給排水科學(xué)與工程專業(yè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)探討

曹長春+李海翔+曾鴻鵠+林華

摘要：專業(yè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)體現(xiàn)了給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)科發(fā)展趨勢和社會(huì)對人才的需求，具有兼容開放和可更新的特點(diǎn)。通過對實(shí)際生產(chǎn)設(shè)施的技術(shù)原理、工藝組合、相關(guān)構(gòu)筑物的數(shù)字化模擬再現(xiàn)，各設(shè)備、構(gòu)筑物異常運(yùn)行狀況或故障的平臺(tái)操作，強(qiáng)化專業(yè)課程教學(xué)效果，彌補(bǔ)工科專業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)的不足，有利于學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)和提高，投入小，效益大，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：給排水科學(xué)與工程專業(yè)；工程仿真模擬；實(shí)驗(yàn)室；實(shí)習(xí)教學(xué)

中圖分類號：G6476文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-120X（2016）29-0099-02收稿日期：2016-08-26

課題項(xiàng)目：2016 年度廣西高等教育創(chuàng)優(yōu)計(jì)劃項(xiàng)目；2013、2014年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2013JGA148，2014JGA151）；桂林理工大學(xué)校級教改工程立項(xiàng)項(xiàng)目（2014B04，2016A10）。

一、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)背景 桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的給排水科學(xué)與工程專業(yè)是學(xué)院轉(zhuǎn)型后的新專業(yè)，1993年正式成立，至今已歷時(shí)二十三載，先后招收?？粕龑茫究粕畬?，向社會(huì)輸送給水排水專業(yè)人才一千六百多名，也是廣西唯一的給排水本科專業(yè)點(diǎn)。這些年來，在院系直接領(lǐng)導(dǎo)和社會(huì)各界的支持下，獲得了長足的發(fā)展。作為反映學(xué)科專業(yè)發(fā)展要求，體現(xiàn)時(shí)代特點(diǎn)的專業(yè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，該實(shí)驗(yàn)室將在計(jì)算機(jī)上仿真再現(xiàn)國內(nèi)最典型的城市自來水廠和生活污水處理廠、特種工業(yè)廢水處理的工藝流程，通過設(shè)置不同的水質(zhì)、流量條件參數(shù)，再進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到處理要求和標(biāo)準(zhǔn)。在該平臺(tái)上安裝設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，建成后將是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的一個(gè)特色和亮點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)室具有投資少、收效大、手段先進(jìn)、條件自控的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識、分析解決工藝與工程中的實(shí)際問題的能力。

二、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容 專業(yè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室體現(xiàn)了給排水科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展趨勢。給水排水的工藝與工程是目前工程界應(yīng)用技術(shù)較新、系統(tǒng)較復(fù)雜的領(lǐng)域之一，要求設(shè)計(jì)精細(xì)化，施工與管理數(shù)字化。傳統(tǒng)給排水科學(xué)與工程專業(yè)的手段和方法在新形勢面前確實(shí)落伍了，學(xué)生學(xué)完專業(yè)課后去生產(chǎn)單位實(shí)習(xí)，畢業(yè)后去用人單位應(yīng)聘，雖所學(xué)知識較新，觀念也先進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)所及非常落后，對現(xiàn)代化的儀器儀表見得少，操作更少，至于在現(xiàn)代化的操作管理系統(tǒng)中解決問題的能力更是欠缺，其原因在于學(xué)校以前從未設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)習(xí)教學(xué)的重點(diǎn)之一是對學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，實(shí)習(xí)教學(xué)也是學(xué)校教學(xué)中的難點(diǎn)。學(xué)校很難找到一種非常有效的辦法對學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)與技能訓(xùn)練，尤其是像給排水科學(xué)與工程這類建立時(shí)間較短的專業(yè)。通常的辦法是將學(xué)生派到相關(guān)的工廠去現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)，但實(shí)訓(xùn)效果并不理想。原因主要有：其一，自來水廠是極其重要的場所，生產(chǎn)過程要確保萬無一失，因此學(xué)生到工廠實(shí)訓(xùn)只能“看”，不能輕易動(dòng)手操作，沒有動(dòng)手的機(jī)會(huì)就很難學(xué)到實(shí)際操作技能；其二，在實(shí)訓(xùn)過程中很難遇到“開工”“停工”或“異常生產(chǎn)情況”，即使遇到了也沒有親自動(dòng)手處理的機(jī)會(huì)；其三，企業(yè)對學(xué)生的實(shí)習(xí)，除非有比較好的關(guān)系礙于情面給予照顧外，一般不太歡迎，因此實(shí)習(xí)教學(xué)的組織和管理難度大；此外，到工廠的實(shí)習(xí)存在時(shí)間長、人數(shù)多、費(fèi)用高等問題。

采用仿真技術(shù)針對實(shí)際生產(chǎn)裝置開發(fā)的仿真軟件可以很好地解決以上問題。專業(yè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)室具以下幾方面的功能：

給水排水中實(shí)際生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)原理和工藝、相關(guān)構(gòu)筑物等的CAI課件。

水處理裝置的各種設(shè)備、構(gòu)筑物異?；蚬收系牟僮髂M。

水處理裝置生產(chǎn)條件或生產(chǎn)要求變化的操作模擬。

水處理裝置控制系統(tǒng)（DCS）的操作方法模擬。

從建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的投入與效益看，具有投入少、產(chǎn)出大、應(yīng)用廣的優(yōu)勢。該實(shí)驗(yàn)室不僅可用于教學(xué)，還可用于上崗人員培訓(xùn)、專業(yè)繪圖、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)預(yù)演、畢業(yè)實(shí)習(xí)等。它的內(nèi)容采用開放式平臺(tái)，可逐步豐富與完善具自身特色的軟件加入運(yùn)行，利于開展研究性教學(xué)。

本實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，可彌補(bǔ)現(xiàn)在教學(xué)實(shí)習(xí)過程中費(fèi)用不足、實(shí)習(xí)時(shí)間短、實(shí)習(xí)單位不好找等一系列現(xiàn)實(shí)問題。各種工程實(shí)例通過多媒體的形式，在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)，效果好，操作即使出錯(cuò)，也可以重來，不至于造成重大損失或引發(fā)事故。

本實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置和建設(shè)，符合學(xué)科發(fā)展、專業(yè)發(fā)展、人才需求等的要求，且在同類高校中建設(shè)該實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)先進(jìn)，有學(xué)科和專業(yè)特色。

操作技能考核：仿真軟件具備非常好的“操作評價(jià)功能”，其實(shí)時(shí)跟蹤記錄仿真系統(tǒng)狀態(tài)和學(xué)員的操作動(dòng)作，并給出科學(xué)公正的評判。所以仿真軟件還可以用于對學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)的考核與技能鑒定，學(xué)生可以發(fā)揮主觀能動(dòng)性，有時(shí)間機(jī)動(dòng)性，利于安排大量學(xué)生在不同時(shí)間去熟悉實(shí)驗(yàn)和提高操作技能。

教師課堂教學(xué)演示：本套軟件也可以在相應(yīng)的課堂中，由教師為學(xué)生介紹和演示污水處理廠的生產(chǎn)原理、工藝、主要構(gòu)筑物以及生產(chǎn)操作，對講解一些構(gòu)造復(fù)雜、性能優(yōu)異的工藝特別方便，是課堂教學(xué)效果提升的好助手。

三、實(shí)驗(yàn)室硬件、軟件環(huán)境要求1硬件要求

硬件系統(tǒng)是一套微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)有一個(gè)教師指令臺(tái)（亦稱上位機(jī)），根據(jù)用戶的需要系統(tǒng)所帶學(xué)員操作站（亦稱下位機(jī)）的個(gè)數(shù)可以靈活配置（視網(wǎng)絡(luò)情況可更多）。教師指令臺(tái)和學(xué)員站的要求，普通微機(jī)：主頻20GHz以上，硬盤大于1000G，內(nèi)存大于等于32G，普通打印機(jī)一臺(tái)（如無打印機(jī)，則無法實(shí)現(xiàn)打印功能，對其他功能無影響），預(yù)裝Rerit2016、 UNIBIM、 AMEP等三維圖像應(yīng)用軟件，可在原系統(tǒng)上進(jìn)行新的功能開發(fā)和豐富內(nèi)容。

2仿真軟件結(jié)構(gòu)

仿真軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

教師指令臺(tái)運(yùn)行總體監(jiān)控軟件，是整個(gè)仿真系統(tǒng)的控制中心和教師的操作界面，用于培訓(xùn)內(nèi)容選擇、培訓(xùn)功能設(shè)置。主要包括狀態(tài)恢復(fù)、工況重選、時(shí)標(biāo)設(shè)置、事故設(shè)置、報(bào)表記錄、打印設(shè)置、快門記錄、快門重演、成績顯示、程序凍結(jié)等。

工藝仿真軟件主要進(jìn)行生產(chǎn)裝置的仿真數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，同時(shí)有培訓(xùn)內(nèi)容選擇、培訓(xùn)功能設(shè)置。

仿控制系統(tǒng)（DCS）是學(xué)生進(jìn)行仿真操作的界面，包括實(shí)際控制系統(tǒng)中的操作畫面和控制功能，并與實(shí)際控制系統(tǒng)的畫面、功能保持一致，同時(shí)還包括現(xiàn)場操作畫面，它與工藝仿真軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

操作評定系統(tǒng)包括工藝操作指導(dǎo)、操作結(jié)果診斷和操作結(jié)果評定。

教學(xué)與實(shí)驗(yàn)素材——將專業(yè)教材上的難以描述的技術(shù)原理、工藝設(shè)備圖用3D、Flash等軟件加工成多媒體動(dòng)畫塊，生動(dòng)、直觀地表現(xiàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝流程， 方便老師調(diào)用制作課件，組織教學(xué)內(nèi)容，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，符合教學(xué)直觀性原理與互動(dòng)教學(xué)方向。

模擬仿真實(shí)驗(yàn)——通過建立虛擬的三維場景和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程。通過對仿真3D實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行互動(dòng)操作，產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。系統(tǒng)分為教師站和學(xué)員站，教師站上運(yùn)行的監(jiān)控程序與管理程序?qū)ο挛粰C(jī)的學(xué)員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，方便組織教學(xué)。配有標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)思考題生成器，開放接口。

仿真實(shí)習(xí)操作——真實(shí)DCS組態(tài)軟件或者仿DCS軟件，同時(shí)建立動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，來模擬工廠中監(jiān)控室和現(xiàn)場設(shè)備操作，綜合訓(xùn)練學(xué)生工藝、設(shè)備、儀表、控制、電氣等方面的能力。具有智能診斷評分系統(tǒng)，考核完全客觀化。有正常運(yùn)行以及開停車、事故處理等操作。

四、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)意義 采用較少的投資建設(shè)工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)，利用日益更新的軟件功能、豐富的多媒體技術(shù)與專業(yè)新技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段的更新，激發(fā)了廣大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高了教學(xué)效果；彌補(bǔ)了現(xiàn)代實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，滿足了在實(shí)地實(shí)習(xí)中難以進(jìn)行的實(shí)習(xí)操作的需求，不怕出錯(cuò)，可以重復(fù)和再現(xiàn)，可以設(shè)計(jì)在實(shí)習(xí)中很少出現(xiàn)的運(yùn)行條件和場景，低成本地實(shí)現(xiàn)給水排水工藝、工程的過程控制，對提高學(xué)生的動(dòng)手能力具有不可替代的作用。

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