银玉容, 朱能武, 施召才, 马伟文, 史　伟, 张建功

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州　510006)



虚拟仿真实验系统在给排水工程专业实验教学中的应用

银玉容, 朱能武, 施召才, 马伟文, 史伟, 张建功

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州510006)

为解决给排水工程专业部分实验受经费和场地的限制的问题,利用虚拟仿真实验技术,以水文模拟和水力模拟模型软件SWMM开发了排水管网实验、给水管网实验和流体力学实验,并给出了虚拟仿真实验系统的模型,介绍了虚拟实验系统在给排水实验教学中的应用情况。

虚拟仿真实验； 给排水工程； 管网实验； 实验教学改革

1　给排水工程专业仿真实验教学的意义

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术,在计算机上所进行的对传统实验各操作环节的模拟和仿真[1]。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,让学生在虚拟环境中进行实验,达到教学大纲所要求的教学效果[2-3]。虚拟仿真实验可以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作条件下,在高成本、高消耗、大型实验或综合训练等情况时,可以利用虚拟仿真技术改变实验系统的构建模式,提升实验仪器的整体性能,突破实验操作的时空限制,提供可靠、安全和经济的实验项目。随着计算机技术和网络技术的迅速发展,虚拟实验技术越来越广泛地被运用于高校的实验教学,它在高校的实验教学活动中具有广阔的应用前景。

给排水工程专业培养从事给水工程、排水工程、建筑给水排水工程、水污染控制、水资源利用与保护专业的规划、设计、施工、运行管理、科研和教学等方面工作的高级工程技术人才。为实现这一人才培养目标,必须强化实践教学环节,保证实践教学质量,促使学生的知识、能力、思维和素质的协调发展,提高工程实践能力和创新能力。

实验教学是培养给排水工程专业学生创新能力的重要环节，是学生积极地发挥主观能动性、进行科学研究的再创造过程。相对于理论教学而言,实验教学以其直观性、实践性、创造性等优点,在培养学生学习基础知识、提高动手能力、掌握科学研究方法等方面发挥着重要作用。通过专业实验加深学生对给排水工程专业基本概念、现象、规律和基本原理的理解,提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的实践能力。

给排水工程专业的实验教学包括流体力学实验、水分析实验、给排水综合实验,实验的特点是与工程实际结合紧密、部分实验装备系统庞大、在实验室无法进行,而虚拟实验可以解决实验室无法解决的问题。在给排水专业的实验教学和设计实习环节中使用虚拟仪器、虚拟设备、虚拟现实场景,用模拟推演、深化认知、自主设计等形式开展教学活动,可以提高学生的动手能力和创新意识,培养给排水专业高质量创新型人才。在我校给排水专业的实验教学中,主要开发了排水管网实验、给水管网实验和流体力学实验的虚拟仿真实验系统。

2　排水管网模拟仿真系统

排水系统通常由排水管网和污水处理系统组成。排水管网是收集和输送生活污水、工业废水和雨雪水的设施,其作用是把这些生活污水、工业废水和雨雪水分别送至污水厂或出水口,它是由排水设备、检查井、管渠、排水泵站等组合而成的大型工程系统。污水处理系统是处理和利用废水的设施,它包括城市及工业企业污水厂(站)中的各种处理构筑物及除害设施等。如果系统中一个或多个组件不能协调工作,系统功能就会失效,从而导致诸如道路积水、城市内涝之类的问题[4]。

由于管网系统庞大,因而很难在实验室建设实验管网。为了加深学生对排水管网系统的认识和理解,掌握管网系统的结构和功能,采用以水文模拟和水力模拟为主的模型软件如SWMM(storm water management model)、MOUSE(modeling of urban sewer)等,通过系统建模与计算机仿真技术,可以在实验室对排水管网系统进行模拟、预测,模拟系统不同组件之间的关系、系统及其组件的动态特性。

SWMM可用于城市区域暴雨径流、合流制管道、污水管道的规划、分析和设计等环节,也可用于非城市区域。模型主要应用于以下工作中:

(1) 设计为控制洪灾而建的排水系统设施；

(2) 制定最小的合流制溢流策略；

(3) 评估入流和入渗对生活污水管溢流的影响,用于非点源污染研究,评估减少雨季污染负荷的最佳管理措施[5]。

SWMM排水管网模型是由几个必要的模块组成的,分为旱季污水模块、含水层模块、降雨-径流模块和管网汇流模块[6](见图1)。在实验室内,利用仿真系统模拟降雨情境、下游边界条件和系统内边界条件等情境下排水管网系统的功能,让学生对排水管网系统的功能、影响系统功能的因素及系统中各构筑物组件间的协调性有一个直观的认识,还可通过假设、历史重演、预测、模拟等手段来生成未来情境。

图1　SWMM排水系统模型

3　给水管网模拟仿真系统

给水管网系统是城市的重要基础设施，它通过管道及辅助设备,按照建筑物和用户的生产、生活和消防的需要,有组织地将生产生活用水输送到用水地点,是一个庞大复杂的系统。

给水管网系统由输水管(渠)、配水管网、水压调节设施(泵站、减压阀)及水量调节设施(清水池、水塔、高位水池)等构成。管路被敷设于地下,要使学生对给水管网系统的各组成部分及其功能和动态、静态信息进行全面了解有很大的困难；而在实验室建设给水管网模拟仿真系统就能很好地解决这个问题。给水管网模拟仿真系统与地下给水管网相对应,可计算、可直观显示、可分析,系统的参数(如节点水压、管段流量、泵站供水量、泵站扬程)和状态(如管段阻力系数、阀门开启状态)与所模拟的实际管网具有较好的一致性。

给水管网仿真系统由给水管网仿真装置和在线监控系统组成。给水管网仿真实验的硬件由水箱、水泵、管网、压力传感器和流量传感器等组成,利用计算机技术及GPS、GIS、MIS及OA等建立给水管网系统动态模型,可进行信息的查询,了解供水路径、水流方向、管道负荷、供水趋势等,还可模拟进行漏失控制、优化调度、水质监控等。给水管网模拟系统的系统图及在线监控系统的结构如图2和图3所示[7]。

图2　给水管网模拟系统图

图3　在线监控系统结构图

4　流体力学虚拟实验系统

流体力学实验是给排水工程专业实验教学的重要

组成部分,一般有流体静力学实验、雷诺实验、伯努利方程实验、动量方程实验和管流阻力实验等基础实验。由于流体力学知识抽象,传统实验方法的实验效果欠佳。

为使学生牢固地掌握流体力学理论,取得良好的实验效果,虚拟仿真实验系统是一个很好的选择[8]。虚拟仿真实验系统利用动态数学模型,实时模拟真实的实验现象和实验过程,通过对3D仿真实验装置交互式操作,产生和真实实验一致的实验现象和实验结果。每位学生都能亲自动手做实验,观察实验现象,记录实验数据,验证公式、原理和定理。虚拟仿真实验系统包含仪器仿真、动态操作界面、实验原理、数据采集、成果分析和问题解答[9-12]等部分。学生在计算机上可进行实验的虚拟操作、数据采集与成果分析。该系统还设有实验提示、答错纠正等功能,以辅导学生按正确途径深入、有序地进行实验。仿真软件的界面和各实验的操作界面如图4所示。

图4　仿真软件的界面和各实验的操作界面

5　结语

给排水管网实验及流体力学实验是给排水工程专业实验教学中非常重要的内容。过去,由于条件所限,这些实验无法在实验室完成或者实验效果不理想,虚拟仿真技术的发展使这些问题得以解决。将来,还可开发更多的给排水工程仿真实验系统,建成功能更强的虚拟仿真实验平台,并实现资源的共享。

References)

[1] 王济军,魏雪峰.虚拟实验的“热”现状与“冷”思考[J].中国电化教育,2011(4):126-129.

[2] 万桂怡,崔建军,张振果.高校虚拟实验平台的设计及实践[J].实验室研究与探索,2011,30(3):386-389.

[3] 宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理,2005,22(1):35-37,47.

[4] 周建华,赵洪宾.城市给水管网系统所面临的问题及对策[J].中国给水排水,2002(11):30-32.

[5] 刘兴坡,刘遂庆,李树平,等.基于SWMM的排水管网系统模拟分析技术[J].给水排水,2007(4):105-108.

[6] 董楠.基于GIS的城市排水管网系统模拟研究[D].天津:天津大学,2009.

[7] 杨辉.市政给水管网模拟演示系统开发[D].北京:北京工业大学,2004.

[8] 刘建龙,谭超毅,曾美玲.流体力学实验课程教学改革[J].中国电力教育,2009(1):123-124.

[9] 杨继森,杨奕,张静.虚拟实验平台在嵌入式系统教学改革中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(2):51-54.

[10] 秦景良.虚拟实验在教学中的发展及其可持续应用研究[D].南宁:广西民族大学,2008.

[11] 朱敏.虚拟实验与教学应用研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[12] 程立英,张志美,魏春娟,等.虚拟实验在分级实验教学中的应用探究[J].沈阳师范大学学报:自然科学版,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

华南理工大学教学改革项目(x2hj-Y1110020；x2hj-Y1120010)

银玉容(1968—),女,湖南邵阳,博士,高级实验师,从事实验教学和实验室的建设与管理工作.

E-mail：ppyryin@scut.edu.cn

TU991-4；TU992-4；TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0111- 03