管亮 楊庭棟 鄢豪 段宇恒

1 陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401311 2 聯(lián)勤保障部隊軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站 北京 100036

0 引言

油料是戰(zhàn)爭的“血液”，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的各類物資消耗中，油料消耗占比超過70%，質(zhì)量合格的油料是作戰(zhàn)油料裝備安全高效運行的前提和基礎(chǔ)，對油料進行分析化驗是作戰(zhàn)油料保障的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。油料化驗工作也是軍地油庫業(yè)務(wù)工作中的一個重要環(huán)節(jié)，對油料的接收、儲存、使用具有極為重要的指導(dǎo)意義[1]。系統(tǒng)、全面培養(yǎng)化驗員油品分析檢測能力是軍地油料保障專業(yè)的重點內(nèi)容之一。油料化驗是一門以油料化驗室化驗員為主要培養(yǎng)對象的崗位任職核心課程。從課程內(nèi)容來說，油料化驗是一門以油品分析方法標準為手段，以油品產(chǎn)品標準為依據(jù)，重點是對油品的收發(fā)、儲運、加注等各環(huán)節(jié)的質(zhì)量進行嚴格把關(guān)的課程。無論是軍隊還是地方油庫，油料化驗一般區(qū)分為接收化驗、入庫化驗、儲存化驗和其他化驗，各類化驗項目涉及的數(shù)量較多。例如，車用汽油、車用柴油等燃料油的化驗項目有19 項之多。

虛擬儀器(Virtual Instrument)是一種以模塊化硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合軟件資源和接口技術(shù)，實現(xiàn)測試測量、自動化控制和仿真等領(lǐng)域的功能需求的信息化工具[2]。虛擬儀器技術(shù)的核心概念是“硬件是基礎(chǔ)，軟件即儀器”，其基于計算機等通用軟硬件平臺，內(nèi)置性能強大的功能和函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集、信號處理、轉(zhuǎn)換存儲、界面顯示等方面為用戶提供便捷的解決方案[3]。目前，虛擬儀器技術(shù)在電工電子[4]、機械工程[5]、化學(xué)類[6-7]、傳感器[8-9]、物聯(lián)網(wǎng)[10]等多個專業(yè)領(lǐng)域課程的實驗教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器靈活高效的軟件能完成自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求[11]。只有同時擁有高效的軟件、模塊化的I/O 硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器的性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢[12]。

本文在分析油料化驗教學(xué)過程存在的矛盾問題的基礎(chǔ)上，充分利用虛擬儀器軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)點，構(gòu)建了具有擴展性強、集成性能突出的油料化驗實驗系統(tǒng)，目的是解決當前油料化驗員培訓(xùn)過程中存在的實驗過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難等系列矛盾問題[13-14]。

1 油料化驗教學(xué)中存在的主要矛盾問題

油料化驗課程屬于化學(xué)類課程[15]，是一門以實驗實踐為核心的課程[16]，以陸軍勤務(wù)學(xué)院油料化驗課程為例，課程總學(xué)時180 學(xué)時，教學(xué)大綱規(guī)定實驗實踐學(xué)時不能低于60%，而實際學(xué)時為120學(xué)時。學(xué)員必須將所學(xué)的理論知識和操作技能不折不扣地落實到每一個化驗項目和每一個操作步驟中去，才能實現(xiàn)實驗教學(xué)目的[17]。目前，油料化驗教學(xué)過程中存在以下突出的矛盾問題。

1.1 實驗過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難

油料化驗本質(zhì)上是一類“過程性”和“條件性”的實驗，油料化驗課程的實驗必須嚴格依據(jù)方法標準的試驗步驟進行，否則所得出的試驗結(jié)果將會因為不符合方法標準所規(guī)定的程序要求而無效。實驗結(jié)果的真實性和可靠性與實驗過程控制密切相關(guān)[15]，必須對實驗過程進行監(jiān)控和反饋，才能有效評價實驗效果和結(jié)果的正確性[18]。油料化驗的實驗過程的監(jiān)督、監(jiān)控和效果反饋，是確保油料化驗實驗效果的基本前提條件。但是，目前采用的整體灌輸式的實驗教學(xué)內(nèi)容，教員巡視指導(dǎo)分組實施的實驗教學(xué)組織形式使得教員無法有效掌控學(xué)員的實驗過程，學(xué)員在實驗過程中的錯誤、異常等只能通過實驗學(xué)員本人和教員進行人工反饋，無法實現(xiàn)實時有效的過程和實驗教學(xué)效果反饋，實驗教學(xué)沒有體現(xiàn)因材施教和有的放矢的教學(xué)原則。

1.2 理論教學(xué)和實驗訓(xùn)練分離割裂

油料化驗類課程屬于分析化學(xué)范疇，每種試驗方法標準都有較為系統(tǒng)的分析方法和檢測理論支撐，但理論教學(xué)一般枯燥、乏味、抽象、晦澀，而且由于理論教學(xué)與實踐教學(xué)是分開進行的，即：一般是先在教室進行理論教學(xué)，然后到實驗室進行分組實驗訓(xùn)練。受到實驗環(huán)境的制約，學(xué)員無法方便地根據(jù)實驗現(xiàn)象驗證理論知識，這就造成了目前學(xué)員理論學(xué)習(xí)時主動性和積極性不高、理論知識掌握不牢靠，實驗訓(xùn)練時又容易忘記相關(guān)理論和注意事項；實驗時手忙腳亂、效果差，甚至亂實驗，實驗訓(xùn)練教學(xué)效果差。有效地將理論教學(xué)和實驗訓(xùn)練相融合，一直是油料化驗類課程教學(xué)研究的核心問題之一，這就要求我們：學(xué)員在進行理論學(xué)習(xí)時能夠自主地進行虛擬實驗驗證；在進行實驗訓(xùn)練時能夠自主地進行各個實驗環(huán)節(jié)的理論提示。

1.3 實驗項目設(shè)置無法全面覆蓋

油料化驗類課程實驗涉及對象多，項目多[19]。根據(jù)油品的類別油料化驗實驗對象分為燃料油、潤滑油、潤滑脂、特種液等四種類型。主油（燃料油）可分為航空活塞式發(fā)動機燃料、車用汽油、噴氣燃料、車用柴油、軍用柴油、軍艦用燃料油、航空洗滌汽油等若干品種；附油還可區(qū)分為潤滑油（液壓油）、潤滑脂、制動液、冷卻液（防凍液）、難燃液壓液、緩蝕劑、防冰添加劑等若干模塊。還可根據(jù)油品固有的屬性進一步細分為油品的蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定及其他性能測定等模塊。

總的來說，燃料油的化驗項目包括外觀水分雜質(zhì)、顏色、密度、水溶性酸或堿、餾程（蒸餾）、（總）酸度（值）、氧化安定性（以總不溶物計）、實際膠質(zhì)（膠質(zhì)含量）、鉛含量、水反應(yīng)、電導(dǎo)率、銅片腐蝕、銀片腐蝕、閃點（閉口）、凝點、冷濾點、黏度、十六烷指數(shù)和水分離指數(shù)等19 項；潤滑油脂和特種液的化驗項目包括外觀、水分、密度、酸值、閃點（開、閉）、傾（凝）點、腐蝕（銅、鋼）、黏度、錐入度、（寬溫度）滴點、分油量、游離堿或游離有機酸、破（抗）乳化、平衡回流沸點、橡膠相溶性、冰點、pH 值、折光度、沸程等19 項。

目前采用的實驗教學(xué)內(nèi)容組織形式和教學(xué)模式，覆蓋油品類型和指標少而不全面。例如，對于餾程指標，車用汽油、車用柴油、軍用柴油和噴氣燃料等不同類型油品的餾程實驗在選用儀器配件和試驗條件控制方面存在較大的差異，但由于教學(xué)時間的限制，只能選取一種油品進行實驗教學(xué)，其他類型油品只能進行理論提示，學(xué)員不能得到有針對性的較為全面的實踐訓(xùn)練，導(dǎo)致很多學(xué)員到工作崗位后需要進一步進行有針對性的培訓(xùn)，例如，航空油料化驗員要求對噴氣燃料的化驗項目必須熟練掌握，而油庫油料化驗員必須熟練掌握車用柴油、軍用柴油等常見燃料的化驗操作技能[17]。

1.4 實驗教學(xué)本質(zhì)被忽視

目前油料化驗類課程實踐教學(xué)基本上是將學(xué)員分成組，按照實驗指導(dǎo)書上的實驗步驟、要求和注意事項進行操作。大部分實驗教學(xué)時間都是用于油料化驗操作，學(xué)員也僅僅是為了得到數(shù)據(jù)而進行操作，忽略了實驗的目的和對問題的分析，不適用于目前追求的探究式的教學(xué)方式，也就是“只知道要這么做”，而“不知道為什么這么做”。實驗報告的書寫和實驗數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生只是機械地照搬照抄，不會進行后期的消化與思考。對于一些自覺性較差的學(xué)生，極容易造成達不到實驗實踐教學(xué)的效果。實驗內(nèi)容多為驗證性實驗，學(xué)生自由設(shè)計的靈活性小，很難調(diào)動學(xué)生的積極性，不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，一定程度上影響了學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合實踐能力的提高。油料化驗是軍隊油料質(zhì)量保障技術(shù)手段和組成部分的實驗教學(xué)本質(zhì)被忽視了。

2 基于虛擬儀器可重構(gòu)的油料化驗實驗室的構(gòu)建

根據(jù)各類不同的油料化驗實驗，基于虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建了一套“虛”“實”結(jié)合的實驗系統(tǒng)：首先利用各類傳感器將油料化驗實驗過程中相關(guān)物理和化學(xué)實驗信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺蛘呖梢詮钠渌麥y試儀器中直接采集輸出的電信號；然后，利用虛擬儀器系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)采集、處理和分析能力，將模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用虛擬儀器軟件系統(tǒng)編寫相應(yīng)的實驗儀器虛擬界面，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的油料化驗實驗數(shù)據(jù)，同時進行后期數(shù)據(jù)處理。通過虛擬儀器的軟件設(shè)計，可以針對不同類別的儀器或?qū)嶒炘O(shè)計不同的虛擬儀器或?qū)嶒灲缑?。這樣，就形成了一個能將不同的油料化驗實驗或儀器聯(lián)系在一起的油料化驗實驗虛擬儀器系統(tǒng)。

基于虛擬儀器的油料化驗實驗室的主要特色是“虛”“實”結(jié)合，以獲取油料化驗實驗過程中的實時反饋信息為手段，達到實時監(jiān)控和評價學(xué)員實驗效果的目的。實驗系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于虛擬儀器的油料化驗實驗室體系架構(gòu)

首先，對油料化驗所涉及的化驗項目類型進行了總結(jié)歸類，具體分為蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定和其他性能測定等8 種。通過分析這8 種化驗項目類型，對所用到的化驗儀器設(shè)備根據(jù)功能進行了模塊化抽象處理，區(qū)分為加熱模塊、制冷模塊、溫度檢測模塊、振動測定模塊、稱重模塊、顏色分析模塊、電位分析模塊、電導(dǎo)率模塊、儀器分析模塊等9 個模塊，據(jù)此可以實現(xiàn)35 個化驗項目的實時監(jiān)控和反饋。

其中加熱模塊、制冷模塊及與其密切相關(guān)的溫度檢測模塊是油料化驗實驗的主要核心模塊，涉及35 個化驗項目中的24 個。其余類別或是與這三類相關(guān)，或是可以采用純虛擬實驗的方式實現(xiàn)，例如，儀器分析模塊。

2.1 加熱類實驗?zāi)K構(gòu)建

加熱類化驗儀器設(shè)備是油料化驗實驗最常用的類型，其體系架構(gòu)如圖2 所示。由于石油產(chǎn)品本質(zhì)上是一類組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的有機混合物體系，其大多數(shù)質(zhì)量指標與其煉制過程緊密相關(guān)，例如蒸餾特性、閃點等指標。加熱類實驗?zāi)K需要和溫度檢測模塊聯(lián)合設(shè)計，主要包括恒溫功能單元和加熱速率控制功能單元，覆蓋餾程（蒸餾）、閃點（開、閉）等21 個化驗項目。

圖2 加熱類實驗?zāi)K架構(gòu)

2.2 制冷類實驗?zāi)K構(gòu)建

制冷類化驗儀器設(shè)備主要涉及油品的低溫性能測試，其體系架構(gòu)如圖3 所示。制冷類實驗?zāi)K需要和溫度檢測模塊聯(lián)合設(shè)計，主要包括恒溫功能單元和制冷速率控制功能單元，覆蓋凝點、冷濾點、冰點等3 個化驗項目。

圖3 制冷類實驗?zāi)K架構(gòu)

2.3 其他類型實驗?zāi)K構(gòu)建

振動、稱重、顏色分析、電位分析、電導(dǎo)率分析等5 類實驗?zāi)K中，一些與加熱、制冷、溫度檢測實驗?zāi)Ｏ嚓P(guān)，例如，振動類的密度測定實驗，稱重類的氧化安定性和實際膠質(zhì)（膠質(zhì)含量）實驗，顏色分析類的腐蝕實驗等。電位分析本來自動化程度較高，可以采取直接采集實驗儀器參數(shù)的方式實現(xiàn)。電導(dǎo)率檢測一般采用的是手持式儀器，實驗時間較短。儀器分析類實驗?zāi)K由于儀器系統(tǒng)復(fù)雜，操作過程煩瑣，可以采用全虛擬化的形式來實現(xiàn)。表1 總結(jié)了這幾類實驗?zāi)K涉及到的化驗項目。

表1 幾類實驗?zāi)K涉及的化驗項目

2.4 虛擬儀器系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)建

基于梳理的油料化驗實驗功能模塊，設(shè)計虛擬儀器系統(tǒng)如圖4 所示，主要區(qū)分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可以采用經(jīng)典的LabVIEW 軟件[20]，也可以采用簡儀科技開發(fā)的銳視開源軟件。

圖4 虛擬儀器系統(tǒng)架構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)包括虛擬儀器硬件系統(tǒng)，如信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、模塊化儀器、常規(guī)信號采集等模塊，以及外部輔助硬件系統(tǒng)。其中外部輔助硬件系統(tǒng)是利用原有化驗儀器設(shè)備，例如，可以利用蒸餾測定器和閃點測定儀的加熱硬件等。

實驗系統(tǒng)最大的特點在于硬件和軟件系統(tǒng)的可重構(gòu)性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

一是基于虛擬儀器的硬件系統(tǒng)完全共用，不同實驗類型能夠根據(jù)實驗通道數(shù)可以通過軟件快速定制，實現(xiàn)快速的重構(gòu)增減。

二是外部輔助硬件系統(tǒng)部分共用，屬于加熱、制冷、其他等類型內(nèi)部的實驗項目能夠?qū)崿F(xiàn)充分共用。

三是實驗軟件系統(tǒng)靈活多變。一方面，通過功能化、模塊化和標準化設(shè)計，學(xué)員既能夠完成教員既定的實驗?zāi)K，又能夠在教員的指導(dǎo)下通過自我積木式的系統(tǒng)搭建，完成創(chuàng)新性的實驗。另一方面，教員可以通過該系統(tǒng)設(shè)置“故意”的“誤”模塊，實現(xiàn)對學(xué)院的深層次的考核。

3 結(jié)束語

針對油料化驗實驗教學(xué)過程中存在的實驗過程監(jiān)控及教學(xué)效果反饋難等系列矛盾問題，充分利用的虛擬儀器軟硬件系統(tǒng)的優(yōu)點，構(gòu)建了具有擴展性強、集成性能突出的油料化驗實驗系統(tǒng)。

新的油料化驗實驗系統(tǒng)將油料化驗所涉及的化驗項目歸類總結(jié)為蒸發(fā)性測定、潔凈性測定、腐蝕性測定、安全性測定、安定性測定、低溫性測定、黏度測定和其他性能測定等8 種類型；并以此將所用到的化驗儀器設(shè)備根據(jù)功能進行模塊化抽象處理為加熱模塊、制冷模塊、溫度檢測模塊、振動測定模塊、稱重模塊、顏色分析模塊、電位分析模塊、電導(dǎo)率模塊、儀器分析模塊等9 個模塊，實現(xiàn)了35 個化驗項目的實時監(jiān)控和反饋。

在此基礎(chǔ)上，課題團隊將在“虛”“實”結(jié)合的油料化驗實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加“誤”的功能模塊，即，通過合理設(shè)置錯誤的設(shè)置和操作模塊，讓學(xué)員在排除故障和解決問題的過程中對理論知識和實操技能有質(zhì)的飛躍提升，從而滿足不同層次學(xué)員的教學(xué)需求。