三維虛擬仿真在發(fā)電類專業(yè)創(chuàng)新教學(xué)中的應(yīng)用

陳江濤，孫為民，吳 珂，楊宏民，楊小琨

(鄭州電力高等?？茖W(xué)校動(dòng)力工程系，鄭州 450004)

0 引言

三維虛擬仿真是指利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供操作者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的環(huán)境模擬，讓操作者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維虛擬仿真技術(shù)日漸完善和成熟，三維虛擬仿真技術(shù)作為一種科學(xué)研究方法，對(duì)高等學(xué)校的教學(xué)和科研發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生的影響越來(lái)越大[1,2]。

目前，我校發(fā)電類專業(yè)主要有電廠熱能動(dòng)力裝置、火電廠集控運(yùn)行、電廠熱工自動(dòng)化技術(shù)方向3個(gè)專業(yè)，服務(wù)對(duì)象為火力發(fā)電廠，主要側(cè)重于發(fā)電廠熱力設(shè)備及控制設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行、維護(hù)、安裝等方面的能力。其中電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)主要培養(yǎng)掌握發(fā)電廠熱力設(shè)備基本工作原理、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行、維護(hù)、安裝等方面的基本知識(shí)，具備控制發(fā)電機(jī)組熱力設(shè)備的運(yùn)行能力、熱力設(shè)備的安裝及檢修能力、現(xiàn)場(chǎng)組織管理和節(jié)能分析及節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用能力，能從事熱力設(shè)備運(yùn)行、安裝、檢修、維護(hù)等相關(guān)工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。由于火力發(fā)電廠高溫高壓且系統(tǒng)龐大復(fù)雜，設(shè)備種類多價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室不能建立和現(xiàn)場(chǎng)完全一樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3]。另外，火力發(fā)電廠具有資金密集和技術(shù)密集的特點(diǎn)，需要從業(yè)人員具備較高的理論水平和動(dòng)手操作能力，隨著電力體制改革的深化，發(fā)電企業(yè)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行、維護(hù)、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(shí)、“上手快”[4,5]。因此，有必要采用三維虛擬仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)發(fā)電類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行發(fā)電類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革。

1 火電廠三維虛擬仿真平臺(tái)

1.1 火電廠全廠3D仿真

由于大型火電廠生產(chǎn)流程很難一窺全貌，采用3D仿真技術(shù)，可將大型火電廠的生產(chǎn)流程濃縮于屏幕上，以多角度畫(huà)面模擬生產(chǎn)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，并提示相關(guān)信息，如圖1所示。

通過(guò)將電廠所有事物都以三維虛擬數(shù)據(jù)圖形的形式展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，虛擬圖形與現(xiàn)實(shí)世界中的各個(gè)事物的相對(duì)比例一致、相對(duì)位置、形狀一致、顏色一致，以便學(xué)生更易于觀察到所認(rèn)知的設(shè)施。

圖1 火電廠全貌的三維虛擬仿真

1.2 設(shè)備3D結(jié)構(gòu)演示

學(xué)生可對(duì)設(shè)備整體、局部進(jìn)行360度獨(dú)立觀察，清晰直觀地了解到設(shè)備與關(guān)聯(lián)設(shè)備的物理邏輯關(guān)系，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備性能介紹。選擇不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)出現(xiàn)該設(shè)備的圖片和文字介紹，如火電廠三大主機(jī)之一汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的展示如圖2所示。通過(guò)該模塊可以使學(xué)生直觀地掌握設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。以便學(xué)生對(duì)該設(shè)備的功能認(rèn)知，增加了學(xué)習(xí)效率。

圖2 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的三維虛擬仿真

1.3 設(shè)備3D操作演示

3D仿真軟件能夠模擬電廠實(shí)際系統(tǒng)中重要設(shè)備、管線、儀器、儀表、閥門、開(kāi)關(guān)等設(shè)備。當(dāng)操作者對(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，3D仿真軟件將操作數(shù)據(jù)發(fā)送到電站仿真機(jī)軟件，電站仿真機(jī)軟件根據(jù)用戶的操作產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。同時(shí)，3D仿真軟件讀取電站仿真機(jī)軟件的仿真結(jié)果并將這些數(shù)據(jù)反映到對(duì)應(yīng)的儀表、指示燈等設(shè)備上。3D仿真軟件與火電廠仿真系統(tǒng)軟件通訊，在3D場(chǎng)景中學(xué)員可以與各種虛擬設(shè)備進(jìn)行交互，既可以看到仿真數(shù)據(jù)在設(shè)備上的變化，又可以通過(guò)對(duì)仿真設(shè)備的操作來(lái)改變仿真過(guò)程。

2 三維虛擬仿真在發(fā)電類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

目前我校發(fā)電類專業(yè)課程體系主要包括：文化素質(zhì)課程、職業(yè)基礎(chǔ)課程、職業(yè)核心能力課程和頂崗實(shí)習(xí)課程。除文化素質(zhì)課程外，其他課程多少都會(huì)跟發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合。因此，本文以電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)為例，對(duì)專業(yè)課程體系進(jìn)行梳理，尋找融合課堂教學(xué)和火電廠三維虛擬仿真技術(shù)的合理方式。

2.1 職業(yè)基礎(chǔ)課程

表1 電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的職業(yè)基礎(chǔ)課程

電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的職業(yè)基礎(chǔ)課程共計(jì)9個(gè)項(xiàng)目，如表1所示。通過(guò)梳理電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)職業(yè)基礎(chǔ)課程，與火電廠三維虛擬仿真相關(guān)的課程主要是發(fā)電廠生產(chǎn)概論和認(rèn)知實(shí)習(xí)。這兩門課程均屬于對(duì)電廠的認(rèn)知課程，要求簡(jiǎn)單易懂，使學(xué)生對(duì)發(fā)電廠有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。目前，這兩門課程的主要問(wèn)題是內(nèi)容講解較多，不能起到全面認(rèn)識(shí)設(shè)備的作用。通過(guò)引入火電廠三維虛擬仿真，結(jié)合火電廠現(xiàn)場(chǎng)參觀，對(duì)電廠各系統(tǒng)進(jìn)行直接全面的認(rèn)識(shí)，拉近學(xué)生和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的距離。

2.2 職業(yè)核心能力課程

電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的職業(yè)核心能力課程較多，如表2所示。包括電廠設(shè)備的原理、運(yùn)行及檢修，主要采用理實(shí)一體化教學(xué)。在實(shí)施過(guò)程中，理實(shí)一體化教學(xué)主要以參觀模型和使用仿真機(jī)理解系統(tǒng)，效果有待提高。因此，在11門職業(yè)核心能力課程中均引入火電廠三維虛擬仿真技術(shù)，對(duì)局部設(shè)備和主要系統(tǒng)進(jìn)行操作演示，提升理實(shí)一體化教學(xué)的效果。

表2 電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的職業(yè)核心能力課程

2.3 頂崗實(shí)習(xí)課程

電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的頂崗實(shí)習(xí)課程共計(jì)10個(gè)項(xiàng)目，如表3所示。相比職業(yè)能力核心課程更注重實(shí)踐，更加貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。為了充分挖掘?qū)嵱?xùn)的效果，建議增加3D漫游的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，作為開(kāi)展頂崗實(shí)習(xí)課程的前提。同時(shí)發(fā)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(shí)際操作反映到虛擬設(shè)備上，加深實(shí)際設(shè)備的理解。

3 三維虛擬仿真在發(fā)電類專業(yè)教學(xué)應(yīng)用的保障措施

3.1 硬件保障

經(jīng)過(guò)前幾年實(shí)訓(xùn)室的大力建設(shè)，目前我校擁有較多的理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室。理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室融合電廠設(shè)備、工程掛圖、設(shè)備模型和成套多媒體設(shè)備、活動(dòng)教具、計(jì)算機(jī)、火電廠三維虛擬仿真軟件等綜合運(yùn)用于一體，有力保障了三維虛擬仿真在發(fā)電類專業(yè)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用。同時(shí)學(xué)校擁有六個(gè)火電機(jī)組仿真機(jī)房，全部配置了火電廠運(yùn)行仿真軟件和三維虛擬仿真軟件，有效滿足了實(shí)訓(xùn)課程運(yùn)用三維虛擬仿真的需要。

表3 電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)的頂崗實(shí)習(xí)課程

3.2 軟件保障

由于火力發(fā)電廠安全性要求，學(xué)生不可能到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作實(shí)訓(xùn)，為此，以仿真機(jī)組為中心建立實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系成為發(fā)電類專業(yè)實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)的必然。目前我校已購(gòu)買135MW、200MW、300MW、600MW和1000MW五套運(yùn)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(shí)訓(xùn)機(jī)房和理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室。根據(jù)課程改革的需要，通過(guò)聯(lián)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(jié)合火力發(fā)電廠各專業(yè)特點(diǎn)，加強(qiáng)培訓(xùn)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(shè)的六套仿真軟件為專業(yè)教師提供了較好的教學(xué)實(shí)踐、研究實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。除此之外，學(xué)校要定期安排教師仿真培訓(xùn)，提高教師對(duì)火電廠三維虛擬仿真使用的熟練程度，積累對(duì)全廠設(shè)備和局部設(shè)備的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備狀態(tài)的判斷及處理能力，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不全面等問(wèn)題。

同時(shí)定期組織教師到企業(yè)培訓(xùn)和頂崗學(xué)習(xí)，機(jī)組運(yùn)行期間掌握設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和參數(shù)，機(jī)組大修期間深入現(xiàn)場(chǎng)掌握機(jī)組檢修工藝流程、操作規(guī)范等相關(guān)內(nèi)容。參加企業(yè)組織的技術(shù)人員的技能培訓(xùn)，了解企業(yè)的培訓(xùn)重點(diǎn)，完善提高教學(xué)水平。只有教師熟練高效的使用軟件，才能有效推進(jìn)三維虛擬仿真軟件在創(chuàng)新教學(xué)中的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代職業(yè)教育課程改革是教育改革的重要部分。課程改革目標(biāo)需要適應(yīng)新時(shí)代的要求，尤其是發(fā)電類專業(yè)涉及大型設(shè)備較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在新一輪的信息化教學(xué)改革形勢(shì)下，利用火電廠三維虛擬仿真平臺(tái)的三種主要功能融合不同的課程體系，同時(shí)建設(shè)和推進(jìn)執(zhí)行教學(xué)改革的保障措施，對(duì)提升課程教學(xué)效果有重要的促進(jìn)作用。