周 洪，劉 超，何 珊，廖冬梅，肖志懷，石端偉

(1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學 實驗室與設備管理處，湖北 武漢 430072)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，是學科和專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物[1]。近年來，國內(nèi)高校都在積極探索實踐教學改革，特別是隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，許多院校已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實技術應用于實踐教學[2-3]。武漢大學根據(jù)教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》的精神，組織開展電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)的建設，取得了顯著成效。本文是對中心建設工作的梳理和總結，為今后中心的發(fā)展規(guī)劃奠定基礎，并起到拋磚引玉的作用。

1 建設的必要性

目前，我國電力生產(chǎn)工業(yè)已進入了高參數(shù)、超臨界、大電網(wǎng)、高電壓、混合能源結構、遠距離輸電的時代，在其迅速發(fā)展的同時也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了諸多的問題和挑戰(zhàn)[4-5]。電力生產(chǎn)是非常復雜的系統(tǒng)工程，屬于高危險行業(yè),如在核電站中，運行或停閉后的反應堆都有很強的放射性；反應堆停閉后不能立即停止冷卻，否則會出現(xiàn)燃料元件因過熱而燒毀的危險；核電廠運行過程中會產(chǎn)生大量放射性廢物，在一般高校不可能建立實體實驗臺等[6-7]。同時，電力工業(yè)資金和技術高度集中，生產(chǎn)設備非常昂貴，其運行參數(shù)幾乎達到極致，實體模擬其生產(chǎn)過程的實驗教學成本極高，資源消耗巨大，而且有可能造成惡性環(huán)境污染[8]。因此，建立虛擬仿真實驗中心是電力生產(chǎn)學科群實驗教學的一種有效的解決方法。

武漢大學電力生產(chǎn)學科群建設始于1958年，覆蓋電力生產(chǎn)過程中發(fā)、輸、變、用等各領域，涉及電力生產(chǎn)相關專業(yè)的基礎理論、規(guī)劃建設、運行管理各環(huán)節(jié)。因此，將虛擬仿真技術運用于電力生產(chǎn)過程的實驗教學，把電力生產(chǎn)過程中高危、不可復制、不可用物理實驗實現(xiàn)的過程，如核燃料換料過程、核反應過程、鍋爐四管爆裂、爐膛溫度控制、水(汽)輪機超速、轉子失衡、電網(wǎng)解裂等環(huán)節(jié)，用虛擬仿真技術為學生實現(xiàn)可視化實驗，具有安全性、經(jīng)濟性、共享性、交互性和靈活性等優(yōu)點，是一項具有重要意義的工作[9]。

2 虛擬仿真實驗教學資源的整合與建設

在我?，F(xiàn)有的核電仿真實驗中心、電力系統(tǒng)仿真實驗中心、火電仿真實驗中心、水電仿真實驗中心等平臺上，結合國內(nèi)外仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術及網(wǎng)絡技術的最新成果和方法，高起點、高標準地進行了電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學資源的整合和建設[10]。

電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學資源的整合和建設以專業(yè)人才培養(yǎng)方案與學科發(fā)展規(guī)劃為依據(jù)，以社會需求和學生創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)培養(yǎng)標準為起點[11-12]，按照重實踐、模塊化、柔性化和系統(tǒng)化的特點構建了電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學體系。教學體系的實驗項目覆蓋核能發(fā)電、火力發(fā)電、水力發(fā)電及輸變電等電力生產(chǎn)過程的所有環(huán)節(jié)；圍繞電力生產(chǎn)過程認知、電力生產(chǎn)設備虛擬安裝與檢修、電力生產(chǎn)運行仿真和學生自主實驗4個實踐教學層次，完善了兼顧基礎技能培養(yǎng)與學生個性化發(fā)展相結合的電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學資源，實驗教學體系如圖1所示。

圖1 四層次電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學體系

同時，中心還采用SOA技術，建立了統(tǒng)一的電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學與信息平臺。圖2是虛擬仿真教學平臺的結構，它將虛擬現(xiàn)實技術和實時仿真技術有機地結合起來，構成一套結合了發(fā)電過程(包含核電、火電、水電)、輸變電生產(chǎn)過程的一體化的網(wǎng)絡遠程虛擬教學平臺。平臺打破不同版本、不同操作系統(tǒng)支持的仿真系統(tǒng)軟件信息壁壘，由中心服務器群進行數(shù)據(jù)、信息多層次共享；不但可以為校內(nèi)用戶提供虛擬仿真服務，而且通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了武漢大學校內(nèi)仿真設備的共享，兄弟院校的教師和學生也可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用校內(nèi)的資源，不受地理位置的限制。

2.1 “電力生產(chǎn)過程認知”實踐教學層次

“電力生產(chǎn)過程認知”實驗教學層次的培養(yǎng)對象為電力生產(chǎn)學科群的低年級學生以及供全校學生公共選修。針對本學科群低年級學生而言，其教學目的是以電力生產(chǎn)過程背景知識為目標，使學生認識電力生過程的主要設備及其運行原理，了解電力生產(chǎn)過程主要流程和涉及的關鍵技術，由此建立基本的電力工程師素養(yǎng)；針對其他專業(yè)學生，則以電力生產(chǎn)過程基礎知識為目標，普及發(fā)電系統(tǒng)與設備相關知識，使學生建立起電力生產(chǎn)相關概念。

“電力生產(chǎn)過程認知”教學層次主要開設有演示性與驗證性實驗項目，采取了形式多樣的知識展現(xiàn)與感受方式，包括各類靜動態(tài)模型演練示范、多媒體現(xiàn)場實況展示、虛擬仿真示范與講解等。主要實驗項目有電力生產(chǎn)過程關鍵設備模型演示、電力生產(chǎn)過程系統(tǒng)與設備認知、電力生產(chǎn)過程虛擬運行演示、電力生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)演示等。

針對認知層次，學生只要能夠通過漫游系統(tǒng)構建的電力工業(yè)場景的虛擬現(xiàn)實畫面，對電力生產(chǎn)設備的形態(tài)進行感性認識即可。因此，在這個層次上，電力生產(chǎn)過程虛擬仿真教學平臺需要提供設備的三維建模，支持通過Web方式的遠程訪問，并且在用戶的瀏覽器界面上創(chuàng)設出需要認知的三維場景。

2.2 “電力生產(chǎn)設備虛擬安裝與檢修”實踐教學層次

“電力生產(chǎn)設備虛擬安裝與檢修”實驗教學層次的培養(yǎng)對象為電力生產(chǎn)學科群的三、四年級學生,其教學目的是以系統(tǒng)強化學生基本技能訓練為目標，培養(yǎng)學生的自我獲取知識能力和獨立實驗能力，啟迪學生創(chuàng)新意識。通過這一層次的實驗教學，使學生對電力生產(chǎn)過程中發(fā)電、輸電、配電和用電各個領域中的設備建立起全面、有效和系統(tǒng)的認知，增強學生對于真實過程的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高綜合素質(zhì)。

“虛擬安裝與檢修”實驗教學層次主要包括設備虛擬安裝、檢修工藝、大小修安全技術措施、設備技術調(diào)試方法等內(nèi)容的教學，能完整地將所有被仿真對象的內(nèi)部結構，運行規(guī)律逼真地展現(xiàn)出來。主要實驗項目有電力生產(chǎn)過程關鍵設備虛擬拆裝、電力生產(chǎn)過程關鍵設備虛擬檢修、電力生產(chǎn)過程故障測試技術仿真等。

圖2 電力生產(chǎn)過程虛擬仿真教學平臺的結構

在安裝與檢修層次上，學生不但要通過系統(tǒng)獲得電力生產(chǎn)設備的感性認識，而且還要對設備的內(nèi)部結構、拆裝方式進行更深刻的理解。因此，電力生產(chǎn)過程虛擬仿真教學平臺不但要獲得設備的三維模型，還要總結出設備三維模型各個組件之間的拆裝規(guī)則。同樣，教學平臺在創(chuàng)設三維工業(yè)場景的時候，不但要現(xiàn)實設備的外觀圖像，同樣要提供相應的互動接口，允許學生使用鼠標、鍵盤等輸入設備在虛擬現(xiàn)實層面上對設備進行拆裝。

2.3 “電力生產(chǎn)仿真運行”實踐教學層次

“電力生產(chǎn)仿真運行”實驗教學層次的培養(yǎng)對象為電力生產(chǎn)學科群的三、四年級學生。通過這一層次的教學，使學生能熟練掌握機組在各種條件下的啟、停過程和正常運行中的監(jiān)視操作技術；通過對電力生產(chǎn)過程常見故障的模擬，提高學員的應急能力和對電力生產(chǎn)過程運行的綜合分析能力，滿足工程技術人員研究分析該類型設備及其系統(tǒng)的要求，以及進行機組運行方式優(yōu)化研究的需求。

“仿真運行”的實驗教學內(nèi)容包括電力生產(chǎn)過程常用操作及巡視工作、機組和主變器以及線路檢修停復役操作、電力生產(chǎn)設備事故處理操作、設備檢修后的調(diào)試與試驗等,其重點是機電設備典型的停復役操作(如停機、開機、增減負荷等)、整機調(diào)試(包括空載運行、甩負荷、事故停機、工況相互轉換)以及常見事故的處理等典型操作實驗。主要實驗項目有核電站教學模擬機反應堆啟動過程模擬、核電站教學模擬機反應堆停閉過程模擬、核電站教學模擬機反應堆功率運行及負荷瞬變過程模擬、核電站教學模擬機反應堆故障工況模擬、水輪機模型能量模擬、調(diào)速器靜特性試驗模擬、輔助設備水位及壓力的測量過程模擬等。

“仿真運行”層次對虛擬仿真教學平臺的要求進一步提高。學生不但要看到虛擬的工業(yè)設備，而且還要能夠操作這些設備，就像他們在現(xiàn)場實習一樣。在這個層次，虛擬仿真教學平臺需要將設備的運行規(guī)律總結成數(shù)學模型，在服務器端的實時仿真服務器上運行，產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)還要通過網(wǎng)絡與客戶端的三維圖像聯(lián)動起來，模擬真實現(xiàn)場的場景。同時還應使學生學會通過三維互動，修改一些運行參數(shù)，就像他們在實際操作一樣。

2.4 “電力生產(chǎn)自主實驗” 實踐教學層次

“電力生產(chǎn)自主實驗”教學層次的培養(yǎng)對象為電力生產(chǎn)學科群的四年級學生、學科群研究生、計算機及工業(yè)設計類等學生。針對本學科群四年級學生，引導學生由被動學習走向主動學習，重點培養(yǎng)學生團隊合作、綜合分析和解決問題的能力，最終達到使學生能應用所學專業(yè)知識自主開展實驗及科研活動的目的；針對本學科群研究生，重點培養(yǎng)學生自主學習及獨立開展相關創(chuàng)新設計和科研的能力；針對其他專業(yè)，主要是計算機及工業(yè)設計類學生，重點啟發(fā)學生的創(chuàng)造力，引導學生將所學專業(yè)知識應用于虛擬仿真技術領域，推動計算機技術、網(wǎng)絡技術、3D建模等新型信息化技術與本學科領域的結合。

“自主實驗”教學層次的內(nèi)容和選題主要來自本科生畢業(yè)設計、課程設計、大學生業(yè)余科研與競賽、研究生創(chuàng)新實踐與科研和教師研究課題等，主要分為設計型和創(chuàng)新型兩種。采取學生自主實驗的方式進行，實驗的內(nèi)容、方案、進度等全部由學生自主安排，實驗教學中心提供必要的場所、課題、設備、經(jīng)費，配備相應的指導教師。同時，根據(jù)不同的專業(yè)和學科的特點和要求，對實驗項目進行模塊化的組合。

針對“自主實驗”層次，虛擬仿真教學平臺不但應該要求學生在虛擬現(xiàn)實界面運行虛擬設備，而且還要要求他們對設備的一些運行方式做創(chuàng)新性的修改，如修改控制算法等。因此，教學平臺不但要能夠遠程交換實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維聯(lián)動，還需要開發(fā)相應的接口，給用戶更多的靈活性，比如遠程下載三維模型，改變既有設備的機械結構，或者遠程下載控制算法，改變設備的控制方式等。

圍繞認知、安裝檢修、運行仿真、自主實驗4個層次的實驗教學體系，電力生產(chǎn)過程虛擬仿真中心在應用中不斷建設、開發(fā)虛擬仿真的軟硬件設備，由淺到深，由易到難，逐步滿足四層次實驗教學的需要。

3 教學特色

3.1 科研成果轉化為實驗教學

10多年來，中心一直專注于電力生產(chǎn)過程仿真研究，涉及核能發(fā)電、火力發(fā)電、水力發(fā)電和輸變電的仿真類課題30余項，研究范圍覆蓋電力生產(chǎn)設備的虛擬安裝、檢修技術及電力生產(chǎn)的數(shù)值仿真等。中心十分重視科研成果向?qū)嶒灲虒W資源的轉化，中心教師利用科研成果自主研制的主要教學儀器(含軟件)有：基于star-90火電仿真機學員評分專家系統(tǒng)、基于Web的三維網(wǎng)絡化實驗平臺NCSLab、超聲檢測實踐訓練平臺軟件和水輪發(fā)電機組仿真測試儀等。教師科研成果轉化為實驗教學內(nèi)容，拓展了教學范圍，提升了學生的知識結構，培養(yǎng)學生的綜合設計和創(chuàng)新能力[11-12]。以電力設備安全檢測技術研究團隊為例，中心教師承擔了“電站管座角焊縫超聲檢測仿真技術”等檢測類科研項目，形成了具有自主知識產(chǎn)權的超聲檢測計算分析系統(tǒng)。在該軟件平臺的基礎上，自主開設了“核電壓力容器的虛擬超聲檢測實驗”，很好地將科研成果轉換為實驗內(nèi)容，為學生熟悉電力設備安全檢修和積累工程經(jīng)驗提供了很好的虛擬仿真平臺，解決了固化的大型設備難以引入實驗室的問題。

3.2 可持續(xù)的校企合作發(fā)展模式

武漢大學電力學科群具有鮮明的行業(yè)特色，為電力行業(yè)的科學研究和人才培養(yǎng)做出巨大貢獻，同時與電力行業(yè)大型企業(yè)一直保持著長期有效的合作，如兩大電網(wǎng)(國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司)、五大發(fā)電集團(中國華能集團公司、中國大唐集團公司、中國華電集團公司、中國國電集團公司、中國電力投資公司)、兩大電力建設集團(中國能源建設集團公司、中國電力建設集團有限公司)以及廣東粵電集團公司、中國廣東核電集團公司等。

合作企業(yè)中廣核集團、粵電集團和華中電網(wǎng)公司對中心建設給予大力支持并參與其中。中心通過與粵電共建“先進發(fā)電技術國家級工程實踐教育中心”、與中廣核集團開展“訂單+聯(lián)合”人才培養(yǎng)項目、每年積極承擔電力行業(yè)員工的培訓項目等途徑，與合作企業(yè)建立了穩(wěn)定、雙向、共贏的可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。在服務支撐體系中，合作企業(yè)為仿真資源的建設提供了大量素材，如中廣核集團提供有關核電設備參數(shù)；粵電集團提供所屬火電、水電機組參數(shù)；國家電網(wǎng)湖北電網(wǎng)公司則提供電網(wǎng)設備系統(tǒng)及運行參數(shù)件。同時在人員支撐方面，合作企業(yè)派出具備豐富工程經(jīng)驗的員工作為開發(fā)顧問，針對仿真教學資源的開發(fā)，如何有效地結合現(xiàn)場實際提供咨詢和指導。利用得天獨厚的、豐富的校友資源，中心與合作企業(yè)在科學研究、人員培訓等方面建立了長期有效的合作機制，在制度上保障了中心的持續(xù)發(fā)展。

4 結束語

電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學中心以電力生產(chǎn)學科、能源動力學科、信息學科、計算機學科等學科群作為支撐，與國內(nèi)大型電力企業(yè)共建，覆蓋核能發(fā)電、火力發(fā)電、水力發(fā)電及輸變電等電力生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)；圍繞認知、安裝檢修、運行仿真、自主實驗4個層次；構建了兼顧基礎技能培養(yǎng)與學生個性化發(fā)展相結合的電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學體系；主要為電力生產(chǎn)學科群30個專業(yè)本科生、部分研究生開設電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學課程，并對校外相關專業(yè)學生開放，同時對電力企業(yè)員工進行培訓，取得了階段性的成果。中心將繼續(xù)堅持高標準、求一流的發(fā)展目標，致力于建成集教學、培訓、技能鑒定與科研為一體，有鮮明特色的國內(nèi)領先的電力生產(chǎn)過程虛擬仿真實驗教學中心。

[1] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].高教[2013]94號文件.

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