基于虚拟仪器可过程监控反馈的油料化验实验系统构建*

管亮 杨庭栋 鄢豪 段宇恒

1 陆军勤务学院 重庆 401311 2 联勤保障部队军需能源质量监督总站 北京 100036

0 引言

油料是战争的“血液”，现代战争的各类物资消耗中，油料消耗占比超过70%，质量合格的油料是作战油料装备安全高效运行的前提和基础，对油料进行分析化验是作战油料保障的基础环节。油料化验工作也是军地油库业务工作中的一个重要环节，对油料的接收、储存、使用具有极为重要的指导意义[1]。系统、全面培养化验员油品分析检测能力是军地油料保障专业的重点内容之一。油料化验是一门以油料化验室化验员为主要培养对象的岗位任职核心课程。从课程内容来说，油料化验是一门以油品分析方法标准为手段，以油品产品标准为依据，重点是对油品的收发、储运、加注等各环节的质量进行严格把关的课程。无论是军队还是地方油库，油料化验一般区分为接收化验、入库化验、储存化验和其他化验，各类化验项目涉及的数量较多。例如，车用汽油、车用柴油等燃料油的化验项目有19 项之多。

虚拟仪器(Virtual Instrument)是一种以模块化硬件为基础，结合软件资源和接口技术，实现测试测量、自动化控制和仿真等领域的功能需求的信息化工具[2]。虚拟仪器技术的核心概念是“硬件是基础，软件即仪器”，其基于计算机等通用软硬件平台，内置性能强大的功能和函数，从数据采集、信号处理、转换存储、界面显示等方面为用户提供便捷的解决方案[3]。目前，虚拟仪器技术在电工电子[4]、机械工程[5]、化学类[6-7]、传感器[8-9]、物联网[10]等多个专业领域课程的实验教学中得到了广泛应用。虚拟仪器灵活高效的软件能完成自定义的用户界面，模块化的硬件能方便提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求[11]。只有同时拥有高效的软件、模块化的I/O 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器的性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势[12]。

本文在分析油料化验教学过程存在的矛盾问题的基础上，充分利用虚拟仪器软硬件系统的优点，构建了具有扩展性强、集成性能突出的油料化验实验系统，目的是解决当前油料化验员培训过程中存在的实验过程监控及教学效果反馈难等系列矛盾问题[13-14]。

1 油料化验教学中存在的主要矛盾问题

油料化验课程属于化学类课程[15]，是一门以实验实践为核心的课程[16]，以陆军勤务学院油料化验课程为例，课程总学时180 学时，教学大纲规定实验实践学时不能低于60%，而实际学时为120学时。学员必须将所学的理论知识和操作技能不折不扣地落实到每一个化验项目和每一个操作步骤中去，才能实现实验教学目的[17]。目前，油料化验教学过程中存在以下突出的矛盾问题。

1.1 实验过程监控及教学效果反馈难

油料化验本质上是一类“过程性”和“条件性”的实验，油料化验课程的实验必须严格依据方法标准的试验步骤进行，否则所得出的试验结果将会因为不符合方法标准所规定的程序要求而无效。实验结果的真实性和可靠性与实验过程控制密切相关[15]，必须对实验过程进行监控和反馈，才能有效评价实验效果和结果的正确性[18]。油料化验的实验过程的监督、监控和效果反馈，是确保油料化验实验效果的基本前提条件。但是，目前采用的整体灌输式的实验教学内容，教员巡视指导分组实施的实验教学组织形式使得教员无法有效掌控学员的实验过程，学员在实验过程中的错误、异常等只能通过实验学员本人和教员进行人工反馈，无法实现实时有效的过程和实验教学效果反馈，实验教学没有体现因材施教和有的放矢的教学原则。

1.2 理论教学和实验训练分离割裂

油料化验类课程属于分析化学范畴，每种试验方法标准都有较为系统的分析方法和检测理论支撑，但理论教学一般枯燥、乏味、抽象、晦涩，而且由于理论教学与实践教学是分开进行的，即：一般是先在教室进行理论教学，然后到实验室进行分组实验训练。受到实验环境的制约，学员无法方便地根据实验现象验证理论知识，这就造成了目前学员理论学习时主动性和积极性不高、理论知识掌握不牢靠，实验训练时又容易忘记相关理论和注意事项；实验时手忙脚乱、效果差，甚至乱实验，实验训练教学效果差。有效地将理论教学和实验训练相融合，一直是油料化验类课程教学研究的核心问题之一，这就要求我们：学员在进行理论学习时能够自主地进行虚拟实验验证；在进行实验训练时能够自主地进行各个实验环节的理论提示。

1.3 实验项目设置无法全面覆盖

油料化验类课程实验涉及对象多，项目多[19]。根据油品的类别油料化验实验对象分为燃料油、润滑油、润滑脂、特种液等四种类型。主油（燃料油）可分为航空活塞式发动机燃料、车用汽油、喷气燃料、车用柴油、军用柴油、军舰用燃料油、航空洗涤汽油等若干品种；附油还可区分为润滑油（液压油）、润滑脂、制动液、冷却液（防冻液）、难燃液压液、缓蚀剂、防冰添加剂等若干模块。还可根据油品固有的属性进一步细分为油品的蒸发性测定、洁净性测定、腐蚀性测定、安全性测定、安定性测定、低温性测定、黏度测定及其他性能测定等模块。

总的来说，燃料油的化验项目包括外观水分杂质、颜色、密度、水溶性酸或碱、馏程（蒸馏）、（总）酸度（值）、氧化安定性（以总不溶物计）、实际胶质（胶质含量）、铅含量、水反应、电导率、铜片腐蚀、银片腐蚀、闪点（闭口）、凝点、冷滤点、黏度、十六烷指数和水分离指数等19 项；润滑油脂和特种液的化验项目包括外观、水分、密度、酸值、闪点（开、闭）、倾（凝）点、腐蚀（铜、钢）、黏度、锥入度、（宽温度）滴点、分油量、游离碱或游离有机酸、破（抗）乳化、平衡回流沸点、橡胶相溶性、冰点、pH 值、折光度、沸程等19 项。

目前采用的实验教学内容组织形式和教学模式，覆盖油品类型和指标少而不全面。例如，对于馏程指标，车用汽油、车用柴油、军用柴油和喷气燃料等不同类型油品的馏程实验在选用仪器配件和试验条件控制方面存在较大的差异，但由于教学时间的限制，只能选取一种油品进行实验教学，其他类型油品只能进行理论提示，学员不能得到有针对性的较为全面的实践训练，导致很多学员到工作岗位后需要进一步进行有针对性的培训，例如，航空油料化验员要求对喷气燃料的化验项目必须熟练掌握，而油库油料化验员必须熟练掌握车用柴油、军用柴油等常见燃料的化验操作技能[17]。

1.4 实验教学本质被忽视

目前油料化验类课程实践教学基本上是将学员分成组，按照实验指导书上的实验步骤、要求和注意事项进行操作。大部分实验教学时间都是用于油料化验操作，学员也仅仅是为了得到数据而进行操作，忽略了实验的目的和对问题的分析，不适用于目前追求的探究式的教学方式，也就是“只知道要这么做”，而“不知道为什么这么做”。实验报告的书写和实验数据的处理，学生只是机械地照搬照抄，不会进行后期的消化与思考。对于一些自觉性较差的学生，极容易造成达不到实验实践教学的效果。实验内容多为验证性实验，学生自由设计的灵活性小，很难调动学生的积极性，不能满足应用型人才培养的需要，一定程度上影响了学生创新意识的培养和综合实践能力的提高。油料化验是军队油料质量保障技术手段和组成部分的实验教学本质被忽视了。

2 基于虚拟仪器可重构的油料化验实验室的构建

根据各类不同的油料化验实验，基于虚拟仪器系统构建了一套“虚”“实”结合的实验系统：首先利用各类传感器将油料化验实验过程中相关物理和化学实验信号转变为电信号，或者可以从其他测试仪器中直接采集输出的电信号；然后，利用虚拟仪器系统强大的数据采集、处理和分析能力，将模拟的电信号转换为数字信号，再利用虚拟仪器软件系统编写相应的实验仪器虚拟界面，并转换为相应的油料化验实验数据，同时进行后期数据处理。通过虚拟仪器的软件设计，可以针对不同类别的仪器或实验设计不同的虚拟仪器或实验界面。这样，就形成了一个能将不同的油料化验实验或仪器联系在一起的油料化验实验虚拟仪器系统。

基于虚拟仪器的油料化验实验室的主要特色是“虚”“实”结合，以获取油料化验实验过程中的实时反馈信息为手段，达到实时监控和评价学员实验效果的目的。实验系统的整体架构如图1 所示。

图1 基于虚拟仪器的油料化验实验室体系架构

首先，对油料化验所涉及的化验项目类型进行了总结归类，具体分为蒸发性测定、洁净性测定、腐蚀性测定、安全性测定、安定性测定、低温性测定、黏度测定和其他性能测定等8 种。通过分析这8 种化验项目类型，对所用到的化验仪器设备根据功能进行了模块化抽象处理，区分为加热模块、制冷模块、温度检测模块、振动测定模块、称重模块、颜色分析模块、电位分析模块、电导率模块、仪器分析模块等9 个模块，据此可以实现35 个化验项目的实时监控和反馈。

其中加热模块、制冷模块及与其密切相关的温度检测模块是油料化验实验的主要核心模块，涉及35 个化验项目中的24 个。其余类别或是与这三类相关，或是可以采用纯虚拟实验的方式实现，例如，仪器分析模块。

2.1 加热类实验模块构建

加热类化验仪器设备是油料化验实验最常用的类型，其体系架构如图2 所示。由于石油产品本质上是一类组成结构较为复杂的有机混合物体系，其大多数质量指标与其炼制过程紧密相关，例如蒸馏特性、闪点等指标。加热类实验模块需要和温度检测模块联合设计，主要包括恒温功能单元和加热速率控制功能单元，覆盖馏程（蒸馏）、闪点（开、闭）等21 个化验项目。

图2 加热类实验模块架构

2.2 制冷类实验模块构建

制冷类化验仪器设备主要涉及油品的低温性能测试，其体系架构如图3 所示。制冷类实验模块需要和温度检测模块联合设计，主要包括恒温功能单元和制冷速率控制功能单元，覆盖凝点、冷滤点、冰点等3 个化验项目。

图3 制冷类实验模块架构

2.3 其他类型实验模块构建

振动、称重、颜色分析、电位分析、电导率分析等5 类实验模块中，一些与加热、制冷、温度检测实验模相关，例如，振动类的密度测定实验，称重类的氧化安定性和实际胶质（胶质含量）实验，颜色分析类的腐蚀实验等。电位分析本来自动化程度较高，可以采取直接采集实验仪器参数的方式实现。电导率检测一般采用的是手持式仪器，实验时间较短。仪器分析类实验模块由于仪器系统复杂，操作过程烦琐，可以采用全虚拟化的形式来实现。表1 总结了这几类实验模块涉及到的化验项目。

表1 几类实验模块涉及的化验项目

2.4 虚拟仪器系统相关构建

基于梳理的油料化验实验功能模块，设计虚拟仪器系统如图4 所示，主要区分为软件系统和硬件系统。软件系统可以采用经典的LabVIEW 软件[20]，也可以采用简仪科技开发的锐视开源软件。

图4 虚拟仪器系统架构图

硬件系统包括虚拟仪器硬件系统，如信号发生、数据采集、模块化仪器、常规信号采集等模块，以及外部辅助硬件系统。其中外部辅助硬件系统是利用原有化验仪器设备，例如，可以利用蒸馏测定器和闪点测定仪的加热硬件等。

实验系统最大的特点在于硬件和软件系统的可重构性，主要体现在以下几个方面。

一是基于虚拟仪器的硬件系统完全共用，不同实验类型能够根据实验通道数可以通过软件快速定制，实现快速的重构增减。

二是外部辅助硬件系统部分共用，属于加热、制冷、其他等类型内部的实验项目能够实现充分共用。

三是实验软件系统灵活多变。一方面，通过功能化、模块化和标准化设计，学员既能够完成教员既定的实验模块，又能够在教员的指导下通过自我积木式的系统搭建，完成创新性的实验。另一方面，教员可以通过该系统设置“故意”的“误”模块，实现对学院的深层次的考核。

3 结束语

针对油料化验实验教学过程中存在的实验过程监控及教学效果反馈难等系列矛盾问题，充分利用的虚拟仪器软硬件系统的优点，构建了具有扩展性强、集成性能突出的油料化验实验系统。

新的油料化验实验系统将油料化验所涉及的化验项目归类总结为蒸发性测定、洁净性测定、腐蚀性测定、安全性测定、安定性测定、低温性测定、黏度测定和其他性能测定等8 种类型；并以此将所用到的化验仪器设备根据功能进行模块化抽象处理为加热模块、制冷模块、温度检测模块、振动测定模块、称重模块、颜色分析模块、电位分析模块、电导率模块、仪器分析模块等9 个模块，实现了35 个化验项目的实时监控和反馈。

在此基础上，课题团队将在“虚”“实”结合的油料化验实验系统的基础上，增加“误”的功能模块，即，通过合理设置错误的设置和操作模块，让学员在排除故障和解决问题的过程中对理论知识和实操技能有质的飞跃提升，从而满足不同层次学员的教学需求。