電力生產過程虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐

周 洪，劉 超，何 珊，廖冬梅，肖志懷，石端偉

(1.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學 實驗室與設備管理處，湖北 武漢 430072)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科和專業與信息技術深度融合的產物[1]。近年來，國內高校都在積極探索實踐教學改革，特別是隨著虛擬現實技術的發展，許多院校已經將虛擬現實技術應用于實踐教學[2-3]。武漢大學根據教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》的精神，組織開展電力生產過程虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)的建設，取得了顯著成效。本文是對中心建設工作的梳理和總結，為今后中心的發展規劃奠定基礎，并起到拋磚引玉的作用。

1 建設的必要性

目前，我國電力生產工業已進入了高參數、超臨界、大電網、高電壓、混合能源結構、遠距離輸電的時代，在其迅速發展的同時也給電力系統的安全穩定運行帶來了諸多的問題和挑戰[4-5]。電力生產是非常復雜的系統工程，屬于高危險行業,如在核電站中，運行或停閉后的反應堆都有很強的放射性；反應堆停閉后不能立即停止冷卻，否則會出現燃料元件因過熱而燒毀的危險；核電廠運行過程中會產生大量放射性廢物，在一般高校不可能建立實體實驗臺等[6-7]。同時，電力工業資金和技術高度集中，生產設備非常昂貴，其運行參數幾乎達到極致，實體模擬其生產過程的實驗教學成本極高，資源消耗巨大，而且有可能造成惡性環境污染[8]。因此，建立虛擬仿真實驗中心是電力生產學科群實驗教學的一種有效的解決方法。

武漢大學電力生產學科群建設始于1958年，覆蓋電力生產過程中發、輸、變、用等各領域，涉及電力生產相關專業的基礎理論、規劃建設、運行管理各環節。因此，將虛擬仿真技術運用于電力生產過程的實驗教學，把電力生產過程中高危、不可復制、不可用物理實驗實現的過程，如核燃料換料過程、核反應過程、鍋爐四管爆裂、爐膛溫度控制、水(汽)輪機超速、轉子失衡、電網解裂等環節，用虛擬仿真技術為學生實現可視化實驗，具有安全性、經濟性、共享性、交互性和靈活性等優點，是一項具有重要意義的工作[9]。

2 虛擬仿真實驗教學資源的整合與建設

在我校現有的核電仿真實驗中心、電力系統仿真實驗中心、火電仿真實驗中心、水電仿真實驗中心等平臺上，結合國內外仿真技術、虛擬現實技術及網絡技術的最新成果和方法，高起點、高標準地進行了電力生產過程虛擬仿真實驗教學資源的整合和建設[10]。

電力生產過程虛擬仿真實驗教學資源的整合和建設以專業人才培養方案與學科發展規劃為依據，以社會需求和學生創新能力、綜合素質培養標準為起點[11-12]，按照重實踐、模塊化、柔性化和系統化的特點構建了電力生產過程虛擬仿真實驗教學體系。教學體系的實驗項目覆蓋核能發電、火力發電、水力發電及輸變電等電力生產過程的所有環節；圍繞電力生產過程認知、電力生產設備虛擬安裝與檢修、電力生產運行仿真和學生自主實驗4個實踐教學層次，完善了兼顧基礎技能培養與學生個性化發展相結合的電力生產過程虛擬仿真實驗教學資源，實驗教學體系如圖1所示。

圖1 四層次電力生產過程虛擬仿真實驗教學體系

同時，中心還采用SOA技術，建立了統一的電力生產過程虛擬仿真實驗教學與信息平臺。圖2是虛擬仿真教學平臺的結構，它將虛擬現實技術和實時仿真技術有機地結合起來，構成一套結合了發電過程(包含核電、火電、水電)、輸變電生產過程的一體化的網絡遠程虛擬教學平臺。平臺打破不同版本、不同操作系統支持的仿真系統軟件信息壁壘，由中心服務器群進行數據、信息多層次共享；不但可以為校內用戶提供虛擬仿真服務，而且通過互聯網實現了武漢大學校內仿真設備的共享，兄弟院校的教師和學生也可以通過互聯網使用校內的資源，不受地理位置的限制。

2.1 “電力生產過程認知”實踐教學層次

“電力生產過程認知”實驗教學層次的培養對象為電力生產學科群的低年級學生以及供全校學生公共選修。針對本學科群低年級學生而言，其教學目的是以電力生產過程背景知識為目標，使學生認識電力生過程的主要設備及其運行原理，了解電力生產過程主要流程和涉及的關鍵技術，由此建立基本的電力工程師素養；針對其他專業學生，則以電力生產過程基礎知識為目標，普及發電系統與設備相關知識，使學生建立起電力生產相關概念。

“電力生產過程認知”教學層次主要開設有演示性與驗證性實驗項目，采取了形式多樣的知識展現與感受方式，包括各類靜動態模型演練示范、多媒體現場實況展示、虛擬仿真示范與講解等。主要實驗項目有電力生產過程關鍵設備模型演示、電力生產過程系統與設備認知、電力生產過程虛擬運行演示、電力生產過程計算機監控系統演示等。

針對認知層次，學生只要能夠通過漫游系統構建的電力工業場景的虛擬現實畫面，對電力生產設備的形態進行感性認識即可。因此，在這個層次上，電力生產過程虛擬仿真教學平臺需要提供設備的三維建模，支持通過Web方式的遠程訪問，并且在用戶的瀏覽器界面上創設出需要認知的三維場景。

2.2 “電力生產設備虛擬安裝與檢修”實踐教學層次

“電力生產設備虛擬安裝與檢修”實驗教學層次的培養對象為電力生產學科群的三、四年級學生,其教學目的是以系統強化學生基本技能訓練為目標，培養學生的自我獲取知識能力和獨立實驗能力，啟迪學生創新意識。通過這一層次的實驗教學，使學生對電力生產過程中發電、輸電、配電和用電各個領域中的設備建立起全面、有效和系統的認知，增強學生對于真實過程的理解，培養創新意識，提高綜合素質。

“虛擬安裝與檢修”實驗教學層次主要包括設備虛擬安裝、檢修工藝、大小修安全技術措施、設備技術調試方法等內容的教學，能完整地將所有被仿真對象的內部結構，運行規律逼真地展現出來。主要實驗項目有電力生產過程關鍵設備虛擬拆裝、電力生產過程關鍵設備虛擬檢修、電力生產過程故障測試技術仿真等。

圖2 電力生產過程虛擬仿真教學平臺的結構

在安裝與檢修層次上，學生不但要通過系統獲得電力生產設備的感性認識，而且還要對設備的內部結構、拆裝方式進行更深刻的理解。因此，電力生產過程虛擬仿真教學平臺不但要獲得設備的三維模型，還要總結出設備三維模型各個組件之間的拆裝規則。同樣，教學平臺在創設三維工業場景的時候，不但要現實設備的外觀圖像，同樣要提供相應的互動接口，允許學生使用鼠標、鍵盤等輸入設備在虛擬現實層面上對設備進行拆裝。

2.3 “電力生產仿真運行”實踐教學層次

“電力生產仿真運行”實驗教學層次的培養對象為電力生產學科群的三、四年級學生。通過這一層次的教學，使學生能熟練掌握機組在各種條件下的啟、停過程和正常運行中的監視操作技術；通過對電力生產過程常見故障的模擬，提高學員的應急能力和對電力生產過程運行的綜合分析能力，滿足工程技術人員研究分析該類型設備及其系統的要求，以及進行機組運行方式優化研究的需求。

“仿真運行”的實驗教學內容包括電力生產過程常用操作及巡視工作、機組和主變器以及線路檢修停復役操作、電力生產設備事故處理操作、設備檢修后的調試與試驗等,其重點是機電設備典型的停復役操作(如停機、開機、增減負荷等)、整機調試(包括空載運行、甩負荷、事故停機、工況相互轉換)以及常見事故的處理等典型操作實驗。主要實驗項目有核電站教學模擬機反應堆啟動過程模擬、核電站教學模擬機反應堆停閉過程模擬、核電站教學模擬機反應堆功率運行及負荷瞬變過程模擬、核電站教學模擬機反應堆故障工況模擬、水輪機模型能量模擬、調速器靜特性試驗模擬、輔助設備水位及壓力的測量過程模擬等。

“仿真運行”層次對虛擬仿真教學平臺的要求進一步提高。學生不但要看到虛擬的工業設備，而且還要能夠操作這些設備，就像他們在現場實習一樣。在這個層次，虛擬仿真教學平臺需要將設備的運行規律總結成數學模型，在服務器端的實時仿真服務器上運行，產生實時數據，并且這些數據還要通過網絡與客戶端的三維圖像聯動起來，模擬真實現場的場景。同時還應使學生學會通過三維互動，修改一些運行參數，就像他們在實際操作一樣。

2.4 “電力生產自主實驗” 實踐教學層次

“電力生產自主實驗”教學層次的培養對象為電力生產學科群的四年級學生、學科群研究生、計算機及工業設計類等學生。針對本學科群四年級學生，引導學生由被動學習走向主動學習，重點培養學生團隊合作、綜合分析和解決問題的能力，最終達到使學生能應用所學專業知識自主開展實驗及科研活動的目的；針對本學科群研究生，重點培養學生自主學習及獨立開展相關創新設計和科研的能力；針對其他專業，主要是計算機及工業設計類學生，重點啟發學生的創造力，引導學生將所學專業知識應用于虛擬仿真技術領域，推動計算機技術、網絡技術、3D建模等新型信息化技術與本學科領域的結合。

“自主實驗”教學層次的內容和選題主要來自本科生畢業設計、課程設計、大學生業余科研與競賽、研究生創新實踐與科研和教師研究課題等，主要分為設計型和創新型兩種。采取學生自主實驗的方式進行，實驗的內容、方案、進度等全部由學生自主安排，實驗教學中心提供必要的場所、課題、設備、經費，配備相應的指導教師。同時，根據不同的專業和學科的特點和要求，對實驗項目進行模塊化的組合。

針對“自主實驗”層次，虛擬仿真教學平臺不但應該要求學生在虛擬現實界面運行虛擬設備，而且還要要求他們對設備的一些運行方式做創新性的修改，如修改控制算法等。因此，教學平臺不但要能夠遠程交換實時數據，實現三維聯動，還需要開發相應的接口，給用戶更多的靈活性，比如遠程下載三維模型，改變既有設備的機械結構，或者遠程下載控制算法，改變設備的控制方式等。

圍繞認知、安裝檢修、運行仿真、自主實驗4個層次的實驗教學體系，電力生產過程虛擬仿真中心在應用中不斷建設、開發虛擬仿真的軟硬件設備，由淺到深，由易到難，逐步滿足四層次實驗教學的需要。

3 教學特色

3.1 科研成果轉化為實驗教學

10多年來，中心一直專注于電力生產過程仿真研究，涉及核能發電、火力發電、水力發電和輸變電的仿真類課題30余項，研究范圍覆蓋電力生產設備的虛擬安裝、檢修技術及電力生產的數值仿真等。中心十分重視科研成果向實驗教學資源的轉化，中心教師利用科研成果自主研制的主要教學儀器(含軟件)有：基于star-90火電仿真機學員評分專家系統、基于Web的三維網絡化實驗平臺NCSLab、超聲檢測實踐訓練平臺軟件和水輪發電機組仿真測試儀等。教師科研成果轉化為實驗教學內容，拓展了教學范圍，提升了學生的知識結構，培養學生的綜合設計和創新能力[11-12]。以電力設備安全檢測技術研究團隊為例，中心教師承擔了“電站管座角焊縫超聲檢測仿真技術”等檢測類科研項目，形成了具有自主知識產權的超聲檢測計算分析系統。在該軟件平臺的基礎上，自主開設了“核電壓力容器的虛擬超聲檢測實驗”，很好地將科研成果轉換為實驗內容，為學生熟悉電力設備安全檢修和積累工程經驗提供了很好的虛擬仿真平臺，解決了固化的大型設備難以引入實驗室的問題。

3.2 可持續的校企合作發展模式

武漢大學電力學科群具有鮮明的行業特色，為電力行業的科學研究和人才培養做出巨大貢獻，同時與電力行業大型企業一直保持著長期有效的合作，如兩大電網(國家電網公司、南方電網公司)、五大發電集團(中國華能集團公司、中國大唐集團公司、中國華電集團公司、中國國電集團公司、中國電力投資公司)、兩大電力建設集團(中國能源建設集團公司、中國電力建設集團有限公司)以及廣東粵電集團公司、中國廣東核電集團公司等。

合作企業中廣核集團、粵電集團和華中電網公司對中心建設給予大力支持并參與其中。中心通過與粵電共建“先進發電技術國家級工程實踐教育中心”、與中廣核集團開展“訂單+聯合”人才培養項目、每年積極承擔電力行業員工的培訓項目等途徑，與合作企業建立了穩定、雙向、共贏的可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。在服務支撐體系中，合作企業為仿真資源的建設提供了大量素材，如中廣核集團提供有關核電設備參數；粵電集團提供所屬火電、水電機組參數；國家電網湖北電網公司則提供電網設備系統及運行參數件。同時在人員支撐方面，合作企業派出具備豐富工程經驗的員工作為開發顧問，針對仿真教學資源的開發，如何有效地結合現場實際提供咨詢和指導。利用得天獨厚的、豐富的校友資源，中心與合作企業在科學研究、人員培訓等方面建立了長期有效的合作機制，在制度上保障了中心的持續發展。

4 結束語

電力生產過程虛擬仿真實驗教學中心以電力生產學科、能源動力學科、信息學科、計算機學科等學科群作為支撐，與國內大型電力企業共建，覆蓋核能發電、火力發電、水力發電及輸變電等電力生產過程環節；圍繞認知、安裝檢修、運行仿真、自主實驗4個層次；構建了兼顧基礎技能培養與學生個性化發展相結合的電力生產過程虛擬仿真實驗教學體系；主要為電力生產學科群30個專業本科生、部分研究生開設電力生產過程虛擬仿真實驗教學課程，并對校外相關專業學生開放，同時對電力企業員工進行培訓，取得了階段性的成果。中心將繼續堅持高標準、求一流的發展目標，致力于建成集教學、培訓、技能鑒定與科研為一體，有鮮明特色的國內領先的電力生產過程虛擬仿真實驗教學中心。

[1] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].高教[2013]94號文件.

[2] 楊慶,黃陳蓉.虛擬現實與系統仿真實驗教學改革探討[J].實驗技術與管理，2011，28(3)：91-93.

[3] 任偉杰,靳春華.仿真實驗在國家級實驗示范中心建設中的作用[J].實驗室科學，2010(2)：109-111.

[4] 周熠.智能化網絡虛擬實驗室的構建[J].科技資訊，2009(9)：8-9.

[5] 栗建軍.核電項目前期工作關鍵路徑探究[J].科技與企業,2013(20)：88-89.

[6] 陳治宇.虛擬現實技術在實驗教學中的應用[J].甘肅聯合大學學報:自然科學版,2013(2):103-106.

[7] 姜煒超,向兵,陳國章,等.虛擬化技術及其在電力行業中的應用研究[J].電測與儀表,2010(增刊1):72-76.

[8] 段中興,嵇啟春.網上虛擬實驗教學系統的開發與應用[J].實驗技術與管理,2008,25(7):84-87.

[9] 唐鐵軍,成協設,徐躍進.構建研究型大學本科人才培養體系的探索與實踐[J].中國大學教學,2010(7):23-25.

[10] 馮峰,孫聰,曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展[J].實驗技術與管理,2014,31(1):7-10.

[11] 魏紅,程學竹,趙可.科研成果與大學教師教學效果的關系研究[J].心理發展與教育,2006(2):85-88.

[12] 呂朝輝,于瀛.淺談科研成果引入教學的途徑[J].中國科教創新導刊,2010(4):105-107.