虛擬仿真實驗系統在給排水工程專業實驗教學中的應用

銀玉容, 朱能武, 施召才, 馬偉文, 史　偉, 張建功

(華南理工大學 環境與能源學院, 廣東 廣州　510006)

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虛擬仿真實驗系統在給排水工程專業實驗教學中的應用

銀玉容, 朱能武, 施召才, 馬偉文, 史偉, 張建功

(華南理工大學 環境與能源學院, 廣東 廣州510006)

為解決給排水工程專業部分實驗受經費和場地的限制的問題,利用虛擬仿真實驗技術,以水文模擬和水力模擬模型軟件SWMM開發了排水管網實驗、給水管網實驗和流體力學實驗,并給出了虛擬仿真實驗系統的模型,介紹了虛擬實驗系統在給排水實驗教學中的應用情況。

虛擬仿真實驗； 給排水工程； 管網實驗； 實驗教學改革

1　給排水工程專業仿真實驗教學的意義

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術,在計算機上所進行的對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真[1]。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術,構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,讓學生在虛擬環境中進行實驗,達到教學大綱所要求的教學效果[2-3]。虛擬仿真實驗可以實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能,在涉及高?；驑O端的環境、不可及或不可逆的操作條件下,在高成本、高消耗、大型實驗或綜合訓練等情況時,可以利用虛擬仿真技術改變實驗系統的構建模式,提升實驗儀器的整體性能,突破實驗操作的時空限制,提供可靠、安全和經濟的實驗項目。隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展,虛擬實驗技術越來越廣泛地被運用于高校的實驗教學,它在高校的實驗教學活動中具有廣闊的應用前景。

給排水工程專業培養從事給水工程、排水工程、建筑給水排水工程、水污染控制、水資源利用與保護專業的規劃、設計、施工、運行管理、科研和教學等方面工作的高級工程技術人才。為實現這一人才培養目標,必須強化實踐教學環節,保證實踐教學質量,促使學生的知識、能力、思維和素質的協調發展,提高工程實踐能力和創新能力。

實驗教學是培養給排水工程專業學生創新能力的重要環節，是學生積極地發揮主觀能動性、進行科學研究的再創造過程。相對于理論教學而言,實驗教學以其直觀性、實踐性、創造性等優點,在培養學生學習基礎知識、提高動手能力、掌握科學研究方法等方面發揮著重要作用。通過專業實驗加深學生對給排水工程專業基本概念、現象、規律和基本原理的理解,提高學生的動手能力、分析問題和解決問題的實踐能力。

給排水工程專業的實驗教學包括流體力學實驗、水分析實驗、給排水綜合實驗,實驗的特點是與工程實際結合緊密、部分實驗裝備系統龐大、在實驗室無法進行,而虛擬實驗可以解決實驗室無法解決的問題。在給排水專業的實驗教學和設計實習環節中使用虛擬儀器、虛擬設備、虛擬現實場景,用模擬推演、深化認知、自主設計等形式開展教學活動,可以提高學生的動手能力和創新意識,培養給排水專業高質量創新型人才。在我校給排水專業的實驗教學中,主要開發了排水管網實驗、給水管網實驗和流體力學實驗的虛擬仿真實驗系統。

2　排水管網模擬仿真系統

排水系統通常由排水管網和污水處理系統組成。排水管網是收集和輸送生活污水、工業廢水和雨雪水的設施,其作用是把這些生活污水、工業廢水和雨雪水分別送至污水廠或出水口,它是由排水設備、檢查井、管渠、排水泵站等組合而成的大型工程系統。污水處理系統是處理和利用廢水的設施,它包括城市及工業企業污水廠(站)中的各種處理構筑物及除害設施等。如果系統中一個或多個組件不能協調工作,系統功能就會失效,從而導致諸如道路積水、城市內澇之類的問題[4]。

由于管網系統龐大,因而很難在實驗室建設實驗管網。為了加深學生對排水管網系統的認識和理解,掌握管網系統的結構和功能,采用以水文模擬和水力模擬為主的模型軟件如SWMM(storm water management model)、MOUSE(modeling of urban sewer)等,通過系統建模與計算機仿真技術,可以在實驗室對排水管網系統進行模擬、預測,模擬系統不同組件之間的關系、系統及其組件的動態特性。

SWMM可用于城市區域暴雨徑流、合流制管道、污水管道的規劃、分析和設計等環節,也可用于非城市區域。模型主要應用于以下工作中:

(1) 設計為控制洪災而建的排水系統設施；

(2) 制定最小的合流制溢流策略；

(3) 評估入流和入滲對生活污水管溢流的影響,用于非點源污染研究,評估減少雨季污染負荷的最佳管理措施[5]。

SWMM排水管網模型是由幾個必要的模塊組成的,分為旱季污水模塊、含水層模塊、降雨-徑流模塊和管網匯流模塊[6](見圖1)。在實驗室內,利用仿真系統模擬降雨情境、下游邊界條件和系統內邊界條件等情境下排水管網系統的功能,讓學生對排水管網系統的功能、影響系統功能的因素及系統中各構筑物組件間的協調性有一個直觀的認識,還可通過假設、歷史重演、預測、模擬等手段來生成未來情境。

圖1　SWMM排水系統模型

3　給水管網模擬仿真系統

給水管網系統是城市的重要基礎設施，它通過管道及輔助設備,按照建筑物和用戶的生產、生活和消防的需要,有組織地將生產生活用水輸送到用水地點,是一個龐大復雜的系統。

給水管網系統由輸水管(渠)、配水管網、水壓調節設施(泵站、減壓閥)及水量調節設施(清水池、水塔、高位水池)等構成。管路被敷設于地下,要使學生對給水管網系統的各組成部分及其功能和動態、靜態信息進行全面了解有很大的困難；而在實驗室建設給水管網模擬仿真系統就能很好地解決這個問題。給水管網模擬仿真系統與地下給水管網相對應,可計算、可直觀顯示、可分析,系統的參數(如節點水壓、管段流量、泵站供水量、泵站揚程)和狀態(如管段阻力系數、閥門開啟狀態)與所模擬的實際管網具有較好的一致性。

給水管網仿真系統由給水管網仿真裝置和在線監控系統組成。給水管網仿真實驗的硬件由水箱、水泵、管網、壓力傳感器和流量傳感器等組成,利用計算機技術及GPS、GIS、MIS及OA等建立給水管網系統動態模型,可進行信息的查詢,了解供水路徑、水流方向、管道負荷、供水趨勢等,還可模擬進行漏失控制、優化調度、水質監控等。給水管網模擬系統的系統圖及在線監控系統的結構如圖2和圖3所示[7]。

圖2　給水管網模擬系統圖

圖3　在線監控系統結構圖

4　流體力學虛擬實驗系統

流體力學實驗是給排水工程專業實驗教學的重要

組成部分,一般有流體靜力學實驗、雷諾實驗、伯努利方程實驗、動量方程實驗和管流阻力實驗等基礎實驗。由于流體力學知識抽象,傳統實驗方法的實驗效果欠佳。

為使學生牢固地掌握流體力學理論,取得良好的實驗效果,虛擬仿真實驗系統是一個很好的選擇[8]。虛擬仿真實驗系統利用動態數學模型,實時模擬真實的實驗現象和實驗過程,通過對3D仿真實驗裝置交互式操作,產生和真實實驗一致的實驗現象和實驗結果。每位學生都能親自動手做實驗,觀察實驗現象,記錄實驗數據,驗證公式、原理和定理。虛擬仿真實驗系統包含儀器仿真、動態操作界面、實驗原理、數據采集、成果分析和問題解答[9-12]等部分。學生在計算機上可進行實驗的虛擬操作、數據采集與成果分析。該系統還設有實驗提示、答錯糾正等功能,以輔導學生按正確途徑深入、有序地進行實驗。仿真軟件的界面和各實驗的操作界面如圖4所示。

圖4　仿真軟件的界面和各實驗的操作界面

5　結語

給排水管網實驗及流體力學實驗是給排水工程專業實驗教學中非常重要的內容。過去,由于條件所限,這些實驗無法在實驗室完成或者實驗效果不理想,虛擬仿真技術的發展使這些問題得以解決。將來,還可開發更多的給排水工程仿真實驗系統,建成功能更強的虛擬仿真實驗平臺,并實現資源的共享。

References)

[1] 王濟軍,魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現狀與“冷”思考[J].中國電化教育,2011(4):126-129.

[2] 萬桂怡,崔建軍,張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):386-389.

[3] 宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理,2005,22(1):35-37,47.

[4] 周建華,趙洪賓.城市給水管網系統所面臨的問題及對策[J].中國給水排水,2002(11):30-32.

[5] 劉興坡,劉遂慶,李樹平,等.基于SWMM的排水管網系統模擬分析技術[J].給水排水,2007(4):105-108.

[6] 董楠.基于GIS的城市排水管網系統模擬研究[D].天津:天津大學,2009.

[7] 楊輝.市政給水管網模擬演示系統開發[D].北京:北京工業大學,2004.

[8] 劉建龍,譚超毅,曾美玲.流體力學實驗課程教學改革[J].中國電力教育,2009(1):123-124.

[9] 楊繼森,楊奕,張靜.虛擬實驗平臺在嵌入式系統教學改革中的應用[J].實驗室研究與探索,2011,30(2):51-54.

[10] 秦景良.虛擬實驗在教學中的發展及其可持續應用研究[D].南寧:廣西民族大學,2008.

[11] 朱敏.虛擬實驗與教學應用研究[D].上海:華東師范大學,2006.

[12] 程立英,張志美,魏春娟,等.虛擬實驗在分級實驗教學中的應用探究[J].沈陽師范大學學報:自然科學版,2011(2):326-329.

Application of virtual simulation experimental system in experimental teaching of water supply and drainage engineering

Yin Yurong, Zhu Nengwu, Shi Zhaocai,Ma Weiwen, Shi Wei, Zhang Jiangong

(College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to solve the problem of shortage of funds and laboratories, the virtual simulation experiment technology can be applied in water supply and drainage engineering experiments. The drainage network experiment, the water supply pipe network experiment and the hydrodynamics experiment can be explored by applying the hydrological simulation and hydraulic simulation model software SWMM (storm water management model). The virtual simulation experimental system models and their applications in experimental teaching of water supply and drainage engineering are also introduced.

virtual simulate experiment; water supply and drainage engineering ; network experiment; experimental teaching reform

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.028

2015- 07- 16

華南理工大學教學改革項目(x2hj-Y1110020；x2hj-Y1120010)

銀玉容(1968—),女,湖南邵陽,博士,高級實驗師,從事實驗教學和實驗室的建設與管理工作.

E-mail：ppyryin@scut.edu.cn

TU991-4；TU992-4；TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0111- 03