蔡建安， 張文藝，鐘梅英，龔為進
安徽工業大學 環境工程系 安徽馬鞍山 243002, jianan@ahut.edu.cn

　　摘要：使用圖形化的編程平臺，在水處理反應動力學和水力計算相應理論基礎上，構造以虛擬儀器為表現形式的控制系統。這種包含多參數間交互影響的控制系統，較真實地反映了水處理進程，因此在仿真實驗和現場控制、預報上獲得應用，并提供了可視化設計的新方法。
　　關鍵詞：虛擬儀器，水處理，仿真實驗，可視化設計

1．概述

　　虛擬儀器是指代替儀器設備實物功能的一種計算機模擬應用技術。虛擬儀器的產生被認為是儀器儀表工業劃時代的里程碑^[1]。目前該領域的研究十分活躍，例如虛擬技術在汽車發動機檢測系統、電力拖動系統、煤礦自動化、儀器計量及其在自動控制系統方面的使用^[2]。在環境工程領域，虛擬設備被用來進行活性污泥處理污水的設計與管理，并用來進行大氣和核數據采集^[3]。
　　本研究在LabVIEW的圖形編程平臺上，應用G(圖形) 語言的可視化交互技術，開?quot;所見即所得"的虛擬儀器，它的面板模擬傳統的控制操作臺和儀表盤。當我們根據設計任務調整旋鈕，在儀器面板上控制儀器的指針，改變著一系列設計參數時，便能獲得動態的結果。這項工作可看作是一系列的虛擬實驗，不需要實際建造設備，不受實際運行周期影響，而能迅速取得結果。所以能夠進行更廣泛的選擇而獲得優化結果。這就是使用虛擬設備進行可視化設計的新方法。虛擬設備除了能方便地應用于科研和設計仿真外，結合在線數據采集技術，還能直接在現場安裝供現場操作人員用來進行監測、控制和預報，提高給排水工程自動化程度和運行水平^[4]。
　　本研究是以水處理反應動力學和水力計算的相應理論為基礎，構造以虛擬儀器為表現形式的控制系統。多參數間的交互影響以理論或實驗獲得的響應時間（例如構筑物的水力停留時間）在時間域上重復迭代，從而較真實地反映了水處理進程。
　　水處理虛擬儀器的開發在以下方面為控制技術在水環境工程中的應用尋求到結合點：
　　（1）水環境工程中的仿真實驗教學；
　?。?）仿真實驗與真實實驗結合，簡化可行性論證；
　?。?）方案比較和可視化設計；
　　（4）現場控制、預案制定。

2．水環境工程虛擬儀器的形式和內容

　　水環境工程虛擬儀器在LabVIEW的圖形編程平臺開發，然后編譯成能夠獨立運行的gpsfz.exe執行文件。表1列出的二級菜單內容，顯示了該虛擬儀器所包含的主要項目。在一些二級菜單下面，除了直接用于實驗和設計的運行程序外，還根據需要設置了：原理說明，操作流程，案例分析等子項。為了保證水環境工程虛擬儀器gpsfz.exe能夠不受硬件條件限制，能在學校計算機教學和設計院運行，本程序不含數據采集和控制。

表1：水環境工程虛擬儀器gpsfz.exe的二級菜單結構

給水 排水 污水處理 水泵 環境評價 自由沉降 絮凝沉降實驗 活性污泥 離心泵系統工況 河流SP模型 過濾實驗 擁擠沉降和壓縮 序批反應器(SBR) 泵站配制和調度 河流一維擴散 虹濾實驗 充氧實驗 生物轉盤 多泵多塔多節點 河流二維擴散 普通快濾池 氣浮反應 生物濾塔 湖泊箱式模型 供水管網 活性炭吸附實驗 氧化溝 湖泊分層模型 污水管網 淹沒式生物濾池 雨水管網 微電解反應器 循環流化床反應器

3．水環境工程虛擬儀器的仿真實驗

　　水環境工程是一門實踐性極強的學科。然而，目前全國高校的實驗課教學由于4個方面的原因，受到不同程度的影響。（1）招生規模擴大后，水工實驗使用的較大型的設備臺套不足。（2）基礎教學和英語、計算機能力訓練加強后，專業課教學課時數普遍緊張。（3）試劑和材料價格上漲，材料消耗的實驗經費不足。（4）對于需要較長時間響應的實驗，教學實驗本身造成水資源的浪費。
在以人才培養為目的的實驗教學活動中，有時獲得的實驗結果數據本身并不重要，而注重實驗設計的科學性和合理性，注重理解實驗進程，注重培養對技術路線的認識和注重對實驗數據處理能力培養。水環境工程虛擬儀器（設備）采用了與實驗室實際操作相似的仿真實驗方法，不僅解決了設備、時間和經費的不足，還大大地豐富了實驗教學的內容。圖1為過濾的仿真實驗，通過設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水頭。

4．虛擬儀器與真實實驗的結合

　　目前基礎實驗活動的削弱，不僅僅是表現在教學實驗活動中，設計研究院所實際上也普遍存在著類似的問題。由于水環境工程虛擬儀器的開發是建立在成熟的反應動力學和水力計算的相應理論基礎上，并針對一些典型工況，用現場測定值和獲得的實驗室數據進行統計分析和參數估值后加以確認。因此在開展設計研究工作時，虛擬儀器與真實實驗的結合應用于可行性論證階段，能起到簡化實驗過程，縮短研發周期的作用，較好地解決這一矛盾。
　　虛擬儀器與真實實驗結合的采用下列3種形式：
　?。?）實驗參數類比法；
　　（2）以簡單靜態實驗，對應連續流動態過程；
　　（3）進行放大實驗和參數控制。

　　舉例說明，圖2為絮凝沉降的仿真實驗，圖3為沉淀池設計的虛擬儀器面板。對于即將開始的設計，已有可行性研究的真實實驗數據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驗方法充實數據，并運用類比的方法用沉淀池設計虛擬儀器，進行設計工作。使用相似類型，并按照所提供的SVI值進行校核，便能達到滿意的效果。

　　以簡單靜態實驗，對應水處理連續流動態過程的方法，可以用活性炭吸附工藝設計加以說明。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，吸附過程具有不同的特征。但如果其靜態吸附特征相似，對應水處理連續流的動態過程也應相似。在活性炭吸附工藝設計的虛擬儀器中，所提供的一些類型選擇，實際上對應于不同結構和不同參數的吸附函數。右側給出了其相應的三塔串聯運行結果。由于當吸附函數的結構形式和參數確定后，水處理的動態結果，來自于成熟的設計公式，和經實驗驗證，因而具有相當的可靠性。所以在可行性論證階段，使用簡單的靜態真實實驗，找到具有相似的吸附特征，在單塔或多塔串聯的連續流運行時，必然具有較好的設計預測結果，起到簡化實驗過程，縮短研發周期的效果。

　　在可行性論證階段，虛擬儀器與真實實驗結合的方法，可以用來進行放大實驗和簡化參數控制。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、污泥負荷、溶解氧濃度和其他抑制因子的函數，在真實實驗中，要想較全面地反映這些因素的影響給模型實驗帶來了很大的困難，這些因素影響已有結論。此外既然作為一個水處理系統，各子系統間的影響和相互制約關系是顯然存在的。
　　例如當活性污泥處理工藝中，處理流量的增加會引起一系列的復雜響應：
　?。?）底物濃度增加，作為一級反應對降解的有利影響；
　?。?）污泥負荷增大對降解的不利影響；
　　（3）水力負荷增大對未來污泥濃度影響；
　?。?）水力負荷增大對二沉池工況影響；
　　（5）處理負荷增大對供氣量需求和未來氧濃度的影響；
　?。?）底物降解對污泥增量的影響，等。
　　這些過程往往需要相當長的響應時間，無疑給模型實驗增加了新的難度。
　　使用虛擬儀器的的仿真實驗，經真實實驗的局部和特定條件下的參數修正，進行放大和參數控制實驗便不難得到需要的結果。

5．虛擬儀器用于可視化設計和工程預案

　　由以上提供的水環境工程虛擬儀器舉例中，可以看到應用G(圖形) 語言的可視化交互技術的虛擬儀器，具有“所見即所得”的控制操作臺和儀表盤。當我們根據設計任務調整旋鈕，在儀器面板上控制儀器的指針，設置構筑物尺寸，改變著原始條件時，一系列在設計中應該考慮，并使之符合規范要求的相關設計參數，便能自動獲得，處理效果也動態顯示。這項工作如看作是一系列的虛擬實驗，不需要實際建造設備，不受實際運行周期影響，而能迅速取得結果。所以能夠進行更廣泛的選擇而獲得優化結果。這就是使用虛擬設備進行可視化設計的新方法。
根據環狀、樹狀網連續方程和能量方程，以及泵、塔水力計算的相應理論開發給排水管網和水泵調配的虛擬儀器，對環狀給水管網的設計^[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行方案，以及多泵多塔多節點供水等任務，進行現場控制和預案制定。例如圖6所示用于泵站的配置和調度的虛擬儀器操作流程。

6．結論

水環境工程的虛擬儀器使用了圖形化的編程平臺，在水處理反應動力學和水力計算相應理論基礎上，構造了“所見即所得”的虛擬儀器，它的面板模擬傳統的控制操作臺和儀表盤。多參數間的交互影響以理論或實驗獲得的響應時間（例如構筑物的水力停留時間）在時間域上重復迭代，從而較真實地反映了水處理進程。不需要實際建造設備，不受實際運行周期影響，而能迅速取得結果。所以能夠進行更廣泛的選擇而獲得優化結果。這就是使用虛擬設備進行可視化設計的新方法。水處理虛擬儀器的開發為控制技術在水環境工程中的應用尋求到：仿真實驗教學、簡化可行性論證、可視化設計和方案比較、現場控制和預案制定等結合點。

參考文獻
[1] 孫欣；虛擬儀器--儀器儀表工業劃時代的里程碑, 煤礦自動化 1996,(3)：27-29
[2] 林正盛；虛擬儀器技術及其應用, 微型機與應用 1997, 16(8)：2-5
[3] 蔡建安, James A Smith，活性污泥法污水處理虛擬設備 中國給水排水2001,17(9) 17-22
[4] 張文藝，陳玉寶，蔡建安, 鐘梅英，胡小兵；數據圖形流程軟件LabVIEW的應用。中國給水排水2001,17(12) 38-40
[5] 蔡建安, 環狀給水管網設計和調度的虛擬儀器 安徽工業大學學報，在印