森林工程專業實驗教學平臺建設

肖生苓，王立海，董希斌，張佩劍，王 劍，薛 偉，張希棟

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱 150040)

1 森林工程實驗教學平臺建設背景

東北林業大學森林工程專業創建于20世紀50年代，一直是我國林業建設和林業教育人才培養的重要基地，為我國林業發展建設做出了巨大貢獻。森林工程專業現在是黑龍江省重點專業、國家級特色專業。隨著我國森林資源、生態環境的變化，隨著國家林業政策及產業結構的調整，隨著科學技術的快速發展及林業作業技術和裝備的不斷進步，對森林工程專業人才培養提出了更高的要求［1］。同時，森林工程專業的內涵、外延也在發生著變化。在這種形勢和背景下，森林工程專業的實踐教學既要保持和發揮傳統的精髓，還必須改革和創新［2］。依托教育部國家級實驗教學示范中心建設項目(2009);黑龍江省教育廳高等教育教學改革項目(2011)，森林工程實驗教學中心圍繞著復合型人才的培養目標，建立了“三層次(基礎型實驗教學層次、綜合型實驗教學層次和創新型實驗教學層次)、四模塊(基礎實驗模塊、專業實驗模塊、綜合實驗模塊和野外實驗模塊)、五方向(森林作業科學與技術、木材工程、林業裝備工程、林區道路與林產品物流工程、森工管理與信息工程5個專業方向)”［3］的實驗教學新體系。

為實施由基礎實驗、專業實驗、綜合實驗和野外實驗四個模塊構建的森林工程專業實驗教學體系，在現有實驗室硬件設備資源的基礎上，進一步開發、完善并優化森林工程規劃、森林工程專用機械與設備、林業物流工程、林產品包裝、森林工程系統與項目管理實驗教學系統，建設了森林工程專業特色鮮明、具有自主知識產權的現代實驗教學平臺。

2 森林工程專業實驗教學平臺建設情況

2.1 智能多媒體木材生產規劃實驗平臺建設

該實驗平臺利用計算機模擬、智能控制、多媒體展現，集聲、光、電和影像等于一體［4］，全景、立體化展現東北林區山形地貌、資源類型、數量、木材生產裝備及工藝過程。包括1個主沙盤(6 m×6 m)、兩個副沙盤(2 m×3 m)、木材生產規劃設計軟件和6個多媒體子系統等，如圖1所示。

圖1 智能多媒體木材生產規劃實驗平臺Fig.1 Experimental platform for Intelligent Timber Production and Planning

(1)采伐作業子系統。在立體沙盤的采伐作業區域內，可模擬油鋸伐木全過程，并能根據設計要求，采用電控方式及計算機模擬森林采伐方式(皆伐、擇伐和漸伐)、采伐強度等。

(2)集材作業子系統。在某一典型作業區內，真實模擬從伐木地點到裝車場、不同集材方式集材的全過程。在立體程控沙盤內，學生可綜合運用所學知識，設計出拖拉機集材方式、索道集材方式、畜力集材方式、滑道集材方式和水運集材方式等。

(3)木材運輸子系統。采用陸運和水運兩種運輸方式。陸運分為林區公路運輸和森林鐵路(窄軌)運輸兩種類型，在立體主沙盤上能動態地展現出運材汽車列車、森林窄軌火車木材運輸過程和逼真的木材飄流水運過程。學生在規劃設計過程中可根據實際情況需要，設計采用不同的運輸方式。

(4)貯木場生產子系統。在立體主沙盤中的貯木場生產作業區域內，以微型實物形象展現出卸車、造材、選材、歸楞和裝車生產工藝，并可按所設計的生產工藝要求進行操作。

(5)剩余物綜合利用子系統。采用電控模擬技術展示板材加工、木材削片以及利用制材和造材剩余物制備木炭、生產乙醇和發電等工序。

(6)林業局局場址優化設計及伐區作業機械設備規劃子系統?？筛鶕巹澐^山形地勢、資源分布、樹種組成和森林蓄積量等因子合理地區劃作業伐區、林班、設計林區道路網及集材道，確定最優化的森工生產作業工序。

該實驗平臺可真實再現伐區生產所有元素，可進行基礎型、專業型、綜合型和野外實踐四個模塊的實驗，改變了傳統的實驗教學模式，能夠充分發揮和調動學生學習的積極性和主動性，培養學生的溝通能力和協作精神，最大限度地鍛煉學生全面、靈活運用所學知識的能力［5］。

2.2 原木自動生產線實驗平臺建設

該實驗平臺基于信息集成、自動控制和先進的工程技術等現代高新技術，包括原條合理量材造材實驗子系統［6］、原木輸送智能控制實驗子系統、原木生產線自動拋木與分揀子系統。該系統原木按材長分為5個等級，材質檢測和量材設計采用CCD視頻技術，原木貯存采用庫存技術，系統與實際生產線的比例為1∶5，凈長36 m。主要裝置包括中央控制臺、驅動電機、鏈輪、棧架、牽引鏈條、承載量、造材圓鋸片、氣動拋木桿、編捆筐和叉車等，如圖2所示。該平臺具有以下主要特點:

圖2 原木自動生產線實驗平臺Fig.2 Experimental platform of log automatic production line

(1)控制性能穩定，程控設備技術先進，編程靈活，程序控制精確。

(2)實現自動拋木，采用氣動技術，拋木精度高。

(3)該實驗系統涵蓋了原木自動化造材、檢測、選材和繳庫驗收等全部實際過程，可全面培養和訓練學生綜合運用所學專業知識、解決實際問題和科技創新能力。

2.3 原木切削參數測定和鏈鋸功率測試實驗平臺建設

該實驗平臺是以微機、工業PC機控制技術和現代微電子技術為基礎，通過電機驅動器接受主控制器發出的控制信號和運動參數，經過運算器的一系列計算，控制電機的速度和位移，實現對動力鏈鋸切削參數測定和發動機功率測試。整個控制過程通過固化在芯片內的程序自動實現。硬件包括測功平臺、滾輪式原木輸送裝置、原木卡箍裝置、鋸切機構連接裝置等;軟件主要由Windows平臺接口應用軟件和開放式函數庫、基于PC機的控制軟件等組成［7］，如圖3所示。軟件采用 VB，VC編制出交互性能好的用戶界面，便于學生實驗操作。通過該實驗系統的實驗和訓練，學生對我國森工伐區最主要的機具——油鋸的結構、性能和參數，存在的主要問題，解決的方法等將全面掌握。原木切削參數測定和鏈鋸功率測試實驗平臺主要有以下功能:

圖3 原木切削參數測定和鏈鋸功率測試實驗平臺Fig.3 Experimental platform for log cutting parameters measuremt and chain saw power test

(1)傳感器采集測定切削力和送鋸力、標定鋸截時間、測算鋸截效率。

(2)對于鋸切試驗平臺在鋸切試驗中隨時反饋鋸切狀態。

(3)基于PC控制交流電機的調速和常規控制。

(4)基于PC控制直流電機的調速與功率調控。

(5)基于PC機的總線接口形式。

(6)基于Windows平臺的操作性能強大的接口軟件與應用控制軟件系統。

2.4 室內原木集運材索道實驗平臺建設

該實驗平臺是按照實際應用的單索循環式固定抱索器索道結構進行設計，并根據實際地形建設，附加了吊椅裝置，整個設計完全參照索道設計規范。主要由驅動支架、從動支架、中間支架、張緊裝置和控制系統等五大部分組成。索道跨度為30 m，總體高差為1.5 m，是國內第一條室內單索循環式實驗索道，如圖4所示。該實驗系統在保證索道的結構完整性和實用性的同時，按照教學和科研的具體要求，在不同載荷重量、不同載荷跨度、不同載荷數量和不同撓度下測定各個性能參數，并能及時、準確、真實地反映出相應變量的關系。原木集運材索道實驗系統的控制部分，由工控機和組態軟件組成，具有靈活性和實時可調性，如果需要更多的實驗功能，可以通過增加板卡或者現場模塊來實現，二次開發能力強。這樣的控制方式，數據的處理能力強，也可以直接產生電子文件進行存檔。這對于學生實驗中數據的記錄和保存有著非常重要的意義。利用該實驗系統，學生可進行載荷分布、承載索撓度變化、吊運車運行軌跡、支架受力分析等全面工程訓練。

圖4 室內原木集運材索道實驗平臺Fig.4 Experimental platform of timber cable yarding

2.5 林產品物流實驗平臺建設

該實驗系統由相應的硬件和軟件構成。硬件主要包括全自動倉儲設備 (全自動堆垛機和雙排立體倉庫)、電子標簽庫、輸送鏈分揀設備、智能傳感器系統、電子顯示屏、AGV小車、流水裝配線、GPS/GIS系統、手持電子終端和其他輔助硬件配套設備等;系統包括第三方物流、出入庫、理貨、貨物儲存、商業連鎖經營、ERPⅡ及配套設備的控制等12套物流軟件軟件，如圖5所示。

圖5 林產品物流實驗平臺Fig.5 Experimental platform of forest products logistics

主要功能包括:入庫理貨，在進貨暫存區進行裝箱理貨;自動入庫和出庫;手動/半自動分揀，可按條碼要求選擇商品在輸送鏈上不同出口流出;人工補貨理貨，包括對非整箱貨品、揀貨物品進［8］;電子標簽輔助揀貨，對在貫通式流力貨架上的物品進行半自動揀貨操作;流通加工等。還有社會化商業配送中心企業各職能部門之間的內部信息流功能模擬及外部上下游企業的商流信息流業務功能模擬［9］。

試驗系統占地面積220 m2，通過軟件模擬與實際操作，使學生對林產品運輸、儲存、包裝、流通加工和信息處理等整體運作流程及模式全面了解和掌握，并可自行模擬設計系統進行實踐和管理。

2.6 林產品包裝實驗平臺建設

林產品包裝實驗系統主要由林產品運輸包裝技術、林產品包裝材料與測試技術、林產品包裝結構設計3個子系統組成。硬件包括振動測試平臺，跌落和沖擊試驗機系統，包裝材料制作和測試裝備，壓膜和打包系統等;軟件主要包括2通道振動測試分析軟件、林產品包裝結構Box_Vollum設計軟件及三維包裝容器結構設計軟件等，如圖6所示。該系統能夠開設驗證性、演示性、綜合性和設計性實驗項目，學生通過理論學習，設計實驗項目，驗證所學的專業理論知識，培養學生基本實驗技能，強化學生對包裝材料學、包裝測試技術和運輸包裝技術等專業理論的運用能力，培育學生的創新意識。

3 結束語

圖6 林產品包裝實驗平臺Fig.6 Experimental platform of forest products packaging

結合我國森林工程發展和學科專業特色及人才需求所建立的實驗教學平臺，充分體現了我國森林工程領域的生產實踐和理論水平，專業特色突出，針對性強，系統性強，有效解決了森林工程專業實踐教學環節薄弱、理論教學與實踐教學脫節、原有不成體系的實驗教學儀器設備與森林工程專業特色不相適應等問題，將學生所學理論知識融匯于森林生態環境保護、森林工程規劃設計、木材收獲利用等實踐的全過程。森林工程實驗教學平臺融入了計算機模擬、智能控制和先進的現代工程技術等高新技術，徹底改變了傳統落后的實驗教學方法和手段，同時，將基礎實驗、專業實驗、綜合實驗和野外實驗四個模塊與理論教學有機結合，提升傳統的實驗教學內容和實驗技術方法，培養與我國林業兩大體系建設緊密結合、與國際林業工程發展動態緊密結合，高質量的森林工程專業人才。

【參 考 文 獻】

［1］王立海．基于科學發展觀的我國高等學校發展中的幾個關系淺析［A］．東北林業大學工程技術學院．教學研究論文集［C］．哈爾濱:東北林業大學出版社，2006:124－128．

［2］楊鐵斌，薛 偉，辛 穎．《森工機械裝備》課程教學改革探討［J］．森林工程，2011，27(4):85 －86．

［3］肖生苓，王立海，張佩劍，等．國家級森林工程實驗教學示范中心建設與實踐［J］．實驗技術與管理，2012，29(5):151 －154．

［4］王 劍．新型立體程控多媒體沙盤模擬實驗教學研究［A］．黑龍江省高等教育學會．高教科研論文集［C］．哈爾濱:黑龍江省人民出版社，2008:533－535．

［5］吳志強，張學洪．全面提高本科實驗條件建設質量之舉措［J］．實驗室研究與探索，2012，31(6):1 －3．

［6］楊學春，徐華東，金 鑫．木材應力波無損檢測裝置［P］．中國專利:ZL 2011 2 0284571.4，2012－07－04．

［7］王亞麗，劉廣亮，李向東．基于CPAC多軸運動控制教學平臺的設計與實踐［J］．實驗室研究與探索，2012，31(8):17 －18．

［8］張佩劍，楊慧敏，張希棟．物流實驗實訓教程［M］．哈爾濱:東北林業大學出版社，2007:41－43．

［9］楊慧敏，李 洋，肖生苓．物流實驗實訓課程體系的設計與構建［J］．森林工程，2012，28(2):93 －96．