环境工程虚拟仿真实验项目建设

刘育 孙连鹏 陈玉娟

摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。该文以“微曝氧化沟工艺”为模拟对象建立虚拟仿真实验教学项目。采用DCS组态软件，建立动态过程数学模型，模拟工厂中控室和现场设备操作。项目模拟真实工厂的中控室、水处理设备和分析监测仪器的工作方式，通过仿真的参数调整方式，改变设备的运行，同时获得相对真实的动态结果。定制开发符合自己学科要求的虚拟仿真软件，可以提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

关键词：环境工程；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：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

虛拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神，根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》、 《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》 和《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》等相关要求，加快推动信息技术与教育教学融合创新发展[1]。根据《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，在‘以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式等指导思想下进行环境工程虚拟仿真实验教学项目建设[2]。

一、环境工程虚拟仿真实验教学项目建设的必要性

环境工程工艺系统设计运行管理和优化改造过程在教学中难以直观体现，环保行业工艺日趋复杂，学生在生产实践过程中难以了解全部环保设备工作原理与构造结构。而且现代企业自动化程度高，对现场操作的要求高，绝大多数岗位必须持证上岗，企业出于工厂生产和学生人身安全考量，更加限制学生生产现场实习的时间与空间范围，使得工厂实习仅仅停留在参观的层面上，无法深入生产现场。因此有必要开发一些模拟实际工艺流程与工厂设施的仿真实验项目，尤其是涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的虚拟仿真实验应用具有非常重要的意义。

高校可以通过发挥学科专业优势，利用科研成果拓展虚拟仿真实验教学范围、丰富虚拟仿真实验教学内容，积极利用企业的开发能力，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设高水平虚拟仿真实验教学资源。定制开发符合自己学科要求的虚拟仿真软件，可以提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学[3-6]。

二、环境工程虚拟仿真实验教学项目建设目标

环境工程虚拟仿真实验教学项目建设采用DCS组态软件，建立动态过程数学模型，模拟工厂中控室和现场设备操作。按照教学大纲要求开发的仿真软件，以动态形式逼真地展示厂区内概况、水处理工程相关设备的内部构造、工作原理以及相关工艺流程的动态演示等。综合训练学生对于流程工艺、环保设备、分析仪表、系统控制、电气操作等方面的能力。软件主要侧重操作，以模拟正常工况、冷态开车、正常停车、常规事故以及安全事故预案应急处理等不同的培训工况进行涵盖工艺、设备、安全等多方面的以操作为导向的培训[7，8]。

环境工程虚拟仿真实验教学软件需要实现工艺流程过程仿真、设备监控模拟、实时警报、历史曲线回放、数据报表、参数设置等功能。学员可以根据自己的需求选择不同的岗位进行实习培训，并且对水质分析、污泥指标分析等污水处理厂常用指标的检测方法进行培训学习，为学员适应不同的岗位提供基础。将正常的工艺操作仿真和事故预案模拟相整合，同时兼顾中控室里的DCS操作培训、室外操作培训和应急预案处理条例培训等，最终实现将计算机系统模拟和仿真技术相结合，满足集实验与考核功能于一身的要求。通过在仿真操作中反复练习工艺操作过程，调试水处理单元各参数，实现水处理系统的正常运行。可以提高学员对污水处理工艺流程、设备结构、设备原理的理解能力，并让学员掌握污水处理常见故障的解决方法，加深学员对工艺的理解[9，10]。

三、环境工程虚拟仿真实验教学项目建设内容

文章介绍的是以“微曝氧化沟工艺”为模拟对象建立虚拟仿真实验教学项目（图1）。氧化沟是一种改良型循环流动式活性污泥法，一般采用低负荷延时曝气的方式运行，具有维护运行简便、处理效果稳定等特点。近年来微孔曝气氧化沟通过采用曝气和推流功能相分离的方式，具有便于独立控制及低能耗等特点，应用日趋增加。

该项目构造了微曝氧化沟工艺设备装置与流程，并在仿真软件中加入分析仪表，包括溶解氧探测仪、污泥浓度计、在线CODcr仪表，能同时实现仿真控制和即时反馈的仪表读数（图2）。这些虚拟仪器或设备的运行，是基于水处理反应动力学和水力计算的相应理论，直接反映工厂实际工艺，再现真实实验进程。项目模拟真实工厂的中控室、水处理设备和分析监测仪器的工作方式，通过仿真的参数调整方式，改变设备的运行，同时获得相对真实的动态结果。这样不需要实际建造大型设备，不受工厂实际运行周期影响，能够进行更广泛的选择而获得优化结果。同时还有故障分析功能来进行仿真实践教学和毕业设计等，提供学生在实际工厂无法获得的分析大型复杂事故的故障原因与处理办法，加深学生对工艺系统、工程安全操作与解决故障的认识。软件的教师端设定的功能包括：工况选择、事故模拟、控制参数的调整、工艺变量趋势的显示与学生操作的评分等[10]。

本项目中，根据污水厂工艺流程的实际情况，实现了模拟动画与控制一体化。各电气运行状态于动态流程上相对应。流程中的单个设备具备弹出式文字和声音说明，描述工艺及各设备的作用、简介等；工艺中的数据等参数，具备历史搜寻功能，可以进行历史报表的汇总打印和报表的导出等化（图3）。可对关键数值进行报警，达到报警条件，即进入报警窗口，显示报警。

四、环境工程虚拟仿真实验教学项目后续建设

由于虚拟现实技术的快速发展，本项目将在后续建设中在虚拟现实环境下以3D形式模拟污水处理厂环境和操作过程，最终构建“3D虚拟现场操作+水质虚拟监测实验”相结合的模式[11]。3D虚拟环境与真实污水处理厂布置一致，能进一步提高学生对工厂的工艺流程、设备装置、生产操作的理解能力，更好的掌握理论知识，提升實际工程的设计能力。同时将工艺流程、车间布局、设备原理、工厂环境、安全生产等工厂实际要素与学生实验操作、客观评分融合在一起，在虚拟仿真实验教学项目中体现全过程教育的理念[12]。

五、结束语

总之，根据习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，我们将努力发挥学科专业优势，以培养学生综合实践能力和创新创业能力为出发点，创造性地建设高水平环境科学与工程虚拟仿真实验教学项目，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容。

参考文献：

[1]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[Z].

[2]教育部办公厅.教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅〔2017〕4号）[Z].

[3]刘育，孙连鹏.环境科学与工程专业实验教学绿色化研究[J].实验科学与技术，2013，11（6）：309-311.

[4]段凤魁，贺克斌，杨宏伟，等.环境专业仿真实验教学的建设探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（4）：101-103.

[5]路勇，马修真，高峰，等.船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源建设与实践研究[J].实验技术与管理，2016，33（3）：117-119.

[6]杜雷，张伟，王俭.化工特色应用型人才培养的资源库建设与研究[J].内蒙古科技与经济，2017（12）：139-140.

[7]李一博，孙立瑛，李凌阁.PLC仿真实验教学内容的探索与发展[J].实验室科学，2012，15（5）：17-20.

[8]谢慧芳，胡朝霞，陈守文，等.融入仿真系统的环境工程实践教学改革[J].实验技术与管理，2016，33（9）：115-118.

[9]周天沛，代洪.虚拟PLC仿真实验平台的设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（2）：77-79.

[10]刘立新，王建伟.智能化模拟工厂在化工实践教学中的应用研究[J].广东化工，2016，43（2）：155-155.

[11]高媛，刘德建，黄真真，等.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究，2016（10）：77-87.

[12]吴霞.工科基础实验课考试“全程化”探索[J].高等工程教育研究，2017（2）：189-193.