼道工程的模型实验数据和工程实际建设成果进行全过程虚拟仿真，全方位导入真实的实验现象、数据、分析、讨论，通过三维仿真技术教学实践平台的搭建，提高实验安全性、持续性、高效性、经济性、直观性、拓展性。 (2）实验教学设计本实验项目依托闽江流域第一座仿生态鱼道实际工程，基于B/S模式开发数据库，全方位导入真实的实验现象、数据、分析、讨论，通过基于BIM+3DGIS三维仿真技术+教学实践平台的搭建，开展沉浸式教学，对多种鱼道类型、不同水流工况、丰富的鱼类选择等进行直观的展示，再现鱼道各关键构造及参数选型的试验过程和结果。通过知识嵌入、方案设计、虚拟仿真、对比研究等多种方式相结合的螺旋式探索实践，加深对鱼道工程基本理论及设计方法的理解和掌握，并领悟人水和谐理念的精髓所在。 (3)实验系统的先进性 ①结合BIM、3DGIS、AI智能技术等多层次多方位的技术手段，模拟出三维虚拟现实教学场景，将基础理论和实验教学中抽象的、不容易描述的内容用VR、AI技术来呈现。 ②项目设计了闽江溷游鱼类选型、水流特征参数设置、鱼道结构参数设置以及测量分析四大模块，设置多种鱼道类型、不同水流工况、丰富的鱼类选择等，共计近50万种组合的实验结果，所有数据均根据模型实验和数值模拟结果真实地录入到系统数据库中，系统通过嵌入自主开发的大数据分析和人工智能深度学习算法，得到各种组合的实验结果，有效地还原和复演了工程实际的场景和成果。 ③基于此，根据实验操作者在实验过程中选择的相关参数，本系统开发了各实验步骤目标要求、阈值和目标达成度赋分模型，自动形成不同实验条件下和操作下各种可能产生的实验结果，并依据阈值和目标达成度赋分模型给出实验结论，真正实现虚实高度融合的沉浸式实验教学效果。 ④采用人脸识别技术，学生可刷脸登录，登陆后，学生可以直接通过语音实现人机智能交互，实验中，通过摄像记录学生实验情况，智能分析并形成学习专注度报告。

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硬件要求

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网络基本要求

带宽要求最低10Mbps，推荐50Mbps以上
延迟要求延迟小于100ms，抖动小于50ms
丢包要求丢包率小于2%

硬件配置要求

处理器 Intel Core i5-8代或同等性能AMD处理器
内存最低8GB，推荐16GB
存储 20GB可用空间，推荐SSD
显示器分辨率1920x1080以上
图形处理器 NVIDIA GTX 1060 / AMD RX 570 或更高

操作系统要求

Windows Windows 10 64位（1903或更高版本）
macOS macOS 10.15 (Catalina)或更高版本
浏览器 Chrome 90+、Firefox 88+（需启用WebGL 2.0）

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