三维虚拟仿真在发电类专业创新教学中的应用

2019-05-20陈江涛孙为民杨宏民杨小琨

职业技术 2019年5期

陈江涛，孙为民，吴珂，杨宏民，杨小琨

(郑州电力高等专科学校动力工程系，郑州 450004)

0 引言

三维虚拟仿真是指利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供操作者关于视觉、听觉、触觉等感官的环境模拟，让操作者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。随着计算机技术的快速发展，三维虚拟仿真技术日渐完善和成熟，三维虚拟仿真技术作为一种科学研究方法，对高等学校的教学和科研发挥的作用越来越重要，对传统的实践教学产生的影响越来越大[1,2]。

目前，我校发电类专业主要有电厂热能动力装置、火电厂集控运行、电厂热工自动化技术方向3个专业，服务对象为火力发电厂，主要侧重于发电厂热力设备及控制设备的工作原理、结构特性、运行、维护、安装等方面的能力。其中电厂热能动力装置专业主要培养掌握发电厂热力设备基本工作原理、结构特性、运行、维护、安装等方面的基本知识，具备控制发电机组热力设备的运行能力、热力设备的安装及检修能力、现场组织管理和节能分析及节能减排技术应用能力，能从事热力设备运行、安装、检修、维护等相关工作的高素质技术技能人才。由于火力发电厂高温高压且系统庞大复杂，设备种类多价格昂贵等特点，在实验室不能建立和现场完全一样的实验系统[3]。另外，火力发电厂具有资金密集和技术密集的特点，需要从业人员具备较高的理论水平和动手操作能力，随着电力体制改革的深化，发电企业对机组运行的安全和经济性要求越来越高，对机组的运行、维护、安装、检修等水平提出了更高的要求，要求受聘人员具备基本功扎实、“上手快”[4,5]。因此，有必要采用三维虚拟仿真技术，开发发电类专业的实践教学平台，进行发电类专业的实践教学改革。

1 火电厂三维虚拟仿真平台

1.1 火电厂全厂3D仿真

由于大型火电厂生产流程很难一窥全貌，采用3D仿真技术，可将大型火电厂的生产流程浓缩于屏幕上，以多角度画面模拟生产流程的各个环节，并提示相关信息，如图1所示。

通过将电厂所有事物都以三维虚拟数据图形的形式展现在计算机上，虚拟图形与现实世界中的各个事物的相对比例一致、相对位置、形状一致、颜色一致，以便学生更易于观察到所认知的设施。

图1 火电厂全貌的三维虚拟仿真

1.2 设备3D结构演示

学生可对设备整体、局部进行360度独立观察，清晰直观地了解到设备与关联设备的物理逻辑关系，分别实现对设备性能介绍。选择不同的设备对应出现该设备的图片和文字介绍，如火电厂三大主机之一汽轮机结构的展示如图2所示。通过该模块可以使学生直观地掌握设备的基本结构。以便学生对该设备的功能认知，增加了学习效率。

图2 汽轮机结构的三维虚拟仿真

1.3 设备3D操作演示

3D仿真软件能够模拟电厂实际系统中重要设备、管线、仪器、仪表、阀门、开关等设备。当操作者对某个设备进行操作时，3D仿真软件将操作数据发送到电站仿真机软件，电站仿真机软件根据用户的操作产生对应的仿真结果。同时，3D仿真软件读取电站仿真机软件的仿真结果并将这些数据反映到对应的仪表、指示灯等设备上。3D仿真软件与火电厂仿真系统软件通讯，在3D场景中学员可以与各种虚拟设备进行交互，既可以看到仿真数据在设备上的变化，又可以通过对仿真设备的操作来改变仿真过程。

2 三维虚拟仿真在发电类专业教学中的应用

目前我校发电类专业课程体系主要包括：文化素质课程、职业基础课程、职业核心能力课程和顶岗实习课程。除文化素质课程外，其他课程多少都会跟发电厂现场实际相结合。因此，本文以电厂热能动力装置专业为例，对专业课程体系进行梳理，寻找融合课堂教学和火电厂三维虚拟仿真技术的合理方式。

2.1 职业基础课程

表1 电厂热能动力装置专业的职业基础课程

电厂热能动力装置专业的职业基础课程共计9个项目，如表1所示。通过梳理电厂热能动力装置专业职业基础课程，与火电厂三维虚拟仿真相关的课程主要是发电厂生产概论和认知实习。这两门课程均属于对电厂的认知课程，要求简单易懂，使学生对发电厂有一个整体的认识。目前，这两门课程的主要问题是内容讲解较多，不能起到全面认识设备的作用。通过引入火电厂三维虚拟仿真，结合火电厂现场参观，对电厂各系统进行直接全面的认识，拉近学生和现场设备的距离。

2.2 职业核心能力课程

电厂热能动力装置专业的职业核心能力课程较多，如表2所示。包括电厂设备的原理、运行及检修，主要采用理实一体化教学。在实施过程中，理实一体化教学主要以参观模型和使用仿真机理解系统，效果有待提高。因此，在11门职业核心能力课程中均引入火电厂三维虚拟仿真技术，对局部设备和主要系统进行操作演示，提升理实一体化教学的效果。

表2 电厂热能动力装置专业的职业核心能力课程

2.3 顶岗实习课程

电厂热能动力装置专业的顶岗实习课程共计10个项目，如表3所示。相比职业能力核心课程更注重实践，更加贴近现场实际。为了充分挖掘实训的效果，建议增加3D漫游的实训环节，作为开展顶岗实习课程的前提。同时发挥火电厂三维虚拟仿真3D操作演示的功能，将仿真软件的实际操作反映到虚拟设备上，加深实际设备的理解。

3 三维虚拟仿真在发电类专业教学应用的保障措施

3.1 硬件保障

经过前几年实训室的大力建设，目前我校拥有较多的理实一体化实训室。理实一体化实训室融合电厂设备、工程挂图、设备模型和成套多媒体设备、活动教具、计算机、火电厂三维虚拟仿真软件等综合运用于一体，有力保障了三维虚拟仿真在发电类专业教学过程中的应用。同时学校拥有六个火电机组仿真机房，全部配置了火电厂运行仿真软件和三维虚拟仿真软件，有效满足了实训课程运用三维虚拟仿真的需要。

表3 电厂热能动力装置专业的顶岗实习课程

3.2 软件保障

由于火力发电厂安全性要求，学生不可能到现场进行操作实训，为此，以仿真机组为中心建立实训教学体系成为发电类专业实现理论与实践一体化的教学的必然。目前我校已购买135MW、200MW、300MW、600MW和1000MW五套运行仿真软件和一套火电厂三维虚拟仿真软件，并全部安装到实训机房和理实一体化实训室。根据课程改革的需要，通过联系厂家将为每位任课老师工作电脑安装火电厂三维虚拟仿真软件，有力保证软件使用的快捷和方便。

3.3 师资保障

结合火力发电厂各专业特点，加强培训是快速提高教师使用仿真软件的有效方法。目前，我校已建设的六套仿真软件为专业教师提供了较好的教学实践、研究实训平台。除此之外，学校要定期安排教师仿真培训，提高教师对火电厂三维虚拟仿真使用的熟练程度，积累对全厂设备和局部设备的运行经验，训练对机组运行过程中设备状态的判断及处理能力，弥补现场设备结构认识不全面等问题。

同时定期组织教师到企业培训和顶岗学习，机组运行期间掌握设备运行的状态和参数，机组大修期间深入现场掌握机组检修工艺流程、操作规范等相关内容。参加企业组织的技术人员的技能培训，了解企业的培训重点，完善提高教学水平。只有教师熟练高效的使用软件，才能有效推进三维虚拟仿真软件在创新教学中的应用效果。