給排水科學與工程專業工程仿真模擬實驗室的建設探討

曹長春+李海翔+曾鴻鵠+林華

摘要：專業工程仿真模擬實驗室建設體現了給排水科學與工程專業學科發展趨勢和社會對人才的需求，具有兼容開放和可更新的特點。通過對實際生產設施的技術原理、工藝組合、相關構筑物的數字化模擬再現，各設備、構筑物異常運行狀況或故障的平臺操作，強化專業課程教學效果，彌補工科專業實習教學的不足，有利于學生實際動手能力的培養和提高，投入小，效益大，應用前景廣闊。

關鍵詞：給排水科學與工程專業；工程仿真模擬；實驗室；實習教學

中圖分類號：G6476文獻標識碼：A文章編號：1674-120X（2016）29-0099-02收稿日期：2016-08-26

課題項目：2016 年度廣西高等教育創優計劃項目；2013、2014年度廣西高等教育本科教學改革工程項目（2013JGA148，2014JGA151）；桂林理工大學校級教改工程立項項目（2014B04，2016A10）。

一、實驗室建設背景 桂林理工大學環境科學與工程學院的給排水科學與工程專業是學院轉型后的新專業，1993年正式成立，至今已歷時二十三載，先后招收專科生三屆，本科生二十屆，向社會輸送給水排水專業人才一千六百多名，也是廣西唯一的給排水本科專業點。這些年來，在院系直接領導和社會各界的支持下，獲得了長足的發展。作為反映學科專業發展要求，體現時代特點的專業工程仿真模擬實驗室的建設，該實驗室將在計算機上仿真再現國內最典型的城市自來水廠和生活污水處理廠、特種工業廢水處理的工藝流程，通過設置不同的水質、流量條件參數，再進行調控，以達到處理要求和標準。在該平臺上安裝設計軟件，可進行課程設計、畢業設計，建成后將是給排水科學與工程專業的一個特色和亮點。該實驗室具有投資少、收效大、手段先進、條件自控的特點，有利于培養學生綜合運用專業知識、分析解決工藝與工程中的實際問題的能力。

二、實驗室建設內容 專業工程仿真模擬實驗室體現了給排水科學與工程專業的發展趨勢。給水排水的工藝與工程是目前工程界應用技術較新、系統較復雜的領域之一，要求設計精細化，施工與管理數字化。傳統給排水科學與工程專業的手段和方法在新形勢面前確實落伍了，學生學完專業課后去生產單位實習，畢業后去用人單位應聘，雖所學知識較新，觀念也先進，但實驗、實習所及非常落后，對現代化的儀器儀表見得少，操作更少，至于在現代化的操作管理系統中解決問題的能力更是欠缺，其原因在于學校以前從未設置相應的實驗。

實習教學的重點之一是對學生的實際動手能力的培養，實習教學也是學校教學中的難點。學校很難找到一種非常有效的辦法對學生進行實踐教學與技能訓練，尤其是像給排水科學與工程這類建立時間較短的專業。通常的辦法是將學生派到相關的工廠去現場實訓，但實訓效果并不理想。原因主要有：其一，自來水廠是極其重要的場所，生產過程要確保萬無一失，因此學生到工廠實訓只能“看”，不能輕易動手操作，沒有動手的機會就很難學到實際操作技能；其二，在實訓過程中很難遇到“開工”“停工”或“異常生產情況”，即使遇到了也沒有親自動手處理的機會；其三，企業對學生的實習，除非有比較好的關系礙于情面給予照顧外，一般不太歡迎，因此實習教學的組織和管理難度大；此外，到工廠的實習存在時間長、人數多、費用高等問題。

采用仿真技術針對實際生產裝置開發的仿真軟件可以很好地解決以上問題。專業工程仿真模擬實驗室具以下幾方面的功能：

給水排水中實際生產裝置的生產原理和工藝、相關構筑物等的CAI課件。

水處理裝置的各種設備、構筑物異?；蚬收系牟僮髂M。

水處理裝置生產條件或生產要求變化的操作模擬。

水處理裝置控制系統（DCS）的操作方法模擬。

從建設實驗室的投入與效益看，具有投入少、產出大、應用廣的優勢。該實驗室不僅可用于教學，還可用于上崗人員培訓、專業繪圖、課程設計、生產實習預演、畢業實習等。它的內容采用開放式平臺，可逐步豐富與完善具自身特色的軟件加入運行，利于開展研究性教學。

本實驗室的建設，可彌補現在教學實習過程中費用不足、實習時間短、實習單位不好找等一系列現實問題。各種工程實例通過多媒體的形式，在實驗室中再現，效果好，操作即使出錯，也可以重來，不至于造成重大損失或引發事故。

本實驗室的設置和建設，符合學科發展、專業發展、人才需求等的要求，且在同類高校中建設該實驗室，技術先進，有學科和專業特色。

操作技能考核：仿真軟件具備非常好的“操作評價功能”，其實時跟蹤記錄仿真系統狀態和學員的操作動作，并給出科學公正的評判。所以仿真軟件還可以用于對學生實訓教學的考核與技能鑒定，學生可以發揮主觀能動性，有時間機動性，利于安排大量學生在不同時間去熟悉實驗和提高操作技能。

教師課堂教學演示：本套軟件也可以在相應的課堂中，由教師為學生介紹和演示污水處理廠的生產原理、工藝、主要構筑物以及生產操作，對講解一些構造復雜、性能優異的工藝特別方便，是課堂教學效果提升的好助手。

三、實驗室硬件、軟件環境要求1硬件要求

硬件系統是一套微機網絡系統，硬件網絡結構如圖1所示。系統有一個教師指令臺（亦稱上位機），根據用戶的需要系統所帶學員操作站（亦稱下位機）的個數可以靈活配置（視網絡情況可更多）。教師指令臺和學員站的要求，普通微機：主頻20GHz以上，硬盤大于1000G，內存大于等于32G，普通打印機一臺（如無打印機，則無法實現打印功能，對其他功能無影響），預裝Rerit2016、 UNIBIM、 AMEP等三維圖像應用軟件，可在原系統上進行新的功能開發和豐富內容。

2仿真軟件結構

仿真軟件結構如圖2所示。

教師指令臺運行總體監控軟件，是整個仿真系統的控制中心和教師的操作界面，用于培訓內容選擇、培訓功能設置。主要包括狀態恢復、工況重選、時標設置、事故設置、報表記錄、打印設置、快門記錄、快門重演、成績顯示、程序凍結等。

工藝仿真軟件主要進行生產裝置的仿真數學模型的計算，同時有培訓內容選擇、培訓功能設置。

仿控制系統（DCS）是學生進行仿真操作的界面，包括實際控制系統中的操作畫面和控制功能，并與實際控制系統的畫面、功能保持一致，同時還包括現場操作畫面，它與工藝仿真軟件進行實時數據交換。

操作評定系統包括工藝操作指導、操作結果診斷和操作結果評定。

教學與實驗素材——將專業教材上的難以描述的技術原理、工藝設備圖用3D、Flash等軟件加工成多媒體動畫塊，生動、直觀地表現設備的內部結構、工作原理、工藝流程， 方便老師調用制作課件，組織教學內容，改變傳統教學模式，符合教學直觀性原理與互動教學方向。

模擬仿真實驗——通過建立虛擬的三維場景和動態數學模型，實時模擬真實實驗現象和過程。通過對仿真3D實驗裝置進行互動操作，產生和真實實驗一致的結果。系統分為教師站和學員站，教師站上運行的監控程序與管理程序對下位機的學員站進行實時監控與管理，方便組織教學。配有標準的實驗思考題生成器，開放接口。

仿真實習操作——真實DCS組態軟件或者仿DCS軟件，同時建立動態過程數學模型，來模擬工廠中監控室和現場設備操作，綜合訓練學生工藝、設備、儀表、控制、電氣等方面的能力。具有智能診斷評分系統，考核完全客觀化。有正常運行以及開停車、事故處理等操作。

四、實驗室建設意義 采用較少的投資建設工程仿真模擬實驗，利用日益更新的軟件功能、豐富的多媒體技術與專業新技術的結合，實現教學內容、教學手段的更新，激發了廣大學生的學習興趣和積極性，提高了教學效果；彌補了現代實習、實驗教學的不足，滿足了在實地實習中難以進行的實習操作的需求，不怕出錯，可以重復和再現，可以設計在實習中很少出現的運行條件和場景，低成本地實現給水排水工藝、工程的過程控制，對提高學生的動手能力具有不可替代的作用。

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