環(huán)境工程虛擬仿真實驗項目建設(shè)

劉育 孫連鵬 陳玉娟

摘 要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學科專業(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”為模擬對象建立虛擬仿真實驗教學項目。采用DCS組態(tài)軟件，建立動態(tài)過程數(shù)學模型，模擬工廠中控室和現(xiàn)場設(shè)備操作。項目模擬真實工廠的中控室、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)備的運行，同時獲得相對真實的動態(tài)結(jié)果。定制開發(fā)符合自己學科要求的虛擬仿真軟件，可以提高教學能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學內(nèi)容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：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

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。為貫徹落實習近平總書記關(guān)于強化實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，加快推動信息技術(shù)與教育教學融合創(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驗教學項目建設(shè)的通知》，在‘以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開放運行模式等指導(dǎo)思想下進行環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)[2]。

一、環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的必要性

環(huán)境工程工藝系統(tǒng)設(shè)計運行管理和優(yōu)化改造過程在教學中難以直觀體現(xiàn)，環(huán)保行業(yè)工藝日趨復(fù)雜，學生在生產(chǎn)實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)自動化程度高，對現(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)和學生人身安全考量，更加限制學生生產(chǎn)現(xiàn)場實習的時間與空間范圍，使得工廠實習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)一些模擬實際工藝流程與工廠設(shè)施的仿真實驗項目，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、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的虛擬仿真實驗應(yīng)用具有非常重要的意義。

高?？梢酝ㄟ^發(fā)揮學科專業(yè)優(yōu)勢，利用科研成果拓展虛擬仿真實驗教學范圍、豐富虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，積極利用企業(yè)的開發(fā)能力，以培養(yǎng)學生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，創(chuàng)造性地建設(shè)高水平虛擬仿真實驗教學資源。定制開發(fā)符合自己學科要求的虛擬仿真軟件，可以提高教學能力，拓展實踐領(lǐng)域，豐富教學內(nèi)容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學[3-6]。

二、環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)目標

環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)采用DCS組態(tài)軟件，建立動態(tài)過程數(shù)學模型，模擬工廠中控室和現(xiàn)場設(shè)備操作。按照教學大綱要求開發(fā)的仿真軟件，以動態(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)工藝流程的動態(tài)演示等。綜合訓練學生對于流程工藝、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工況進行涵蓋工藝、設(shè)備、安全等多方面的以操作為導(dǎo)向的培訓[7，8]。

環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學軟件需要實現(xiàn)工藝流程過程仿真、設(shè)備監(jiān)控模擬、實時警報、歷史曲線回放、數(shù)據(jù)報表、參數(shù)設(shè)置等功能。學員可以根據(jù)自己的需求選擇不同的崗位進行實習培訓，并且對水質(zhì)分析、污泥指標分析等污水處理廠常用指標的檢測方法進行培訓學習，為學員適應(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，同時兼顧中控室里的DCS操作培訓、室外操作培訓和應(yīng)急預(yù)案處理條例培訓等，最終實現(xiàn)將計算機系統(tǒng)模擬和仿真技術(shù)相結(jié)合，滿足集實驗與考核功能于一身的要求。通過在仿真操作中反復(fù)練習工藝操作過程，調(diào)試水處理單元各參數(shù)，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)的正常運行?？梢蕴岣邔W員對污水處理工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備原理的理解能力，并讓學員掌握污水處理常見故障的解決方法，加深學員對工藝的理解[9，10]。

三、環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)內(nèi)容

文章介紹的是以“微曝氧化溝工藝”為模擬對象建立虛擬仿真實驗教學項目（圖1）。氧化溝是一種改良型循環(huán)流動式活性污泥法，一般采用低負荷延時曝氣的方式運行，具有維護運行簡便、處理效果穩(wěn)定等特點。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，具有便于獨立控制及低能耗等特點，應(yīng)用日趨增加。

該項目構(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、在線CODcr儀表，能同時實現(xiàn)仿真控制和即時反饋的儀表讀數(shù)（圖2）。這些虛擬儀器或設(shè)備的運行，是基于水處理反應(yīng)動力學和水力計算的相應(yīng)理論，直接反映工廠實際工藝，再現(xiàn)真實實驗進程。項目模擬真實工廠的中控室、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)備的運行，同時獲得相對真實的動態(tài)結(jié)果。這樣不需要實際建造大型設(shè)備，不受工廠實際運行周期影響，能夠進行更廣泛的選擇而獲得優(yōu)化結(jié)果。同時還有故障分析功能來進行仿真實踐教學和畢業(yè)設(shè)計等，提供學生在實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，加深學生對工藝系統(tǒng)、工程安全操作與解決故障的認識。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生操作的評分等[10]。

本項目中，根據(jù)污水廠工藝流程的實際情況，實現(xiàn)了模擬動畫與控制一體化。各電氣運行狀態(tài)于動態(tài)流程上相對應(yīng)。流程中的單個設(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，可以進行歷史報表的匯總打印和報表的導(dǎo)出等化（圖3）?？蓪﹃P(guān)鍵數(shù)值進行報警，達到報警條件，即進入報警窗口，顯示報警。

四、環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學項目后續(xù)建設(shè)

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，本項目將在后續(xù)建設(shè)中在虛擬現(xiàn)實環(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)測實驗”相結(jié)合的模式[11]。3D虛擬環(huán)境與真實污水處理廠布置一致，能進一步提高學生對工廠的工藝流程、設(shè)備裝置、生產(chǎn)操作的理解能力，更好的掌握理論知識，提升實際工程的設(shè)計能力。同時將工藝流程、車間布局、設(shè)備原理、工廠環(huán)境、安全生產(chǎn)等工廠實際要素與學生實驗操作、客觀評分融合在一起，在虛擬仿真實驗教學項目中體現(xiàn)全過程教育的理念[12]。

五、結(jié)束語

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

參考文獻：

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