Представляем адаптированный и немного сокращенный перевод статьи французских авторов (Abdallah et al., 2025), посвященной использованию виртуальной реальности (ВР) для обучения инженерно-геотехническим изысканиями их оптимальному планированию. Эта статья находится в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0 на официальном сайте французского электронного архива HAL Open Science, который обеспечивает всеобщий бесплатный доступ к результатам научных исследований из всех областей знаний. Лицензия CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) позволяет распространять, переводить, адаптировать и дополнять эту работу при условии указания типов изменений и ссылки на первоисточник. В нашем случае полная ссылка на источник для представленного перевода приведена в конце.
В статье рассматривается программный тренажер GeoSim, разработанный как ВР-инструмент для проектно-ориентированного обучения инженерно-геотехническим изысканиям. GeoSim позволяет студентам виртуально участвовать в изысканиях для строительства здания. При необходимости они могут получить доступ к кратким, но важным для них мультимедийным учебным материалам, напоминающим об общем подходе к работе и о стандартных методах испытаний. GeoSim представляет собой экономически выгодную и логистически доступную альтернативу за счет отсутствия ограничений, характерных для традиционных методов обучения. Ключевой особенностью для развития навыков принятия решений здесь является возможность студентов итеративно изменять свой первоначальный выбор и последовательно улучшать создаваемую модель грунтового основания. Ожидается, что использование тренажера GeoSim значительно улучшит знания и навыки обучающихся, что сделает его ценным ресурсом для образования в области геотехники.
Инженерно-геотехнические изыскания имеют решающее значение для обеспечения безопасности и долговечности возводимых зданий и сооружений. Для развития и оценки навыков студентов инженерных специальностей необходимо, чтобы применяемые в образовании традиционные методы, направленные в основном на теоретические аспекты, дополнялись проектно-ориентированным обучением. Такое обучение помогает студентам делать обоснованный выбор методов лабораторных и полевых испытаний, а также планировать размещение инженерно-геологических скважин и точек испытаний на строительных площадках.
Обучение студентов-геотехников практике проведения изысканий является очень важным для соблюдения баланса между оценкой и снижением рисков и сокращением стоимости проектов при их будущей работе. Однако затраты на оборудование и техническое обслуживание, необходимые для проведения геотехнических полевых испытаний, часто превышают объемы финансирования, доступные образовательным учреждениям. В результате преподавательские коллективы вынуждены прибегать к использованию упрощенного оборудования для практических занятий, организация которых все равно остается дорогостоящей и сложной и, кроме того, зависит от погодных условий и доступности строительной площадки. Компании-партнеры иногда организуют демонстрации работ непосредственно на объектах, но это также сложно устроить, тем более с учетом учебного расписания, загруженности компаний и доступности площадок.
Последние достижения в области технологий виртуальной реальности (ВР) и доступность адаптированных аппаратных решений открывают многообещающие перспективы для образования. В работе [1] представлен всесторонний обзор применения ВР в инженерном образовании с охватом широкого спектра приложений и описанием как преимуществ, так и недостатков данных технологий. В указанной статье отмечается, что в большинстве приложений основной упор делается на визуальную эстетичность и привлекательность интерфейса виртуальной реальности и высказывается мнение о том, что в будущих разработках следует учитывать эффективность обучения на основе эмпирически проверенных педагогических теорий.
Для решения этих проблем именно в области инженерно-геотехнических изысканий был разработан ВР-тренажер GeoSim – программная среда, в которой моделируется реальная площадка строительства промышленного здания. Этот тренажер можно использовать со стандартным ВР-шлемом или на персональном компьютере, планшете и смартфоне. Он предназначен для обеспечения возможности интерактивного участия студентов в планировании и проведении виртуальных изысканий.
Учебная программа по геотехнике в Высшей национальной школе геологии Университета Лотарингии (Франция) сочетает теоретические курсы с практическими занятиями (см. таблицу). Один из практических курсов посвящен экспериментальной механике грунтов. Он позволяет студентам освоить современные методы идентификации и испытаний грунтов. При любой возможности с помощью компаний-партнеров организуются выезды на строительные площадки и демонстрации геотехнических испытаний в полевых условиях. В рамках учебных программ, посвященных геотехнике и анализу устойчивости геотехнических объектов (оснований, фундаментов, тоннелей, подпорных сооружений, откосов), теоретические курсы дополняются проектно-ориентированным обучением. В ходе этих занятий студентам предоставляются данные о свойствах грунтов и ставятся задачи по проектированию. Преподавателей часто спрашивают о том, как именно были получены эти данные и как проводятся изыскания. Отвечая на эти вопросы, они опираются на теоретические положения и анализ конкретных случаев из практики.
Таблица. Учебные курсы геотехнического профиля в Высшей национальной школе геологии Университета Лотарингии
Развитие у студентов навыков проведения инженерных изысканий требует многократного выполнения практических задач, охватывающих самые разные типы площадок и проектов. Это подразумевает вовлечение обучающихся в полный цикл работ – от планирования и интерпретации результатов рекогносцировочных изысканий до непосредственного проектирования объекта строительства. Многократная практика, построенная на итеративных циклах обратной связи и доработок, бесспорно, является наилучшим способом оценить для себя последствия решений, которые могут принимать инженеры при выборе методов испытаний и точек размещения скважин. Организация подобных занятий требует очень больших ресурсов и обычно не соответствует возможностям кафедр и уровням доступности оборудования. Интересным решением, позволяющим достичь необходимых результатов обучения изысканиям с учетом логистических и финансовых возможностей университетов, является разработка инструментов на основе виртуальной реальности.
В упомянутом выше обзоре [1] по использованию виртуальной реальности в образовательных целях ВР-технологии были разделены на неиммерсивные (с частичным погружением или его отсутствием) и иммерсивные (с полным погружением). Авторы этой работы отметили, что студенты инженерных специальностей в процессе обучения часто сталкиваются с трудностями, связанными с пониманием абстрактных понятий и визуализацией сложных трехмерных конфигураций. Для преодоления этих трудностей очень полезны неиммерсивные технологии ВР, в то время как иммерсивные обеспечивают более высокую степень взаимодействия для получения опыта работы в условиях, более близких по восприятию к реальным.
Иммерсивные технологии открывают интересные возможности в том числе для обучения студентов в сфере гражданского строительства и геотехники. Сферические камеры (с углом обзора 360°) способны фиксировать изображения в пределах всего окружающего пространства путем объединения кадров, снятых двумя полусферическими линзами (направленными вперед и назад). Затем программные инструменты позволяют получить трехмерное изображение запечатленной обстановки. Конечный пользователь может погрузиться в эту реконструированную среду с помощью ВР-шлема или просто экрана персонального компьютера, планшета или смартфона. Он может выполнять 3D-перемещения и повороты в этой ВР-среде. Также могут присутствовать дополнительные мультимедийные материалы (фотографии, видеоролики, тексты, звуки), помогающие обогатить опыт обучаемого и предоставить ему возможности для взаимодействия.
Использование ВР-шлема обеспечивает гораздо более глубокий эффект присутствия, чем плоский экран компьютера, планшета или смартфона, который требует от пользователя дополнительных операций для взаимодействия с ВР-средой. Но можно использовать простые недорогие ВР‑очки, которые помогут получить более иммерсивный опыт.
В работе [2] рассказывается о том, что в Университете Аделаиды (Австралия) эти технологии применяются для виртуальных посещений площадок строительства разнообразных объектов, что дает студентам широкие возможности получения знаний и навыков. В частности, в рамках представленного в этой работе образовательного проекта были виртуально воссозданы три удаленных друг от друга многоэтажных здания, причем для удобства пользователей в модель была интегрирована функция «телепортации», позволявшая избегать длительных и неинтересных переходов между объектами.
Авторы статьи [3] разработали интерактивный виртуальный тренажер для имитации буровых работ, в котором пользователю предлагается выполнить бурение и отбор образцов керна, следуя инструкциям виртуального руководителя, с упором на технику безопасности и предотвращение рисков. Этот тренажер был создан в среде разработки видеоигр путем интеграции реалистичных по восприятию трехмерных моделей строительных площадок и буровых установок для инженерных изысканий, а также сценариев с фиксированным набором вариантов взаимодействий.
В работе [4] исследовалось применение технологий виртуальной (ВР) и дополненной (ДР) реальности для повышения эффективности преподавания основ геотехники. Ее авторы разработали трехмерные и анимационные модели для построения диаграмм фазового состава грунтов, выполнения трехосных испытаний образцов в консолидированно-недренированном и консолидированно-дренированном состоянии и испытаний на прямой сдвиг, анализа гранулометрического состава ареометрическим методом, а также для определения критерия прочности Мора – Кулона.
Стоит отметить, что технологии ВР и ДР находят все более широкое применение в корпоративном обучении. В геотехнической сфере это включает обучение технике безопасности и снижению рисков на строительных площадках, а также работе со сложным оборудованием, таким как тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК). Однако в научной литературе мало сведений об отзывах геотехнических компаний о результативности такого подхода.
В статье [5] представлен обзор литературы по использованию ВР и ДР в корпоративном обучении и отмечено, что данные технологии явно находятся на стадии активного развития, однако эффективность их применения зависит от уровня цифровых навыков целевой аудитории. Авторы указанной работы рекомендуют внедрять искусственный интеллект для повышения общего качества обучения благодаря проактивной оптимизации выполнения заданий.
Наиболее сложным аспектом использования ВР-технологий в образовании, в том числе в сфере геотехники, является согласование опыта выполнения заданий в ВР-среде с планируемыми результатами обучения [6]. Этот аспект имеет решающее значение для восприятия студентами самого процесса обучения с помощью виртуальной реальности. Центральное место в оценке развития их профессионализма занимает хорошо разработанный реалистичный сценарий, позволяющий им итеративно совершенствовать свои навыки.
Кроме того, при создании ВР-среды необходимо учитывать вопросы охраны здоровья [6]. Наиболее серьезной проблемой является киберукачивание, возникающее из‑за противоречивых восприятий: глаз видит движение и передает эту информацию в мозг, а вестибулярная система его не ощущает. Профилактические рекомендации включают сокращение продолжительности работы в виртуальной реальности с учетом технических характеристик используемых наголовных устройств.
Выбранная строительная площадка расположена на территории экспериментального хозяйства «Ля ферм де Ля Бузюль» (фермы «Ля Бузюль»), принадлежащего Национальной высшей инженерной школе агрономии и пищевой промышленности Университета Лотарингии. Эта площадка находится в 12 км к северо-востоку от города Нанси (рис. 1). На ней предполагается построить трехэтажное административно-производственное пристроенное здание с площадью пятна застройки 20 м × 15 м. Его конструктивная схема включает две боковые несущие стены и одиннадцать колонн (рис. 2). В таблице 2 приведены расчетные нагрузки для данного объекта. Конечная задача студента заключается в проектировании фундаментов для всех конструктивных элементов этого здания на основе программы инженерно-геотехнических изысканий, которую ему предстоит составить самостоятельно.
Рис. 1. Расположение строительной площадки и проектируемого здания
Рис. 2. Схема размещения конструктивных элементов проектируемого здания. Условные обозначения: C1 – колонны с квадратным поперечным сечением (0,30 м × 0,30 м), C2 – колонны с прямоугольным сечением (0,60 м × 0,30 м), W – несущие стены с сечением 0,60 м × 15,00 м
Таблица 2. Расчетные нагрузки на конструктивные элементы проектируемого здания (см. рис. 2)
На основе предварительных камеральных исследований ожидалось, что грунтовое основание включает поверхностный слой пылеватой глины мощностью 3–6 м, подстилаемый мощным слоем глины, и что уровень грунтовых вод находится на глубине 2–3 м. Для получения эталонных экспериментальных данных для тренажера GeoSim были выполнены реальные изыскания по специальной программе, которая включала:
Было пробурено две скважины в двух удаленных друг от друга точках в пределах пятна застройки. Также были доступны результаты некоторых дополнительных испытаний грунтов из скважин, пробуренных вблизи площадки ранее.
Относительно простое геологическое строение участка позволило с высокой точностью построить модель грунтового основания до глубины 15 м. Результаты изысканий и моделирования подтвердили наличие поверхностного слоя пылеватой глины мощностью 4 м и подстилающего его слоя глины до глубины более 15 м, а также расположение уровня грунтовых вод на глубине около 2,5 м.
Для разработки тренажера GeoSim потребовалось провести несколько фото- и видеосъемок. В частности, один съемочный день был организован при поддержке Géotec Group – одной из ведущих французских компаний в сфере геотехники, консалтинга и проектирования оснований, которая предоставила две буровые установки и испытательное оборудование, а также направила старшего инженера и двух техниковдля выполнения работ.
В целях создания 3D-изображений площадки и буровой техники использовалась сферическая камера Insta360 Pro 2.
Для 2D-съемки применялась камера Panasonic GH5s.
Редактирование фотоснимков и видеозаписей выполнялось с помощью программ Adobe Photoshop и Adobe Premiere Pro.
На рисунке 3 представлены некоторые из полученных фотографий.
Рис. 3. Некоторые из фотографий, полученных при съемках (вверху – полевые испытания, внизу – лабораторные)
В одной пятиминутной видеозаписи проиллюстрирован общий процесс инженерно-геотехнических изысканий, включая камеральные исследования, выезд на площадку и установку оборудования. Семь двухминутных видеороликов посвящены полевым испытаниям (динамическому и статическому зондированию, прессиометрии) и лабораторному этапу изысканий (идентификации грунтов, испытаниям в одометре, в срезном приборе, на трехосное сжатие). Студентам также предоставляются конспекты лекций, ссылки на веб-сайты и другие учебные материалы.
Для создания ВР-среды использовалась платформа для разработки игр Unity. Данная платформа была выбрана благодаря наличию в ней расширенных функций, обеспечивающих интерактивное взаимодействие в 360-градусном виртуальном пространстве с помощью активных кнопок и других элементов управления, а также возможности встраивания изображений и видеозаписей.
Программный тренажер GeoSim разработан как обучающая платформа, состоящая из четырех модулей (рис. 4). Основная цель его создания заключается в предоставлении студенту стандартной траектории обучения с моделированием различных этапов реальных инженерно-геотехнических изысканий для рассмотренного выше проекта строительства трехэтажного административно-производственного здания. Дополнительная цель состоит в том, чтобы обучающийся мог при необходимости получить информацию по общей методологии организации изысканий с использованием мультимедийных материалов (слайд-презентаций, текстовых документов, видеороликов, интервью) и ознакомиться таким образом с общими подходами к размещению скважин и с наиболее часто используемыми методами испытаний или закрепить свои знания. На рисунке 5 приведены скриншоты дополнительных учебных материалов, представленных в библиотеке системы управления обучением (СУО) Moodle. Пользователь может свободно переходить к этим материалам из любого модуля тренажераGeoSim и возвращаться обратно.
Рис. 4. Блок-схема рабочего процесса вGeoSim
Рис. 5. Скриншоты дополнительных учебных материалов, представленных в системе управления обучением Moodle: слева – стоп-кадр видеозаписи прессиометрического испытания, справа – схема проведения прессиометрического испытания на вертикальном разрезе грунтового основания и его графический результат
Стандартный рабочий процесс в GeoSim начинается в виртуальной комнате для встреч с приветствия и презентации технического задания по проекту, которую проводит виртуальный представитель заказчика (рис. 6). Пользователю предоставляются архитектурно-строительные чертежи и значения проектных нагрузок для будущего здания, а также геологические и топографические карты, данные по точному местоположению и результаты аэрофотосъемки для площадки строительства. На данном этапе обучающемуся предлагается провести предварительные камеральные исследования, включая поиск любых доступных дополнительных данных, которые могли бы быть нужными для проекта. Необходимо оценить общее геологическое строение и использовать полученную информацию для предварительного планирования соответствующих изысканий.
Рис. 6. Скриншот интерфейса программного тренажера GeoSim, демонстрирующий виртуальную комнату для встреч во время презентации проекта
После этого пользователь «телепортируется» на виртуальную площадку для ее визуального обследования. Он может осмотреть этот участок и отметить любые полезные особенности, проверить доступность для испытательного оборудования, выполнить GPS-измерения для расчета расстояний и высотных отметок, а также выбрать точки расположения инженерно-геологических скважин. Для каждой намеченной точки предлагается определить максимальную глубину исследований и выбрать методы испытаний, которыми могут быть:
Чтобы улучшить понимание студентами финансовых аспектов изысканий, в GeoSim отображается расчетная стоимость использования выбранных методов.
На основе имеющихся результатов реальных полевых и лабораторных исследований и испытаний преподаватель запускает в серверной части генерацию данных в соответствии с запросом обучающегося. Эти данные формируются программно путем добавления случайного шума, согласующегося с естественной изменчивостью грунтовых условий
Затем студент перенаправляется в систему управления обучением Moodle для получения результатов запрошенного комплекса изысканий. Ему предлагается проверить эти данные, выявить любые несоответствия и выполнить необходимые интерпретации для построения модели грунтового основания с присвоением расчетных значений параметров каждому слою. Этот финальный этап завершается загрузкой готового отчета по инженерно-геотехническим изысканиям в СУО Moodle, где его проверяет преподаватель. После проверки обучающийся при необходимости может снова повторить весь процесс для улучшения результатов изысканий.
Чтобы вовлечь студентов в активное обучение и улучшить их навыки в составлении оптимальной программы инженерных изысканий, их побуждают циклически повторять описанный процесс, например меняя количество и типы точек испытаний и опробования. Допустим, они могут начать с трех скважин и двух видов испытаний, а затем на основе первоначальных результатов перейти к четырем скважинам и трем видам испытаний. Такой подход помогает сформировать понимание того, как важно соблюдать баланс между количествами скважин и испытаний и необходимой для конкретного проекта точностью, в то же время контролируя затраты на изыскания.
GeoSim был разработан как прототип программного тренажера для демонстрации реализуемости и эффективности рассматриваемой концепции обучения. Теперь планируется создание его улучшенной версии. Рассматриваются в том числе следующие направления дальнейшего его совершенствования:
· добавление в виртуальную среду площадок с более сложными геологическими/геотехническими условиями;
· включение в ВР различных типов строительных объектов, в частности линейных сооружений, таких как автомобильные и железные дороги, насыпи и тоннели;
· интеграция встроенного модуля для генерации данных, что позволит автоматически формировать результаты испытаний с учетом литологических особенностей и изменчивости параметров грунтов в соответствии с условиями, заданными преподавателями.
Усилия, необходимые для интеграции в виртуальную среду GeoSim дополнительных площадок с условиями повышенной сложности и новых строительных объектов помимо фундаментов (таких как насыпи, откосы, подпорные сооружения), будут относительно небольшими. Библиотека ресурсов является достаточно полной. Необходимо только разработать материалы по новым проектам, а также обновить модуль генерации данных для работы с новыми литологическими условиями.
В статье рассматривались концепция, цели, этапы разработки программного тренажера GeoSim, а также ожидания от его дальнейшего использования в образовании. Этот инструмент предназначен для повышения эффективности обучения студентов методам проведения инженерно-геотехнических изысканий для строительства.
Первая цель заключалась в разработке ряда ресурсов для их применения в качестве учебных материалов при обучении стандартным методам геотехнических испытаний. Вторая – в создании ВР-симулятора реальных инженерно-геотехнических изысканий для строительства здания. Заложенный в программу сценарий позволяет студентам в ходе итераций совершенствовать свои знания и навыки по выбору подходящего количества инженерно-геологических скважин и эффективных методов исследований и испытаний для построения модели грунтового основания, необходимой при проектировании фундамента, с одновременной оптимизацией затрат на изыскания.
Разработанный инструмент представляет собой прототипВР-тренажера, который можно без больших усилий дополнять моделями площадок строительства других объектов с более сложными условиями.
На момент написания данной статьи разработка тренажера GeoSim еще не была завершена. Ее планировалось довести до конца в августе 2025 года и бесплатно представить готовый продукт в открытом доступе по лицензии Creative Commons (CC) для всех, кто заинтересован в его использовании.
Основным языком интерфейса этого тренажера является французский, но будут систематически добавляться переводы на английский язык для текстов и видеоматериалов (в виде субтитров).
—
Выражаем благодарность Французскому национальному исследовательскому агентству (ANR) за финансовую поддержку в рамках Лотарингского проекта по созданию цифровой среды для общедоступного, интерактивного и совместного обучения (PLEIADES) по гранту № ANR-21-DMES-0010. Мы очень признательны команде специалистов по аудиовизуальным средствам цифровой службы Университета Лотарингии за неоценимую техническую и концептуальную помощь при проектировании и разработке тренажера GeoSim. Благодарим коллектив компании Géotec Group за большую поддержку, а также руководство Государственной высшей школы агрономии и пищевой промышленности (ENSAIA) Университета Лотарингии за предоставленный доступ к строительной площадке.
Abdallah A., Cuisinier O., Masrouri F. Enhancing geotechnical site investigation and project-based education through virtual reality: the GeoSim experience // Proceedings of the 6th International Conference on Geotechnical Engineering Education “Charting the path toward the future”, Nancy, France, July 2–4, 2025 (Geotechnical Engineering Education 2025). 2025. P. 329–338. HAL Id: hal-05373483. URL: https://hal.science/hal-05373483v1.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Скопировать ссылку 
Vk 
Telegram 
Viber 
WhatsApp 
Оформить подписку