蔡建安， 張文藝，鐘梅英，龔為進(jìn)
安徽工業(yè)大學(xué) 環(huán)境工程系 安徽馬鞍山 243002, jianan@ahut.edu.cn

　　摘要：使用圖形化的編程平臺，在水處理反應(yīng)動力學(xué)和水力計(jì)算相應(yīng)理論基礎(chǔ)上，構(gòu)造以虛擬儀器為表現(xiàn)形式的控制系統(tǒng)。這種包含多參數(shù)間交互影響的控制系統(tǒng)，較真實(shí)地反映了水處理進(jìn)程，因此在仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場控制、預(yù)報(bào)上獲得應(yīng)用，并提供了可視化設(shè)計(jì)的新方法。
　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器，水處理，仿真實(shí)驗(yàn)，可視化設(shè)計(jì)

1．概述

　　虛擬儀器是指代替儀器設(shè)備實(shí)物功能的一種計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用技術(shù)。虛擬儀器的產(chǎn)生被認(rèn)為是儀器儀表工業(yè)劃時代的里程碑^[1]。目前該領(lǐng)域的研究十分活躍，例如虛擬技術(shù)在汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、煤礦自動化、儀器計(jì)量及其在自動控制系統(tǒng)方面的使用^[2]。在環(huán)境工程領(lǐng)域，虛擬設(shè)備被用來進(jìn)行活性污泥處理污水的設(shè)計(jì)與管理，并用來進(jìn)行大氣和核數(shù)據(jù)采集^[3]。
　　本研究在LabVIEW的圖形編程平臺上，應(yīng)用G(圖形) 語言的可視化交互技術(shù)，開?quot;所見即所得"的虛擬儀器，它的面板模擬傳統(tǒng)的控制操作臺和儀表盤。當(dāng)我們根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)整旋鈕，在儀器面板上控制儀器的指針，改變著一系列設(shè)計(jì)參數(shù)時，便能獲得動態(tài)的結(jié)果。這項(xiàng)工作可看作是一系列的虛擬實(shí)驗(yàn)，不需要實(shí)際建造設(shè)備，不受實(shí)際運(yùn)行周期影響，而能迅速取得結(jié)果。所以能夠進(jìn)行更廣泛的選擇而獲得優(yōu)化結(jié)果。這就是使用虛擬設(shè)備進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)的新方法。虛擬設(shè)備除了能方便地應(yīng)用于科研和設(shè)計(jì)仿真外，結(jié)合在線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，還能直接在現(xiàn)場安裝供現(xiàn)場操作人員用來進(jìn)行監(jiān)測、控制和預(yù)報(bào)，提高給排水工程自動化程度和運(yùn)行水平^[4]。
　　本研究是以水處理反應(yīng)動力學(xué)和水力計(jì)算的相應(yīng)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)造以虛擬儀器為表現(xiàn)形式的控制系統(tǒng)。多參數(shù)間的交互影響以理論或?qū)嶒?yàn)獲得的響應(yīng)時間（例如構(gòu)筑物的水力停留時間）在時間域上重復(fù)迭代，從而較真實(shí)地反映了水處理進(jìn)程。
　　水處理虛擬儀器的開發(fā)在以下方面為控制技術(shù)在水環(huán)境工程中的應(yīng)用尋求到結(jié)合點(diǎn)：
　　（1）水環(huán)境工程中的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；
　　（2）仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，簡化可行性論證；
　　（3）方案比較和可視化設(shè)計(jì)；
　　（4）現(xiàn)場控制、預(yù)案制定。

2．水環(huán)境工程虛擬儀器的形式和內(nèi)容

　　水環(huán)境工程虛擬儀器在LabVIEW的圖形編程平臺開發(fā)，然后編譯成能夠獨(dú)立運(yùn)行的gpsfz.exe執(zhí)行文件。表1列出的二級菜單內(nèi)容，顯示了該虛擬儀器所包含的主要項(xiàng)目。在一些二級菜單下面，除了直接用于實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的運(yùn)行程序外，還根據(jù)需要設(shè)置了：原理說明，操作流程，案例分析等子項(xiàng)。為了保證水環(huán)境工程虛擬儀器gpsfz.exe能夠不受硬件條件限制，能在學(xué)校計(jì)算機(jī)教學(xué)和設(shè)計(jì)院運(yùn)行，本程序不含數(shù)據(jù)采集和控制。

表1：水環(huán)境工程虛擬儀器gpsfz.exe的二級菜單結(jié)構(gòu)

給水 排水 污水處理 水泵 環(huán)境評價(jià) 自由沉降 絮凝沉降實(shí)驗(yàn) 活性污泥 離心泵系統(tǒng)工況 河流SP模型 過濾實(shí)驗(yàn) 擁擠沉降和壓縮 序批反應(yīng)器(SBR) 泵站配制和調(diào)度 河流一維擴(kuò)散 虹濾實(shí)驗(yàn) 充氧實(shí)驗(yàn) 生物轉(zhuǎn)盤 多泵多塔多節(jié)點(diǎn) 河流二維擴(kuò)散 普通快濾池 氣浮反應(yīng) 生物濾塔 湖泊箱式模型 供水管網(wǎng) 活性炭吸附實(shí)驗(yàn) 氧化溝 湖泊分層模型 污水管網(wǎng) 淹沒式生物濾池 雨水管網(wǎng) 微電解反應(yīng)器 循環(huán)流化床反應(yīng)器

3．水環(huán)境工程虛擬儀器的仿真實(shí)驗(yàn)

　　水環(huán)境工程是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科。然而，目前全國高校的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)由于4個方面的原因，受到不同程度的影響。（1）招生規(guī)模擴(kuò)大后，水工實(shí)驗(yàn)使用的較大型的設(shè)備臺套不足。（2）基礎(chǔ)教學(xué)和英語、計(jì)算機(jī)能力訓(xùn)練加強(qiáng)后，專業(yè)課教學(xué)課時數(shù)普遍緊張。（3）試劑和材料價(jià)格上漲，材料消耗的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足。（4）對于需要較長時間響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)本身造成水資源的浪費(fèi)。
在以人才培養(yǎng)為目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中，有時獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)本身并不重要，而注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，注重理解實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，注重培養(yǎng)對技術(shù)路線的認(rèn)識和注重對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)。水環(huán)境工程虛擬儀器（設(shè)備）采用了與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作相似的仿真實(shí)驗(yàn)方法，不僅解決了設(shè)備、時間和經(jīng)費(fèi)的不足，還大大地豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。圖1為過濾的仿真實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)置時鐘不僅能顯示影響清潔水頭損失的因素，還能討論一般在污水過濾幾小時后才能觀察到的負(fù)水頭。

4．虛擬儀器與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

　　目前基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)活動的削弱，不僅僅是表現(xiàn)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動中，設(shè)計(jì)研究院所實(shí)際上也普遍存在著類似的問題。由于水環(huán)境工程虛擬儀器的開發(fā)是建立在成熟的反應(yīng)動力學(xué)和水力計(jì)算的相應(yīng)理論基礎(chǔ)上，并針對一些典型工況，用現(xiàn)場測定值和獲得的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和參數(shù)估值后加以確認(rèn)。因此在開展設(shè)計(jì)研究工作時，虛擬儀器與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合應(yīng)用于可行性論證階段，能起到簡化實(shí)驗(yàn)過程，縮短研發(fā)周期的作用，較好地解決這一矛盾。
　　虛擬儀器與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的采用下列3種形式：
　　（1）實(shí)驗(yàn)參數(shù)類比法；
　　（2）以簡單靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)連續(xù)流動態(tài)過程；
　　（3）進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)和參數(shù)控制。

　　舉例說明，圖2為絮凝沉降的仿真實(shí)驗(yàn)，圖3為沉淀池設(shè)計(jì)的虛擬儀器面板。對于即將開始的設(shè)計(jì)，已有可行性研究的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能是完整的也可能是不完整的，無論何種情況，均能夠使用虛擬儀器的仿真實(shí)驗(yàn)方法充實(shí)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用類比的方法用沉淀池設(shè)計(jì)虛擬儀器，進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。使用相似類型，并按照所提供的SVI值進(jìn)行校核，便能達(dá)到滿意的效果。

　　以簡單靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)水處理連續(xù)流動態(tài)過程的方法，可以用活性炭吸附工藝設(shè)計(jì)加以說明。圖4為活性炭吸附工藝的虛擬儀器面板。對于不同的吸附劑和吸附質(zhì)，吸附過程具有不同的特征。但如果其靜態(tài)吸附特征相似，對應(yīng)水處理連續(xù)流的動態(tài)過程也應(yīng)相似。在活性炭吸附工藝設(shè)計(jì)的虛擬儀器中，所提供的一些類型選擇，實(shí)際上對應(yīng)于不同結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)的吸附函數(shù)。右側(cè)給出了其相應(yīng)的三塔串聯(lián)運(yùn)行結(jié)果。由于當(dāng)吸附函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)確定后，水處理的動態(tài)結(jié)果，來自于成熟的設(shè)計(jì)公式，和經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因而具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴Ｋ栽诳尚行哉撟C階段，使用簡單的靜態(tài)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，找到具有相似的吸附特征，在單塔或多塔串聯(lián)的連續(xù)流運(yùn)行時，必然具有較好的設(shè)計(jì)預(yù)測結(jié)果，起到簡化實(shí)驗(yàn)過程，縮短研發(fā)周期的效果。

　　在可行性論證階段，虛擬儀器與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，可以用來進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)和簡化參數(shù)控制。圖5為活性污泥處理的虛擬儀器面板。由于底物的降解速率 k是水溫、池中底物濃度、污泥濃度、污泥負(fù)荷、溶解氧濃度和其他抑制因子的函數(shù)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，要想較全面地反映這些因素的影響給模型實(shí)驗(yàn)帶來了很大的困難，這些因素影響已有結(jié)論。此外既然作為一個水處理系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間的影響和相互制約關(guān)系是顯然存在的。
　　例如當(dāng)活性污泥處理工藝中，處理流量的增加會引起一系列的復(fù)雜響應(yīng)：
　　（1）底物濃度增加，作為一級反應(yīng)對降解的有利影響；
　　（2）污泥負(fù)荷增大對降解的不利影響；
　　（3）水力負(fù)荷增大對未來污泥濃度影響；
　　（4）水力負(fù)荷增大對二沉池工況影響；
　　（5）處理負(fù)荷增大對供氣量需求和未來氧濃度的影響；
　　（6）底物降解對污泥增量的影響，等。
　　這些過程往往需要相當(dāng)長的響應(yīng)時間，無疑給模型實(shí)驗(yàn)增加了新的難度。
　　使用虛擬儀器的的仿真實(shí)驗(yàn)，經(jīng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的局部和特定條件下的參數(shù)修正，進(jìn)行放大和參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)便不難得到需要的結(jié)果。

5．虛擬儀器用于可視化設(shè)計(jì)和工程預(yù)案

　　由以上提供的水環(huán)境工程虛擬儀器舉例中，可以看到應(yīng)用G(圖形) 語言的可視化交互技術(shù)的虛擬儀器，具有“所見即所得”的控制操作臺和儀表盤。當(dāng)我們根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)整旋鈕，在儀器面板上控制儀器的指針，設(shè)置構(gòu)筑物尺寸，改變著原始條件時，一系列在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮，并使之符合規(guī)范要求的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，便能自動獲得，處理效果也動態(tài)顯示。這項(xiàng)工作如看作是一系列的虛擬實(shí)驗(yàn)，不需要實(shí)際建造設(shè)備，不受實(shí)際運(yùn)行周期影響，而能迅速取得結(jié)果。所以能夠進(jìn)行更廣泛的選擇而獲得優(yōu)化結(jié)果。這就是使用虛擬設(shè)備進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)的新方法。
根據(jù)環(huán)狀、樹狀網(wǎng)連續(xù)方程和能量方程，以及泵、塔水力計(jì)算的相應(yīng)理論開發(fā)給排水管網(wǎng)和水泵調(diào)配的虛擬儀器，對環(huán)狀給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)^[5]，送水泵站中按管路和水泵特性來確定送水泵站的配置和運(yùn)行方案，以及多泵多塔多節(jié)點(diǎn)供水等任務(wù)，進(jìn)行現(xiàn)場控制和預(yù)案制定。例如圖6所示用于泵站的配置和調(diào)度的虛擬儀器操作流程。

6．結(jié)論

水環(huán)境工程的虛擬儀器使用了圖形化的編程平臺，在水處理反應(yīng)動力學(xué)和水力計(jì)算相應(yīng)理論基礎(chǔ)上，構(gòu)造了“所見即所得”的虛擬儀器，它的面板模擬傳統(tǒng)的控制操作臺和儀表盤。多參數(shù)間的交互影響以理論或?qū)嶒?yàn)獲得的響應(yīng)時間（例如構(gòu)筑物的水力停留時間）在時間域上重復(fù)迭代，從而較真實(shí)地反映了水處理進(jìn)程。不需要實(shí)際建造設(shè)備，不受實(shí)際運(yùn)行周期影響，而能迅速取得結(jié)果。所以能夠進(jìn)行更廣泛的選擇而獲得優(yōu)化結(jié)果。這就是使用虛擬設(shè)備進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)的新方法。水處理虛擬儀器的開發(fā)為控制技術(shù)在水環(huán)境工程中的應(yīng)用尋求到：仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、簡化可行性論證、可視化設(shè)計(jì)和方案比較、現(xiàn)場控制和預(yù)案制定等結(jié)合點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)
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