虛擬仿真技術(shù)在能源與動力工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

薛香玉 張宏 張鋒 王博 張斌

[摘 要] 虛擬仿真教學(xué)具有自由度高、交互性強(qiáng)和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，可以讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。虛擬仿真平臺可以全范圍再現(xiàn)火電機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行的整個流程，通過計(jì)算機(jī)模擬火電廠的運(yùn)行過程及高溫高壓等高危生產(chǎn)場景。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于能源與動力工程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，滿足了新冠肺炎疫情常態(tài)化下線上實(shí)訓(xùn)的需求，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的深度融合，也為學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及科研提供了平臺，拓展了平臺的應(yīng)用范圍。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;能源與動力工程;實(shí)訓(xùn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2017年度陜西科技大學(xué)教改項(xiàng)目“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)”（17Y059）

[作者簡介] 薛香玉（1987—），女，陜西韓城人，碩士，陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，主要從事新能源發(fā)電研究;張 宏（1963—），男，貴州貴陽人，碩士，陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，主要從事新能源科學(xué)及技術(shù)研究;張 鋒（1966—），男，陜西西安人，碩士，陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事熱能動力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）33-0133-04? ? [收稿日期] 2021-03-25

近年來，隨著科技的發(fā)展，智慧化教育和信息化教育的浪潮正在席卷高等教育。虛擬仿真技術(shù)在推動教學(xué)理念變革和教育信息化方面的作用日益凸顯。本文將介紹我校能源與動力專業(yè)或電廠虛擬仿真平臺在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用情況。

一、能源與動力工程專業(yè)的實(shí)訓(xùn)特點(diǎn)

能源與動力工程專業(yè)涉及熱力發(fā)電、制冷、內(nèi)燃機(jī)和新能源等多個模塊，其培養(yǎng)內(nèi)容既包括了與傳統(tǒng)能源行業(yè)相關(guān)的設(shè)備及流程，如鍋爐、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和動力設(shè)備安裝與維護(hù)等，也包括了新興的新能源利用相關(guān)技術(shù)，具有課程種類多、課程數(shù)量大和知識面廣的特點(diǎn)。能源動力類的實(shí)訓(xùn)課程具有以下特點(diǎn)。

（一）生產(chǎn)安全要求高

操作條件多為高溫高壓狀態(tài)。操作對象有高溫高壓蒸汽、天然氣、空氣、氧氣和混合物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)的壓力范圍和溫度范圍較大。這對于學(xué)生的操作無疑有重大的安全隱患，出于安全考慮，許多實(shí)習(xí)或?qū)嶒?yàn)中的學(xué)生只能觀察不能靠近，因此學(xué)生缺乏實(shí)踐機(jī)會。

（二）設(shè)備復(fù)雜且龐大

設(shè)備的體量較大，流程較為復(fù)雜，例如鍋爐、除塵器和汽輪機(jī)等，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，因此設(shè)備的經(jīng)費(fèi)和場地都限制了實(shí)驗(yàn)過程。

（三）設(shè)計(jì)類型項(xiàng)目較少

目前能動類實(shí)訓(xùn)課程大多操作流程教程相對固定，學(xué)生不能進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與搭建，學(xué)生熱情不高。

（四）課時量大

學(xué)生人數(shù)多，且課程數(shù)量多，受制于實(shí)驗(yàn)臺套數(shù)和學(xué)生的時間安排，實(shí)訓(xùn)類課程安排緊張，教師也很難有時間在課堂上與學(xué)生進(jìn)行充分的互動，因此存在對學(xué)生指導(dǎo)不夠的情況。

二、虛擬教學(xué)的特點(diǎn)

虛擬仿真教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的生產(chǎn)過程，讓學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真操作，并獲得身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在虛擬環(huán)境中掌握火力發(fā)電廠的主要原理、工藝流程和運(yùn)行特點(diǎn)。

（一）自由度高

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涵蓋面廣，綜合性強(qiáng)，有大量的軟件公司開發(fā)出了多種仿真實(shí)訓(xùn)平臺，學(xué)生可以根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，隨時隨地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，仿真平臺還可以多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最大限度地滿足學(xué)生的各種需求。

（二）交互性強(qiáng)

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課堂大多是通過視頻和講述的方式向?qū)W生呈現(xiàn)高危工況，學(xué)生難以產(chǎn)生真實(shí)的體驗(yàn)。結(jié)合多媒體（例如音頻、視頻和圖像等）技術(shù)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生有了身臨其境的感覺，豐富了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課堂形式。

（三）可變更操作條件

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)可以演示一些復(fù)雜、抽象、高危、周期較長及不便于直接操作或者觀察的項(xiàng)目，例如超臨界鍋爐這類的高溫高壓設(shè)備工作過程。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的能動實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

我校實(shí)驗(yàn)中心目前已建成火電廠虛擬仿真平臺，可以滿足學(xué)生自主和個性化學(xué)習(xí)的要求，同時正在建設(shè)新能源仿真平臺。結(jié)合近幾年的仿真實(shí)驗(yàn)開展情況進(jìn)行分析，我校實(shí)驗(yàn)中心基于虛擬仿真技術(shù)的能動實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)勢如下。

（一）滿足多種學(xué)習(xí)需求

利用網(wǎng)絡(luò)平臺，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺可向?qū)W生提供遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，滿足學(xué)生線上學(xué)習(xí)的要求。學(xué)生自行進(jìn)行練習(xí)，仿真平臺可以對練習(xí)情況進(jìn)行打分和評價，給出分析報告。仿真實(shí)訓(xùn)也為學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及科研提供了平臺，這些都極大地拓展了平臺的應(yīng)用范圍[1]。

（二）降低專業(yè)教育成本

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為能動專業(yè)的學(xué)生提供了安全、便捷的操作平臺，以較少的資金和人力投入實(shí)現(xiàn)了高?；蚧ㄙM(fèi)較大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，幫助學(xué)生掌握專業(yè)知識，提高實(shí)踐能力，并完成技能培養(yǎng)。

（三）滿足了新冠肺炎疫情常態(tài)化下線上實(shí)訓(xùn)的需求

新冠肺炎疫情期間，為了安全，學(xué)生不能到校外參加實(shí)習(xí)，因此轉(zhuǎn)為在校實(shí)習(xí)。虛擬仿真平臺既可以為學(xué)生提供校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺，又可以進(jìn)行線上授課。

（四）促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)

虛擬仿真技術(shù)推進(jìn)了信息化技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)的進(jìn)程，既可以滿足對教學(xué)數(shù)據(jù)的信息化存儲與管理，又可以實(shí)現(xiàn)對教學(xué)數(shù)據(jù)的分析及統(tǒng)計(jì)，提高了教學(xué)綜合管理效率。學(xué)生可以不受開放時間的限制，根據(jù)個人的時間安排，在移動終端上遠(yuǎn)程訪問虛擬仿真平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)[2]。

四、能源動力專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的概況

（一）火電廠虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺

火電廠虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可以完整再現(xiàn)整個火電廠的生產(chǎn)流程，全范圍1∶1模擬DCS控制系統(tǒng)，主要包括機(jī)組正常啟停機(jī)、緊急事故處理和生產(chǎn)試驗(yàn)等運(yùn)行操作練習(xí)，也可以進(jìn)行仿真系統(tǒng)算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。該仿真機(jī)由清華紫光仿真有限公司提供，仿真對象包括鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、公共系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等?；痣姀S虛擬仿真平臺的硬件主要包括服務(wù)器、下位機(jī)和備用電源等。主機(jī)采用高性能的服務(wù)器，內(nèi)置火電廠仿真模型，使用人員可根據(jù)自身的實(shí)際修改、添加或刪除模型，也可以改變控制策略等。教練員站和操作員站均使用可視化的操作系統(tǒng)，可直接在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行建模及操作。教練員站可實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)、演示和練習(xí)評價等培訓(xùn)功能。操作員站可以與服務(wù)器通過局域網(wǎng)相連，實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。