森林工程專業(yè)實驗教學平臺建設

肖生苓，王立海，董希斌，張佩劍，王 劍，薛 偉，張希棟

(東北林業(yè)大學工程技術學院，哈爾濱 150040)

1 森林工程實驗教學平臺建設背景

東北林業(yè)大學森林工程專業(yè)創(chuàng)建于20世紀50年代，一直是我國林業(yè)建設和林業(yè)教育人才培養(yǎng)的重要基地，為我國林業(yè)發(fā)展建設做出了巨大貢獻。森林工程專業(yè)現(xiàn)在是黑龍江省重點專業(yè)、國家級特色專業(yè)。隨著我國森林資源、生態(tài)環(huán)境的變化，隨著國家林業(yè)政策及產業(yè)結構的調整，隨著科學技術的快速發(fā)展及林業(yè)作業(yè)技術和裝備的不斷進步，對森林工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求［1］。同時，森林工程專業(yè)的內涵、外延也在發(fā)生著變化。在這種形勢和背景下，森林工程專業(yè)的實踐教學既要保持和發(fā)揮傳統(tǒng)的精髓，還必須改革和創(chuàng)新［2］。依托教育部國家級實驗教學示范中心建設項目(2009);黑龍江省教育廳高等教育教學改革項目(2011)，森林工程實驗教學中心圍繞著復合型人才的培養(yǎng)目標，建立了“三層次(基礎型實驗教學層次、綜合型實驗教學層次和創(chuàng)新型實驗教學層次)、四模塊(基礎實驗模塊、專業(yè)實驗模塊、綜合實驗模塊和野外實驗模塊)、五方向(森林作業(yè)科學與技術、木材工程、林業(yè)裝備工程、林區(qū)道路與林產品物流工程、森工管理與信息工程5個專業(yè)方向)”［3］的實驗教學新體系。

為實施由基礎實驗、專業(yè)實驗、綜合實驗和野外實驗四個模塊構建的森林工程專業(yè)實驗教學體系，在現(xiàn)有實驗室硬件設備資源的基礎上，進一步開發(fā)、完善并優(yōu)化森林工程規(guī)劃、森林工程專用機械與設備、林業(yè)物流工程、林產品包裝、森林工程系統(tǒng)與項目管理實驗教學系統(tǒng)，建設了森林工程專業(yè)特色鮮明、具有自主知識產權的現(xiàn)代實驗教學平臺。

2 森林工程專業(yè)實驗教學平臺建設情況

2.1 智能多媒體木材生產規(guī)劃實驗平臺建設

該實驗平臺利用計算機模擬、智能控制、多媒體展現(xiàn)，集聲、光、電和影像等于一體［4］，全景、立體化展現(xiàn)東北林區(qū)山形地貌、資源類型、數(shù)量、木材生產裝備及工藝過程。包括1個主沙盤(6 m×6 m)、兩個副沙盤(2 m×3 m)、木材生產規(guī)劃設計軟件和6個多媒體子系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 智能多媒體木材生產規(guī)劃實驗平臺Fig.1 Experimental platform for Intelligent Timber Production and Planning

(1)采伐作業(yè)子系統(tǒng)。在立體沙盤的采伐作業(yè)區(qū)域內，可模擬油鋸伐木全過程，并能根據設計要求，采用電控方式及計算機模擬森林采伐方式(皆伐、擇伐和漸伐)、采伐強度等。

(2)集材作業(yè)子系統(tǒng)。在某一典型作業(yè)區(qū)內，真實模擬從伐木地點到裝車場、不同集材方式集材的全過程。在立體程控沙盤內，學生可綜合運用所學知識，設計出拖拉機集材方式、索道集材方式、畜力集材方式、滑道集材方式和水運集材方式等。

(3)木材運輸子系統(tǒng)。采用陸運和水運兩種運輸方式。陸運分為林區(qū)公路運輸和森林鐵路(窄軌)運輸兩種類型，在立體主沙盤上能動態(tài)地展現(xiàn)出運材汽車列車、森林窄軌火車木材運輸過程和逼真的木材飄流水運過程。學生在規(guī)劃設計過程中可根據實際情況需要，設計采用不同的運輸方式。

(4)貯木場生產子系統(tǒng)。在立體主沙盤中的貯木場生產作業(yè)區(qū)域內，以微型實物形象展現(xiàn)出卸車、造材、選材、歸楞和裝車生產工藝，并可按所設計的生產工藝要求進行操作。

(5)剩余物綜合利用子系統(tǒng)。采用電控模擬技術展示板材加工、木材削片以及利用制材和造材剩余物制備木炭、生產乙醇和發(fā)電等工序。

(6)林業(yè)局局場址優(yōu)化設計及伐區(qū)作業(yè)機械設備規(guī)劃子系統(tǒng)。可根據規(guī)劃伐區(qū)山形地勢、資源分布、樹種組成和森林蓄積量等因子合理地區(qū)劃作業(yè)伐區(qū)、林班、設計林區(qū)道路網及集材道，確定最優(yōu)化的森工生產作業(yè)工序。

該實驗平臺可真實再現(xiàn)伐區(qū)生產所有元素，可進行基礎型、專業(yè)型、綜合型和野外實踐四個模塊的實驗，改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式，能夠充分發(fā)揮和調動學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生的溝通能力和協(xié)作精神，最大限度地鍛煉學生全面、靈活運用所學知識的能力［5］。

2.2 原木自動生產線實驗平臺建設

該實驗平臺基于信息集成、自動控制和先進的工程技術等現(xiàn)代高新技術，包括原條合理量材造材實驗子系統(tǒng)［6］、原木輸送智能控制實驗子系統(tǒng)、原木生產線自動拋木與分揀子系統(tǒng)。該系統(tǒng)原木按材長分為5個等級，材質檢測和量材設計采用CCD視頻技術，原木貯存采用庫存技術，系統(tǒng)與實際生產線的比例為1∶5，凈長36 m。主要裝置包括中央控制臺、驅動電機、鏈輪、棧架、牽引鏈條、承載量、造材圓鋸片、氣動拋木桿、編捆筐和叉車等，如圖2所示。該平臺具有以下主要特點:

圖2 原木自動生產線實驗平臺Fig.2 Experimental platform of log automatic production line

(1)控制性能穩(wěn)定，程控設備技術先進，編程靈活，程序控制精確。

(2)實現(xiàn)自動拋木，采用氣動技術，拋木精度高。

(3)該實驗系統(tǒng)涵蓋了原木自動化造材、檢測、選材和繳庫驗收等全部實際過程，可全面培養(yǎng)和訓練學生綜合運用所學專業(yè)知識、解決實際問題和科技創(chuàng)新能力。

2.3 原木切削參數(shù)測定和鏈鋸功率測試實驗平臺建設

該實驗平臺是以微機、工業(yè)PC機控制技術和現(xiàn)代微電子技術為基礎，通過電機驅動器接受主控制器發(fā)出的控制信號和運動參數(shù)，經過運算器的一系列計算，控制電機的速度和位移，實現(xiàn)對動力鏈鋸切削參數(shù)測定和發(fā)動機功率測試。整個控制過程通過固化在芯片內的程序自動實現(xiàn)。硬件包括測功平臺、滾輪式原木輸送裝置、原木卡箍裝置、鋸切機構連接裝置等;軟件主要由Windows平臺接口應用軟件和開放式函數(shù)庫、基于PC機的控制軟件等組成［7］，如圖3所示。軟件采用 VB，VC編制出交互性能好的用戶界面，便于學生實驗操作。通過該實驗系統(tǒng)的實驗和訓練，學生對我國森工伐區(qū)最主要的機具——油鋸的結構、性能和參數(shù)，存在的主要問題，解決的方法等將全面掌握。原木切削參數(shù)測定和鏈鋸功率測試實驗平臺主要有以下功能:

圖3 原木切削參數(shù)測定和鏈鋸功率測試實驗平臺Fig.3 Experimental platform for log cutting parameters measuremt and chain saw power test

(1)傳感器采集測定切削力和送鋸力、標定鋸截時間、測算鋸截效率。

(2)對于鋸切試驗平臺在鋸切試驗中隨時反饋鋸切狀態(tài)。

(3)基于PC控制交流電機的調速和常規(guī)控制。

(4)基于PC控制直流電機的調速與功率調控。

(5)基于PC機的總線接口形式。

(6)基于Windows平臺的操作性能強大的接口軟件與應用控制軟件系統(tǒng)。

2.4 室內原木集運材索道實驗平臺建設

該實驗平臺是按照實際應用的單索循環(huán)式固定抱索器索道結構進行設計，并根據實際地形建設，附加了吊椅裝置，整個設計完全參照索道設計規(guī)范。主要由驅動支架、從動支架、中間支架、張緊裝置和控制系統(tǒng)等五大部分組成。索道跨度為30 m，總體高差為1.5 m，是國內第一條室內單索循環(huán)式實驗索道，如圖4所示。該實驗系統(tǒng)在保證索道的結構完整性和實用性的同時，按照教學和科研的具體要求，在不同載荷重量、不同載荷跨度、不同載荷數(shù)量和不同撓度下測定各個性能參數(shù)，并能及時、準確、真實地反映出相應變量的關系。原木集運材索道實驗系統(tǒng)的控制部分，由工控機和組態(tài)軟件組成，具有靈活性和實時可調性，如果需要更多的實驗功能，可以通過增加板卡或者現(xiàn)場模塊來實現(xiàn)，二次開發(fā)能力強。這樣的控制方式，數(shù)據的處理能力強，也可以直接產生電子文件進行存檔。這對于學生實驗中數(shù)據的記錄和保存有著非常重要的意義。利用該實驗系統(tǒng)，學生可進行載荷分布、承載索撓度變化、吊運車運行軌跡、支架受力分析等全面工程訓練。

圖4 室內原木集運材索道實驗平臺Fig.4 Experimental platform of timber cable yarding

2.5 林產品物流實驗平臺建設

該實驗系統(tǒng)由相應的硬件和軟件構成。硬件主要包括全自動倉儲設備 (全自動堆垛機和雙排立體倉庫)、電子標簽庫、輸送鏈分揀設備、智能傳感器系統(tǒng)、電子顯示屏、AGV小車、流水裝配線、GPS/GIS系統(tǒng)、手持電子終端和其他輔助硬件配套設備等;系統(tǒng)包括第三方物流、出入庫、理貨、貨物儲存、商業(yè)連鎖經營、ERPⅡ及配套設備的控制等12套物流軟件軟件，如圖5所示。

圖5 林產品物流實驗平臺Fig.5 Experimental platform of forest products logistics

主要功能包括:入庫理貨，在進貨暫存區(qū)進行裝箱理貨;自動入庫和出庫;手動/半自動分揀，可按條碼要求選擇商品在輸送鏈上不同出口流出;人工補貨理貨，包括對非整箱貨品、揀貨物品進［8］;電子標簽輔助揀貨，對在貫通式流力貨架上的物品進行半自動揀貨操作;流通加工等。還有社會化商業(yè)配送中心企業(yè)各職能部門之間的內部信息流功能模擬及外部上下游企業(yè)的商流信息流業(yè)務功能模擬［9］。

試驗系統(tǒng)占地面積220 m2，通過軟件模擬與實際操作，使學生對林產品運輸、儲存、包裝、流通加工和信息處理等整體運作流程及模式全面了解和掌握，并可自行模擬設計系統(tǒng)進行實踐和管理。

2.6 林產品包裝實驗平臺建設

林產品包裝實驗系統(tǒng)主要由林產品運輸包裝技術、林產品包裝材料與測試技術、林產品包裝結構設計3個子系統(tǒng)組成。硬件包括振動測試平臺，跌落和沖擊試驗機系統(tǒng)，包裝材料制作和測試裝備，壓膜和打包系統(tǒng)等;軟件主要包括2通道振動測試分析軟件、林產品包裝結構Box_Vollum設計軟件及三維包裝容器結構設計軟件等，如圖6所示。該系統(tǒng)能夠開設驗證性、演示性、綜合性和設計性實驗項目，學生通過理論學習，設計實驗項目，驗證所學的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)學生基本實驗技能，強化學生對包裝材料學、包裝測試技術和運輸包裝技術等專業(yè)理論的運用能力，培育學生的創(chuàng)新意識。

3 結束語

圖6 林產品包裝實驗平臺Fig.6 Experimental platform of forest products packaging

結合我國森林工程發(fā)展和學科專業(yè)特色及人才需求所建立的實驗教學平臺，充分體現(xiàn)了我國森林工程領域的生產實踐和理論水平，專業(yè)特色突出，針對性強，系統(tǒng)性強，有效解決了森林工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)薄弱、理論教學與實踐教學脫節(jié)、原有不成體系的實驗教學儀器設備與森林工程專業(yè)特色不相適應等問題，將學生所學理論知識融匯于森林生態(tài)環(huán)境保護、森林工程規(guī)劃設計、木材收獲利用等實踐的全過程。森林工程實驗教學平臺融入了計算機模擬、智能控制和先進的現(xiàn)代工程技術等高新技術，徹底改變了傳統(tǒng)落后的實驗教學方法和手段，同時，將基礎實驗、專業(yè)實驗、綜合實驗和野外實驗四個模塊與理論教學有機結合，提升傳統(tǒng)的實驗教學內容和實驗技術方法，培養(yǎng)與我國林業(yè)兩大體系建設緊密結合、與國際林業(yè)工程發(fā)展動態(tài)緊密結合，高質量的森林工程專業(yè)人才。

【參 考 文 獻】

［1］王立海．基于科學發(fā)展觀的我國高等學校發(fā)展中的幾個關系淺析［A］．東北林業(yè)大學工程技術學院．教學研究論文集［C］．哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社，2006:124－128．

［2］楊鐵斌，薛 偉，辛 穎．《森工機械裝備》課程教學改革探討［J］．森林工程，2011，27(4):85 －86．

［3］肖生苓，王立海，張佩劍，等．國家級森林工程實驗教學示范中心建設與實踐［J］．實驗技術與管理，2012，29(5):151 －154．

［4］王 劍．新型立體程控多媒體沙盤模擬實驗教學研究［A］．黑龍江省高等教育學會．高教科研論文集［C］．哈爾濱:黑龍江省人民出版社，2008:533－535．

［5］吳志強，張學洪．全面提高本科實驗條件建設質量之舉措［J］．實驗室研究與探索，2012，31(6):1 －3．

［6］楊學春，徐華東，金 鑫．木材應力波無損檢測裝置［P］．中國專利:ZL 2011 2 0284571.4，2012－07－04．

［7］王亞麗，劉廣亮，李向東．基于CPAC多軸運動控制教學平臺的設計與實踐［J］．實驗室研究與探索，2012，31(8):17 －18．

［8］張佩劍，楊慧敏，張希棟．物流實驗實訓教程［M］．哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社，2007:41－43．

［9］楊慧敏，李 洋，肖生苓．物流實驗實訓課程體系的設計與構建［J］．森林工程，2012，28(2):93 －96．