水环境工程仿真实验和可视化设计的虚拟仪器

蔡建安， 张文艺，钟梅英，龚为进
安徽工业大学 环境工程系 安徽马鞍山 243002, [email protected]

　　摘要：使用图形化的编程平台，在水处理反应动力学和水力计算相应理论基础上，构造以虚拟仪器为表现形式的控制系统。这种包含多参数间交互影响的控制系统，较真实地反映了水处理进程，因此在仿真实验和现场控制、预报上获得应用，并提供了可视化设计的新方法。
　　关键词：虚拟仪器，水处理，仿真实验，可视化设计

1．概述

　　虚拟仪器是指代替仪器设备实物功能的一种计算机模拟应用技术。虚拟仪器的产生被认为是仪器仪表工业划时代的里程碑^[1]。目前该领域的研究十分活跃，例如虚拟技术在汽车发动机检测系统、电力拖动系统、煤矿自动化、仪器计量及其在自动控制系统方面的使用^[2]。在环境工程领域，虚拟设备被用来进行活性污泥处理污水的设计与管理，并用来进行大气和核数据采集^[3]。
　　本研究在LabVIEW的图形编程平台上，应用G(图形) 语言的可视化交互技术，开?quot;所见即所得"的虚拟仪器，它的面板模拟传统的控制操作台和仪表盘。当我们根据设计任务调整旋钮，在仪器面板上控制仪器的指针，改变着一系列设计参数时，便能获得动态的结果。这项工作可看作是一系列的虚拟实验，不需要实际建造设备，不受实际运行周期影响，而能迅速取得结果。所以能够进行更广泛的选择而获得优化结果。这就是使用虚拟设备进行可视化设计的新方法。虚拟设备除了能方便地应用于科研和设计仿真外，结合在线数据采集技术，还能直接在现场安装供现场操作人员用来进行监测、控制和预报，提高给排水工程自动化程度和运行水平^[4]。
　　本研究是以水处理反应动力学和水力计算的相应理论为基础，构造以虚拟仪器为表现形式的控制系统。多参数间的交互影响以理论或实验获得的响应时间（例如构筑物的水力停留时间）在时间域上重复迭代，从而较真实地反映了水处理进程。
　　水处理虚拟仪器的开发在以下方面为控制技术在水环境工程中的应用寻求到结合点：
　　（1）水环境工程中的仿真实验教学；
　　（2）仿真实验与真实实验结合，简化可行性论证；
　　（3）方案比较和可视化设计；
　　（4）现场控制、预案制定。

2．水环境工程虚拟仪器的形式和内容

　　水环境工程虚拟仪器在LabVIEW的图形编程平台开发，然后编译成能够独立运行的gpsfz.exe执行文件。表1列出的二级菜单内容，显示了该虚拟仪器所包含的主要项目。在一些二级菜单下面，除了直接用于实验和设计的运行程序外，还根据需要设置了：原理说明，操作流程，案例分析等子项。为了保证水环境工程虚拟仪器gpsfz.exe能够不受硬件条件限制，能在学校计算机教学和设计院运行，本程序不含数据采集和控制。

表1：水环境工程虚拟仪器gpsfz.exe的二级菜单结构

给水 排水 污水处理 水泵 环境评价 自由沉降 絮凝沉降实验 活性污泥 离心泵系统工况 河流SP模型 过滤实验 拥挤沉降和压缩 序批反应器(SBR) 泵站配制和调度 河流一维扩散 虹滤实验 充氧实验 生物转盘 多泵多塔多节点 河流二维扩散 普通快滤池 气浮反应 生物滤塔 湖泊箱式模型 供水管网 活性炭吸附实验 氧化沟 湖泊分层模型 污水管网 淹没式生物滤池 雨水管网 微电解反应器 循环流化床反应器

3．水环境工程虚拟仪器的仿真实验

　　水环境工程是一门实践性极强的学科。然而，目前全国高校的实验课教学由于4个方面的原因，受到不同程度的影响。（1）招生规模扩大后，水工实验使用的较大型的设备台套不足。（2）基础教学和英语、计算机能力训练加强后，专业课教学课时数普遍紧张。（3）试剂和材料价格上涨，材料消耗的实验经费不足。（4）对于需要较长时间响应的实验，教学实验本身造成水资源的浪费。
在以人才培养为目的的实验教学活动中，有时获得的实验结果数据本身并不重要，而注重实验设计的科学性和合理性，注重理解实验进程，注重培养对技术路线的认识和注重对实验数据处理能力培养。水环境工程虚拟仪器（设备）采用了与实验室实际操作相似的仿真实验方法，不仅解决了设备、时间和经费的不足，还大大地丰富了实验教学的内容。图1为过滤的仿真实验，通过设置时钟不仅能显示影响清洁水头损失的因素，还能讨论一般在污水过滤几小时后才能观察到的负水头。

4．虚拟仪器与真实实验的结合

　　目前基础实验活动的削弱，不仅仅是表现在教学实验活动中，设计研究院所实际上也普遍存在着类似的问题。由于水环境工程虚拟仪器的开发是建立在成熟的反应动力学和水力计算的相应理论基础上，并针对一些典型工况，用现场测定值和获得的实验室数据进行统计分析和参数估值后加以确认。因此在开展设计研究工作时，虚拟仪器与真实实验的结合应用于可行性论证阶段，能起到简化实验过程，缩短研发周期的作用，较好地解决这一矛盾。
　　虚拟仪器与真实实验结合的采用下列3种形式：
　　（1）实验参数类比法；
　　（2）以简单静态实验，对应连续流动态过程；
　　（3）进行放大实验和参数控制。

　　举例说明，图2为絮凝沉降的仿真实验，图3为沉淀池设计的虚拟仪器面板。对于即将开始的设计，已有可行性研究的真实实验数据可能是完整的也可能是不完整的，无论何种情况，均能够使用虚拟仪器的仿真实验方法充实数据，并运用类比的方法用沉淀池设计虚拟仪器，进行设计工作。使用相似类型，并按照所提供的SVI值进行校核，便能达到满意的效果。

　　以简单静态实验，对应水处理连续流动态过程的方法，可以用活性炭吸附工艺设计加以说明。图4为活性炭吸附工艺的虚拟仪器面板。对于不同的吸附剂和吸附质，吸附过程具有不同的特征。但如果其静态吸附特征相似，对应水处理连续流的动态过程也应相似。在活性炭吸附工艺设计的虚拟仪器中，所提供的一些类型选择，实际上对应于不同结构和不同参数的吸附函数。右侧给出了其相应的三塔串联运行结果。由于当吸附函数的结构形式和参数确定后，水处理的动态结果，来自于成熟的设计公式，和经实验验证，因而具有相当的可靠性。所以在可行性论证阶段，使用简单的静态真实实验，找到具有相似的吸附特征，在单塔或多塔串联的连续流运行时，必然具有较好的设计预测结果，起到简化实验过程，缩短研发周期的效果。

　　在可行性论证阶段，虚拟仪器与真实实验结合的方法，可以用来进行放大实验和简化参数控制。图5为活性污泥处理的虚拟仪器面板。由于底物的降解速率 k是水温、池中底物浓度、污泥浓度、污泥负荷、溶解氧浓度和其他抑制因子的函数，在真实实验中，要想较全面地反映这些因素的影响给模型实验带来了很大的困难，这些因素影响已有结论。此外既然作为一个水处理系统，各子系统间的影响和相互制约关系是显然存在的。
　　例如当活性污泥处理工艺中，处理流量的增加会引起一系列的复杂响应：
　　（1）底物浓度增加，作为一级反应对降解的有利影响；
　　（2）污泥负荷增大对降解的不利影响；
　　（3）水力负荷增大对未来污泥浓度影响；
　　（4）水力负荷增大对二沉池工况影响；
　　（5）处理负荷增大对供气量需求和未来氧浓度的影响；
　　（6）底物降解对污泥增量的影响，等。
　　这些过程往往需要相当长的响应时间，无疑给模型实验增加了新的难度。
　　使用虚拟仪器的的仿真实验，经真实实验的局部和特定条件下的参数修正，进行放大和参数控制实验便不难得到需要的结果。

5．虚拟仪器用于可视化设计和工程预案

　　由以上提供的水环境工程虚拟仪器举例中，可以看到应用G(图形) 语言的可视化交互技术的虚拟仪器，具有“所见即所得”的控制操作台和仪表盘。当我们根据设计任务调整旋钮，在仪器面板上控制仪器的指针，设置构筑物尺寸，改变着原始条件时，一系列在设计中应该考虑，并使之符合规范要求的相关设计参数，便能自动获得，处理效果也动态显示。这项工作如看作是一系列的虚拟实验，不需要实际建造设备，不受实际运行周期影响，而能迅速取得结果。所以能够进行更广泛的选择而获得优化结果。这就是使用虚拟设备进行可视化设计的新方法。
根据环状、树状网连续方程和能量方程，以及泵、塔水力计算的相应理论开发给排水管网和水泵调配的虚拟仪器，对环状给水管网的设计^[5]，送水泵站中按管路和水泵特性来确定送水泵站的配置和运行方案，以及多泵多塔多节点供水等任务，进行现场控制和预案制定。例如图6所示用于泵站的配置和调度的虚拟仪器操作流程。

6．结论

水环境工程的虚拟仪器使用了图形化的编程平台，在水处理反应动力学和水力计算相应理论基础上，构造了“所见即所得”的虚拟仪器，它的面板模拟传统的控制操作台和仪表盘。多参数间的交互影响以理论或实验获得的响应时间（例如构筑物的水力停留时间）在时间域上重复迭代，从而较真实地反映了水处理进程。不需要实际建造设备，不受实际运行周期影响，而能迅速取得结果。所以能够进行更广泛的选择而获得优化结果。这就是使用虚拟设备进行可视化设计的新方法。水处理虚拟仪器的开发为控制技术在水环境工程中的应用寻求到：仿真实验教学、简化可行性论证、可视化设计和方案比较、现场控制和预案制定等结合点。

参考文献
[1] 孙欣；虚拟仪器--仪器仪表工业划时代的里程碑, 煤矿自动化 1996,(3)：27-29
[2] 林正盛；虚拟仪器技术及其应用, 微型机与应用 1997, 16(8)：2-5
[3] 蔡建安, James A Smith，活性污泥法污水处理虚拟设备 中国给水排水2001,17(9) 17-22
[4] 张文艺，陈玉宝，蔡建安, 钟梅英，胡小兵；数据图形流程软件LabVIEW的应用。中国给水排水2001,17(12) 38-40
[5] 蔡建安, 环状给水管网设计和调度的虚拟仪器 安徽工业大学学报，在印