劉育 孫連鵬 陳玉娟

摘 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。該文以“微曝氧化溝工藝”為模擬對(duì)象建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。采用DCS組態(tài)軟件，建立動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，模擬工廠中控室和現(xiàn)場設(shè)備操作。項(xiàng)目模擬真實(shí)工廠的中控室、水處理設(shè)備和分析監(jiān)測儀器的工作方式，通過仿真的參數(shù)調(diào)整方式，改變設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)獲得相對(duì)真實(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。定制開發(fā)符合自己學(xué)科要求的虛擬仿真軟件，可以提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）15-0063-03

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is an important content of informationization construction of higher education， which is the product of deep integration of subject specialty and information technology. This paper describes the "micro-oxidation ditch process" as a simulation object to build virtual simulation experimental teaching project. Using DCS configuration software， the dynamic process mathematical model is established to simulate the operation of the factory control room and field equipment. The project simulates the working mode of the central control room， water treatment equipment and analysis of the working methods of monitoring instruments， through the simulation of the parameters of the way to change the operation of the equipment， while obtaining relatively real dynamic results. Custom made of virtual simulation software that meets their academic requirements can improve teaching ability， expand the field of practice， enrich teaching content， reduce costs and risks， to carry out green experiment teaching.

Keywords： environmental engineering； simulation； experiment

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于強(qiáng)化實(shí)踐育人工作的重要指示精神，根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》、 《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》 和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》等相關(guān)要求，加快推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)融合創(chuàng)新發(fā)展[1]。根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，在‘以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運(yùn)行模式等指導(dǎo)思想下進(jìn)行環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)[2]。

一、環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的必要性

環(huán)境工程工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行管理和優(yōu)化改造過程在教學(xué)中難以直觀體現(xiàn)，環(huán)保行業(yè)工藝日趨復(fù)雜，學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐過程中難以了解全部環(huán)保設(shè)備工作原理與構(gòu)造結(jié)構(gòu)。而且現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化程度高，對(duì)現(xiàn)場操作的要求高，絕大多數(shù)崗位必須持證上崗，企業(yè)出于工廠生產(chǎn)和學(xué)生人身安全考量，更加限制學(xué)生生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)習(xí)的時(shí)間與空間范圍，使得工廠實(shí)習(xí)僅僅停留在參觀的層面上，無法深入生產(chǎn)現(xiàn)場。因此有必要開發(fā)一些模擬實(shí)際工藝流程與工廠設(shè)施的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，尤其是涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用具有非常重要的意義。

高校可以通過發(fā)揮學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，利用科研成果拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，積極利用企業(yè)的開發(fā)能力，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地建設(shè)高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。定制開發(fā)符合自己學(xué)科要求的虛擬仿真軟件，可以提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3-6]。

二、環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)

環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)采用DCS組態(tài)軟件，建立動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，模擬工廠中控室和現(xiàn)場設(shè)備操作。按照教學(xué)大綱要求開發(fā)的仿真軟件，以動(dòng)態(tài)形式逼真地展示廠區(qū)內(nèi)概況、水處理工程相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造、工作原理以及相關(guān)工藝流程的動(dòng)態(tài)演示等。綜合訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于流程工藝、環(huán)保設(shè)備、分析儀表、系統(tǒng)控制、電氣操作等方面的能力。軟件主要側(cè)重操作，以模擬正常工況、冷態(tài)開車、正常停車、常規(guī)事故以及安全事故預(yù)案應(yīng)急處理等不同的培訓(xùn)工況進(jìn)行涵蓋工藝、設(shè)備、安全等多方面的以操作為導(dǎo)向的培訓(xùn)[7，8]。

環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件需要實(shí)現(xiàn)工藝流程過程仿真、設(shè)備監(jiān)控模擬、實(shí)時(shí)警報(bào)、歷史曲線回放、數(shù)據(jù)報(bào)表、參數(shù)設(shè)置等功能。學(xué)員可以根據(jù)自己的需求選擇不同的崗位進(jìn)行實(shí)習(xí)培訓(xùn)，并且對(duì)水質(zhì)分析、污泥指標(biāo)分析等污水處理廠常用指標(biāo)的檢測方法進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)，為學(xué)員適應(yīng)不同的崗位提供基礎(chǔ)。將正常的工藝操作仿真和事故預(yù)案模擬相整合，同時(shí)兼顧中控室里的DCS操作培訓(xùn)、室外操作培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)案處理?xiàng)l例培訓(xùn)等，最終實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬和仿真技術(shù)相結(jié)合，滿足集實(shí)驗(yàn)與考核功能于一身的要求。通過在仿真操作中反復(fù)練習(xí)工藝操作過程，調(diào)試水處理單元各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？梢蕴岣邔W(xué)員對(duì)污水處理工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備原理的理解能力，并讓學(xué)員掌握污水處理常見故障的解決方法，加深學(xué)員對(duì)工藝的理解[9，10]。

三、環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

文章介紹的是以“微曝氧化溝工藝”為模擬對(duì)象建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（圖1）。氧化溝是一種改良型循環(huán)流動(dòng)式活性污泥法，一般采用低負(fù)荷延時(shí)曝氣的方式運(yùn)行，具有維護(hù)運(yùn)行簡便、處理效果穩(wěn)定等特點(diǎn)。近年來微孔曝氣氧化溝通過采用曝氣和推流功能相分離的方式，具有便于獨(dú)立控制及低能耗等特點(diǎn)，應(yīng)用日趨增加。

該項(xiàng)目構(gòu)造了微曝氧化溝工藝設(shè)備裝置與流程，并在仿真軟件中加入分析儀表，包括溶解氧探測儀、污泥濃度計(jì)、在線CODcr儀表，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)仿真控制和即時(shí)反饋的儀表讀數(shù)（圖2）。這些虛擬儀器或設(shè)備的運(yùn)行，是基于水處理反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和水力計(jì)算的相應(yīng)理論，直接反映工廠實(shí)際工藝，再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。項(xiàng)目模擬真實(shí)工廠的中控室、水處理設(shè)備和分析監(jiān)測儀器的工作方式，通過仿真的參數(shù)調(diào)整方式，改變設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)獲得相對(duì)真實(shí)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。這樣不需要實(shí)際建造大型設(shè)備，不受工廠實(shí)際運(yùn)行周期影響，能夠進(jìn)行更廣泛的選擇而獲得優(yōu)化結(jié)果。同時(shí)還有故障分析功能來進(jìn)行仿真實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等，提供學(xué)生在實(shí)際工廠無法獲得的分析大型復(fù)雜事故的故障原因與處理辦法，加深學(xué)生對(duì)工藝系統(tǒng)、工程安全操作與解決故障的認(rèn)識(shí)。軟件的教師端設(shè)定的功能包括：工況選擇、事故模擬、控制參數(shù)的調(diào)整、工藝變量趨勢的顯示與學(xué)生操作的評(píng)分等[10]。

本項(xiàng)目中，根據(jù)污水廠工藝流程的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了模擬動(dòng)畫與控制一體化。各電氣運(yùn)行狀態(tài)于動(dòng)態(tài)流程上相對(duì)應(yīng)。流程中的單個(gè)設(shè)備具備彈出式文字和聲音說明，描述工藝及各設(shè)備的作用、簡介等；工藝中的數(shù)據(jù)等參數(shù)，具備歷史搜尋功能，可以進(jìn)行歷史報(bào)表的匯總打印和報(bào)表的導(dǎo)出等化（圖3）?？蓪?duì)關(guān)鍵數(shù)值進(jìn)行報(bào)警，達(dá)到報(bào)警條件，即進(jìn)入報(bào)警窗口，顯示報(bào)警。

四、環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目后續(xù)建設(shè)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，本項(xiàng)目將在后續(xù)建設(shè)中在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下以3D形式模擬污水處理廠環(huán)境和操作過程，最終構(gòu)建“3D虛擬現(xiàn)場操作+水質(zhì)虛擬監(jiān)測實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的模式[11]。3D虛擬環(huán)境與真實(shí)污水處理廠布置一致，能進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)工廠的工藝流程、設(shè)備裝置、生產(chǎn)操作的理解能力，更好的掌握理論知識(shí)，提升實(shí)際工程的設(shè)計(jì)能力。同時(shí)將工藝流程、車間布局、設(shè)備原理、工廠環(huán)境、安全生產(chǎn)等工廠實(shí)際要素與學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、客觀評(píng)分融合在一起，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中體現(xiàn)全過程教育的理念[12]。

五、結(jié)束語

總之，根據(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于強(qiáng)化實(shí)踐育人工作的重要指示精神和《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》等相關(guān)要求，我們將努力發(fā)揮學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，以培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地建設(shè)高水平環(huán)境科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部高等教育司.關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知（教高司函〔2013〕94號(hào)）[Z].

[2]教育部辦公廳.教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知（教高廳〔2017〕4號(hào)）[Z].

[3]劉育，孫連鵬.環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色化研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11（6）：309-311.

[4]段鳳魁，賀克斌，楊宏偉，等.環(huán)境專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（4）：101-103.

[5]路勇，馬修真，高峰，等.船舶動(dòng)力技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與實(shí)踐研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（3）：117-119.

[6]杜雷，張偉，王儉.化工特色應(yīng)用型人才培養(yǎng)的資源庫建設(shè)與研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2017（12）：139-140.

[7]李一博，孫立瑛，李凌閣.PLC仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的探索與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（5）：17-20.

[8]謝慧芳，胡朝霞，陳守文，等.融入仿真系統(tǒng)的環(huán)境工程實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（9）：115-118.

[9]周天沛，代洪.虛擬PLC仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（2）：77-79.

[10]劉立新，王建偉.智能化模擬工廠在化工實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].廣東化工，2016，43（2）：155-155.

[11]高媛，劉德建，黃真真，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)的核心要素及其挑戰(zhàn)[J].電化教育研究，2016（10）：77-87.

[12]吳霞.工科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課考試“全程化”探索[J].高等工程教育研究，2017（2）：189-193.