CN106952518A - 一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统 - Google Patents

一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，包括仿真服务器、实时热力仿真教学平台、智能手机、APP应用模块、通讯设备及网络、显示投影设备；本发明将热力系统实时仿真主程序在服务器中运行，并通过所搭建的通讯网络与智能手机进行通讯，避免了主运算程序在客户端运行时高计算能力的需求。利用智能手机作为客户端，大大降低了仿真教学系统的投入和建设成本，在硬件初始投入上，仅需要投入一台仿真用服务器和通讯设备。同时，针对不同的学院和教学内容，有针对性地开发APP应用，极大地提高了教学灵活性。另外，若采用便携式工作站作为仿真服务器，则该系统完全可以直接应用于一般多媒体教室，无需在专用机房中进行相关教学。

Description

一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统
技术领域
本发明属于热力系统动态仿真领域，涉及一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统。
背景技术
热力系统实时动态仿真是指仿真模型的时间比例与真实系统的时间比例完全相同的仿真。根据不同的建模范围和模型精度，其被广泛应用于系统动态特性研究、系统运行培训、系统原理教学等领域。目前，现有的系统仿真教学产品大多基于计算机群或计算机-盘台设计，其软、硬件投入成本较高，维护成本较高，容纳学员数量有限，且一般不具备升级功能，不具备离线教学/仿真功能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用智能手机作为学员终端机的热力系统实时仿真教学系统。同时解决了传统仿真教学系统初始投入高、维护成本高、容纳学员数量少的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：包括仿真服务器、实时热力仿真教学平台、智能手机、APP应用模块、通讯设备及网络、显示投影设备；
所述实时热力仿真教学平台运行在所述仿真服务器上，所述APP应用模块运行在所述智能手机上；所述仿真服务器与所述智能手机通过网络连接；所述显示投影设备与所述仿真服务器连接，用于将实时热力仿真教学平台和/或APP应用模块上的操作投影显示；
教师操作所述实时热力仿真教学平台，并根据授课重点，开放所述APP应用模块中相应的子系统模块操作授权给学生，讲解本节课相应的子系统运行原理；学生根据按照教师的授权次序，依次选择所述APP应用模块，并执行相应的仿真操作。
相比传统技术本系统的优越性在于：
(1)投资成本低。本专利提出的热力系统实时仿真教学系统，仅需要一台虚拟服务器和网络通讯设备即可。而传统的仿真教学系统，需要至少一台教练机，并根据学生数量，配备相应的学员机。
(2)维护成本低。该教学系统在硬件方面，仅需要维护服务器和相应的通讯设备，传统的教学系统不仅需要维护教练机，而且需要对每台学员机进行维护，且成本相对较高。
(3)教学地点灵活。传统的仿真系统需要在机房或具有盘台的仿真实验室中进行。而本专利所提出的仿真教学系统，可以在一般的多媒体教室中应用，如果配备的是便携式服务器及投影系统，则可以在普通教室中应用。
(4)具备课下仿真运行操作、学习功能。传统的仿真教学系统，学生必须在课堂上进行仿真运行操作，离开课堂后，仅能进行理论知识的学习。本专利提出的仿真系统，如果将服务器连接至Internet，则课后，学生可以通过智能手机连接Internet，并利用APP应用进行相应的仿真操作和学习。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，包括仿真服务器1、实时热力仿真教学平台4、智能手机3、APP应用模块5、通讯设备及网络2、显示投影设备6；
实时热力仿真教学平台4包括热力系统仿真模型、工艺系统开发模块、控制系统开发模块、人机交互模块、数据库；APP应用模块5包括基础包：系统运行工况原理介绍模块、系统操作规程介绍模块、系统设备介绍模块、在线交互模块，以及模块包：主蒸汽系统模块、凝给水系统模块、原动机系统模块、辅助系统模块、循环水系统模块。
实时热力仿真教学平台4运行在仿真服务器1连接，APP应用模块5运行在智能手机3上；仿真服务器1与智能手机3通过网络连接；显示投影设备6与仿真服务器1连接，用于将实时热力仿真教学平台4和/或APP应用模块5上的操作投影显示；
教师操作实时热力仿真教学平台4，并根据授课重点，开放APP应用模块5中相应的子系统模块操作授权给学生，讲解本节课相应的子系统运行原理；学生根据按照教师的授权次序，依次选择所述APP应用模块，并执行相应的仿真操作。
本实施例的仿真服务器1安放于具备投影仪的常规多媒体教室中。通过无线路由器发射Wi-fi信号进行教室内数据通讯。教练员(教师)在仿真服务器1(教练机)运行相应的实时热力仿真教学平台4，并投放至投影仪。学员(学生)根据本节课教学内容，安装APP应用模块5中的基础包和部分模块包。教师根据本节课重点，开放APP应用模块5中相应子系统模块操作授权，并调入相应的运行工况(Initial condition，IC)，讲解本节课相应的子系统模块运行原理。同时，学生可以根据按照教师的授权次序，依次通过手机中的APP应用模块5操作相应的阀门、按钮等，当操作的同学在操作APP应用模块5时，其他同学可以通过大屏幕进行观看。当进行全系统运行授课和虚拟练习时，教师根据班级人数，进行设备区域的分配和操作授权，这样全班学员就可以通过APP应用模块5操作自己所负责的设备模块，并进行相应的仿真学习和训练。在学习过程中，同学可以借助APP应用模块5，调取相应的系统运行图纸、说明书，进行学习或参考，同时，可以通过APP应用模块5与同学间、老师进行在线答题、留言互动。在进行仿真教学时，教师还可以运行仿真服务器1中预先编译好的“故障逻辑”，对仿真教学系统认为添加故障，考核学生的解决现场故障和应急处理系统问题的能力。
在课后，仿真服务器1可以与Internet连接，并实时运行。学生课后可以利用智能手机连接Internet，进而在课下通过手机完成虚拟运行练习和相关操作的学习。
以主蒸汽系统操作教学为例。在教学过程中，教师首先将实时热力仿真教学平台4安装在仿真服务器1中，通过路由器建立局域网络2，并将仿真平台的人机界面投入显示投影设备6中。学员将APP应用模块5中的基础包(系统运行工况原理介绍模块、系统操作规程介绍模块、系统设备介绍模块、在线交互模块)和主蒸汽模块包5安装在自己的智能手机3中，并连接局域网，注册并登录帐号。教师通过实时热力仿真教学平台4中的数据库模块授权每个学院的操作权限。确保所教学的操作点和操作规程均授权给相应的学员。教师运行实时热力仿真教学平台4，并调入指定的工况(IC)。学员可以根据显示投影设备6查看当前系统运行状态，并利用智能手机3进行相应的操作交互，例如打开某阀门，或按下某按钮。在此过程中，学员仅能操作被授权的相关按钮或设备，如操作没有被授权的设备，则提示操作有误，或没有权限。实时热力仿真教学平台4具备暂停、加速、慢速等功能，教师可以利用暂停、慢速、加速功能，进行运行指令分布讲解。
本发明的仿真服务器可以是台式或便携式，APP应用模块5支持Android系统或ISO系统。实时热力仿真教学平台安装于仿真服务器中，热力仿真代码基于Fortran语言开发，求解一维非定常汽液两相连续方程、动量方程、能量方程。
本实施例的实时热力仿真教学平台4的控制系统建模算法基于PID过程控制程序，实时热力仿真教学平台具备基于SQL Server的数据库功能，实时热力仿真教学平台具备人机交互界面，实时热力仿真平台具备网络通讯接口。
本实施例的实时热力仿真平台在服务器中虚拟运行时，其虚拟操作响应周期≤0.1秒；快过程模型运算周期≤0.1秒；慢过程模型运算周期≤1秒；暂态过程运算周期不大于暂态过程最小时间常数和暂态过程主要时间常数的1/10；暂态过程中电气量计算步长≤0.01秒/次。
本实施例的APP应用模块5基于UDP协议的Socket通信机制。
本发明公开的一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，将操作员站(学员站)由盘台或计算机替换成智能手机及APP应用模块，大大降低了仿真机的初始投入成本，同时支持在线用户数量极大提高，并且具备离线教学功能。
热力系统实时仿真技术主要面向于汽水工质为主体的火电站、核电站及其他工业领域。通过对三维多项流方程的合理简化，并配合相应的控制仿真建模，达到对系统动态特性进行实时虚拟复现的仿真效果。结合人机输入接口(学员站)，达到教练员与学员互动培训或教学的目的。实时热力仿真系统的底层代码一般基于Fortran语言开发，通过求解一维非定常的气相、液相连续方程、动量方程、能量方程，复现系统热力特性；通过控制方程程序复现系统控制逻辑；进一步在编译环境中进行热力、控制系统程序联调运行，达到对整个系统实时动态特性的复现。智能手机可以通过单独开发的第三方应用程序(APP，Application)，借助Wi-Fi(Wireless Fidelity)与仿真服务器进行数据通讯。本专利在实时仿真教学系统APP设计方面，采用基础包和模块包的组合形式。学员全部下载基础包，根据教学内容和课程重点，选择安装模块包。本专利通过合理设计组合式APP软件包的方案，避免了整套仿真系统无法在现有智能手机中运行的问题(硬件资源占用过大)。在教学过程中的在线交互、系统原理知识、在线/离线答题、操作规程查询功能在基础包中完成，而对热力系统的各个子系统操作、虚拟运行、动态特性教学等在模块包中完成。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：包括仿真服务器（1）、实时热力仿真教学平台（4）、智能手机（3）、APP应用模块（5）、通讯设备及网络（2）、显示投影设备（6）；
所述实时热力仿真教学平台（4）运行在所述仿真服务器（1）上，所述APP应用模块（5）运行在所述智能手机（3）上；所述仿真服务器（1）与所述智能手机（3）通过网络连接；所述显示投影设备（6）与所述仿真服务器（1）连接，用于将实时热力仿真教学平台（4）和/或APP应用模块（5）上的操作投影显示；
教师操作所述实时热力仿真教学平台（4），并根据授课重点，开放所述APP应用模块（5）中相应的子系统模块操作授权给学生，讲解本节课相应的子系统运行原理；学生根据按照教师的授权次序，依次选择所述APP应用模块（5），并执行相应的仿真操作。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：所述实时热力仿真教学平台（4）包括热力系统仿真模型、工艺系统开发模块、控制系统开发模块、人机交互模块、数据库。
3.根据权利要求1所述的基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：所述APP应用模块（5）包括基础包：系统运行工况原理介绍模块、系统操作规程介绍模块、系统设备介绍模块、在线交互模块，以及模块包：主蒸汽系统模块、凝给水系统模块、原动机系统模块、辅助系统模块、循环水系统模块。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：所述实时热力仿真教学平台（4）在仿真服务器（1）中虚拟运行时，其虚拟操作响应周期≤0.1秒；快过程模型运算周期≤0.1秒；慢过程模型运算周期≤1秒；暂态过程运算周期不大于暂态过程最小时间常数和暂态过程主要时间常数的1/10；暂态过程中电气量计算步长≤0.01秒/次。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于智能手机的热力系统实时仿真教学系统，其特征在于：所述仿真服务器（1）能与Internet连接，并实时运行；学生利用智能手机（3）连接Internet，通过智能手机（3）完成虚拟运行练习和相关操作的学习。
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