三維虛擬仿真在發電類專業創新教學中的應用

陳江濤，孫為民，吳 珂，楊宏民，楊小琨

(鄭州電力高等專科學校動力工程系，鄭州 450004)

0 引言

三維虛擬仿真是指利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供操作者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的環境模擬，讓操作者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。隨著計算機技術的快速發展，三維虛擬仿真技術日漸完善和成熟，三維虛擬仿真技術作為一種科學研究方法，對高等學校的教學和科研發揮的作用越來越重要，對傳統的實踐教學產生的影響越來越大[1,2]。

目前，我校發電類專業主要有電廠熱能動力裝置、火電廠集控運行、電廠熱工自動化技術方向3個專業，服務對象為火力發電廠，主要側重于發電廠熱力設備及控制設備的工作原理、結構特性、運行、維護、安裝等方面的能力。其中電廠熱能動力裝置專業主要培養掌握發電廠熱力設備基本工作原理、結構特性、運行、維護、安裝等方面的基本知識，具備控制發電機組熱力設備的運行能力、熱力設備的安裝及檢修能力、現場組織管理和節能分析及節能減排技術應用能力，能從事熱力設備運行、安裝、檢修、維護等相關工作的高素質技術技能人才。由于火力發電廠高溫高壓且系統龐大復雜，設備種類多價格昂貴等特點，在實驗室不能建立和現場完全一樣的實驗系統[3]。另外，火力發電廠具有資金密集和技術密集的特點，需要從業人員具備較高的理論水平和動手操作能力，隨著電力體制改革的深化，發電企業對機組運行的安全和經濟性要求越來越高，對機組的運行、維護、安裝、檢修等水平提出了更高的要求，要求受聘人員具備基本功扎實、“上手快”[4,5]。因此，有必要采用三維虛擬仿真技術，開發發電類專業的實踐教學平臺，進行發電類專業的實踐教學改革。

1 火電廠三維虛擬仿真平臺

1.1 火電廠全廠3D仿真

由于大型火電廠生產流程很難一窺全貌，采用3D仿真技術，可將大型火電廠的生產流程濃縮于屏幕上，以多角度畫面模擬生產流程的各個環節，并提示相關信息，如圖1所示。

通過將電廠所有事物都以三維虛擬數據圖形的形式展現在計算機上，虛擬圖形與現實世界中的各個事物的相對比例一致、相對位置、形狀一致、顏色一致，以便學生更易于觀察到所認知的設施。

圖1 火電廠全貌的三維虛擬仿真

1.2 設備3D結構演示

學生可對設備整體、局部進行360度獨立觀察，清晰直觀地了解到設備與關聯設備的物理邏輯關系，分別實現對設備性能介紹。選擇不同的設備對應出現該設備的圖片和文字介紹，如火電廠三大主機之一汽輪機結構的展示如圖2所示。通過該模塊可以使學生直觀地掌握設備的基本結構。以便學生對該設備的功能認知，增加了學習效率。

圖2 汽輪機結構的三維虛擬仿真

1.3 設備3D操作演示

3D仿真軟件能夠模擬電廠實際系統中重要設備、管線、儀器、儀表、閥門、開關等設備。當操作者對某個設備進行操作時，3D仿真軟件將操作數據發送到電站仿真機軟件，電站仿真機軟件根據用戶的操作產生對應的仿真結果。同時，3D仿真軟件讀取電站仿真機軟件的仿真結果并將這些數據反映到對應的儀表、指示燈等設備上。3D仿真軟件與火電廠仿真系統軟件通訊，在3D場景中學員可以與各種虛擬設備進行交互，既可以看到仿真數據在設備上的變化，又可以通過對仿真設備的操作來改變仿真過程。

2 三維虛擬仿真在發電類專業教學中的應用

目前我校發電類專業課程體系主要包括：文化素質課程、職業基礎課程、職業核心能力課程和頂崗實習課程。除文化素質課程外，其他課程多少都會跟發電廠現場實際相結合。因此，本文以電廠熱能動力裝置專業為例，對專業課程體系進行梳理，尋找融合課堂教學和火電廠三維虛擬仿真技術的合理方式。

2.1 職業基礎課程

表1 電廠熱能動力裝置專業的職業基礎課程

電廠熱能動力裝置專業的職業基礎課程共計9個項目，如表1所示。通過梳理電廠熱能動力裝置專業職業基礎課程，與火電廠三維虛擬仿真相關的課程主要是發電廠生產概論和認知實習。這兩門課程均屬于對電廠的認知課程，要求簡單易懂，使學生對發電廠有一個整體的認識。目前，這兩門課程的主要問題是內容講解較多，不能起到全面認識設備的作用。通過引入火電廠三維虛擬仿真，結合火電廠現場參觀，對電廠各系統進行直接全面的認識，拉近學生和現場設備的距離。

2.2 職業核心能力課程

電廠熱能動力裝置專業的職業核心能力課程較多，如表2所示。包括電廠設備的原理、運行及檢修，主要采用理實一體化教學。在實施過程中，理實一體化教學主要以參觀模型和使用仿真機理解系統，效果有待提高。因此，在11門職業核心能力課程中均引入火電廠三維虛擬仿真技術，對局部設備和主要系統進行操作演示，提升理實一體化教學的效果。

表2 電廠熱能動力裝置專業的職業核心能力課程

2.3 頂崗實習課程

電廠熱能動力裝置專業的頂崗實習課程共計10個項目，如表3所示。相比職業能力核心課程更注重實踐，更加貼近現場實際。為了充分挖掘實訓的效果，建議增加3D漫游的實訓環節，作為開展頂崗實習課程的前提。同時發揮火電廠三維虛擬仿真3D操作演示的功能，將仿真軟件的實際操作反映到虛擬設備上，加深實際設備的理解。

3 三維虛擬仿真在發電類專業教學應用的保障措施

3.1 硬件保障

經過前幾年實訓室的大力建設，目前我校擁有較多的理實一體化實訓室。理實一體化實訓室融合電廠設備、工程掛圖、設備模型和成套多媒體設備、活動教具、計算機、火電廠三維虛擬仿真軟件等綜合運用于一體，有力保障了三維虛擬仿真在發電類專業教學過程中的應用。同時學校擁有六個火電機組仿真機房，全部配置了火電廠運行仿真軟件和三維虛擬仿真軟件，有效滿足了實訓課程運用三維虛擬仿真的需要。

表3 電廠熱能動力裝置專業的頂崗實習課程

3.2 軟件保障

由于火力發電廠安全性要求，學生不可能到現場進行操作實訓，為此，以仿真機組為中心建立實訓教學體系成為發電類專業實現理論與實踐一體化的教學的必然。目前我校已購買135MW、200MW、300MW、600MW和1000MW五套運行仿真軟件和一套火電廠三維虛擬仿真軟件，并全部安裝到實訓機房和理實一體化實訓室。根據課程改革的需要，通過聯系廠家將為每位任課老師工作電腦安裝火電廠三維虛擬仿真軟件，有力保證軟件使用的快捷和方便。

3.3 師資保障

結合火力發電廠各專業特點，加強培訓是快速提高教師使用仿真軟件的有效方法。目前，我校已建設的六套仿真軟件為專業教師提供了較好的教學實踐、研究實訓平臺。除此之外，學校要定期安排教師仿真培訓，提高教師對火電廠三維虛擬仿真使用的熟練程度，積累對全廠設備和局部設備的運行經驗，訓練對機組運行過程中設備狀態的判斷及處理能力，彌補現場設備結構認識不全面等問題。

同時定期組織教師到企業培訓和頂崗學習，機組運行期間掌握設備運行的狀態和參數，機組大修期間深入現場掌握機組檢修工藝流程、操作規范等相關內容。參加企業組織的技術人員的技能培訓，了解企業的培訓重點，完善提高教學水平。只有教師熟練高效的使用軟件，才能有效推進三維虛擬仿真軟件在創新教學中的應用效果。

4 結語

現代職業教育課程改革是教育改革的重要部分。課程改革目標需要適應新時代的要求，尤其是發電類專業涉及大型設備較多且結構復雜，在新一輪的信息化教學改革形勢下，利用火電廠三維虛擬仿真平臺的三種主要功能融合不同的課程體系，同時建設和推進執行教學改革的保障措施，對提升課程教學效果有重要的促進作用。