借助简单案例实现环境工程仿真技术的快速入门

樊立萍

【摘要】仿真技术是提高工程类课程教学效果的有效手段。本文针对环境工程专业特点，探讨借助简单案例实现环境工程仿真技术快速入门的教学方法，提高了环境科学与工程类专业计算机仿真技术课程的教学效果。

【关键词】环境工程 仿真技术 案例

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）01-0231-02

随着工业化进程的加快及全球经济的迅猛发展，工程教育正经历着不断的挑战。高等教育实施过程中，工程教育是建立在从实验室获得的最低实践量基础上的。然而，伴随着高技术设备的复杂性与快速发展，实验设备日趋高代价性与广泛性，导致即使是完成工程教育最低实践量所需的设备，也是一般院校无法负担的。

仿真是一种可方便描述和分析系统行为的重要分析工具。仿真环境可以有效模拟实际工程场景，为工程教育学生提供虚拟工程训练平台。仿真技术应用于工程教育，在实验速度、实验成本等方面优势明显，更为一些实验室无法实现的特殊工况的工程训练提供了方便。仿真技术已经成为工程教育中实现工程训练的重要辅助手段。

环境工程仿真技术已经被大多数院校设置为环境工程本科或研究生教学中的一门专业技术基础课。环境工程专业的学生一般在计算机编程方面的基础较弱。大多数的仿真教材都是从枯燥的编程语言开始的，对于非计算机专业学生来讲，往往是大多很难接受。

本文探讨通过一个简单案例——河流水质S-P模型MATLAB的实现，快速掌握环境工程仿真技术，进一步借助环境工程仿真技术，掌握环境过程机理，辅助环境过程实践教学。

一、MATLAB仿真平台下环境过程模拟的基本方法 MATLAB是目前工程技术领域应用最广泛的仿真软件。应用MATLAB对环境过程进行仿真，主要步骤如下：

第一步：建立环境过程数学模型。环境过程数学模型一般是根据过程反应机理建立起来的一个或一组微分方程。

第二步：求解微分方程。

第三步：MATLAB编程。

第四步：仿真运行与结果分析。

二、以实例说明仿真实现方法

以最简单的河流S-P 模型的MATLAB仿真为例。

1.建立河流水质模型

河流水质S-P数学模型：

其中，L为河水中的BOD值；D为河水中的氧亏值；Kd为河水中BOD衰减（耗氧）速度常数；Ka为河流复氧速度常数；t为河水的流行时间。

2.求解模型方程

根据微分方程求解方法，可得河流S-P模型的解析解为：

其中，L0为河流起始点的BOD值；D0为河流起始点的氧亏值。

环境分析中有时也以氧垂曲线反应过程变化情况。河流水质变化过程氧垂方程为：

O=Os-D

其中，Os为饱和溶解氧值。

3.MATLAB编程

可以以两种方式实现MATLAB仿真。一种是编写m文件，一种是建立SIMULINK仿真模块。首先采用m文件实现S-P模型的仿真。

用Matlab 语言编写的程序称为m文件。打开MATLAB的 m文件窗口，键入实现以S-P模型模拟河流水質变化过程的MATLAB命令系列，即可建立S-P模型仿真文件。为了实现对一个实际河流的逼真模拟，并能够直观观测河流水质变化过程，这一m文件包括原始数据输入、过程建模、模型求解、结果输出等一系列命令系列。课堂教学过程中所建立的河流S-P模型的riverSP.m文件如下：

结合此文件，可以在MATLAB命令窗口下，边建立文件，边讲解数据如何输入，模型如何建立，图形如何输出，以及主要MATLAB命令的作用等即可讲解清楚。

运行此文件，可得到图1所示运行结果。对照图1，学生可清楚观察到表征河流水质的三个主要水质指标的变化趋势。这些曲线的变化趋势与实践河流水质变化完全一致，一方面验证了仿真程序的正确性，另一方面，证明了仿真技术对于环境工程实践应用的可行性。

图1 河流S-P模型m文件运行结果

在MATLAB仿真环境下实现过程模拟的另一种方法是建立SIMULINK仿真模型。SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境。它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

建立SIMULINK仿真模型的方法如下：打开SIMULINK LIBRARY（模型库）选择所需元器件，按照模型表达式连接所需器件，即可构成完整仿真图。

河流水质S-P模型的SIMULINK仿真模型如图2所示。

图2 S-P模型的SIMULINK仿真模型

选择Simulation-start开始仿真运行，可以从SIMULINK模拟示波器观察到运行结果如图3所示。

图3 SIMULINK仿真结果

三、总结

比较图1和图3可见，无论采用m文件编程，还是采用SIMULINK模型库建模，对同一对象的仿真效果是一致的。

实际的教学实践过程证明，通过以上简单实例的分析讲解与课堂操作，学生对MATLAB仿真技术可以有一个快速了解，对一些简单的环境过程的仿真实现，也可以通过此例进行举一反三的练习实践，实现了对环境工程仿真技术的快速入门。

参考文献：

[1]H. R. Maier. Meeting the challenges of engineering education via online roleplay simulations [J]. Australasian Journal of Engineering Education， 2007， 13（1）： 31-38

[2]L. Sevgi. Modeling and Simulation Concepts in Engineering Education： Virtual Tools [J]. Turk J Elec Engin， 2006， 14（1）：113-127