环境工程虚拟仿真实训基地建设方案
1 建设思路
（1） 工程数字孪生，突破实训难点
（2） AI智能助教，构建教学知识图谱
（3） 仿真实验操作，提高动手能力
（4） 知识教学可视化，突破传统教学桎梏
2 建设内容
2.1 工业废水污水处理厂智慧化调控与运行仿真实训系统
2.1.1 服务课程
（1） 《水污染治理技术》
（2） 《环境工程单元操作》
（3） 《环保设备运行维护》
（4） 《水质工程》等
2.1.2 应用亮点
（1） 采用“数字孪生”、“智慧水务”以及产学研相结合的理念；
（2） 综合运用水处理机理模型及大数据分析的混合模型算法及虚拟仿真、机器学习、大数据分析等先进技术，提供专业的工况模拟环节、提高运行结果的准确性；
（3） 具有进行多工况的仿真计算分析模拟、异常运行工况的运行调节调度、调节调控综合实验演练考核等功能，便于学生熟悉并掌握污水处理系统运行调节，为学生考取工业废水处理工资格证书夯实基础，有益于学生提高学生就业竞争力。
2.1.3 概述
系统以国内某工业废水处理厂为原型对象，在污水处理工艺系统的处理工艺、设备设施设计参数、历史运行数据、实时运行数据的基础上，围绕污水处理系统的“精准调控”、“安全运行”等业务应用进行多工况的仿真计算分析模拟、异常运行工况的运行调节调度等功能，支撑实现用户自定义条件下的污水处理系统运行调节的“演练”功能。
2.1.4 功能介绍
1. 工程概况模块
工程概况模块以污水厂二维工艺图为基础并结合BIM仿真模型1:1比例还原污水处理工艺系统及工程环境，使学生快速直观了解和掌握工程的总体布置、设备设施构成、污水处理流程等内容。同时，以文本、运行数据、设计指标参数、现场实景照片、污水厂工艺图等多种方式，培训学生了解污水处理厂相关工程属性，提高学生对工程概念及工程运行等知识的理解。
污水厂工程概况介绍示意图
2. 实时数据模块
实时数据模块在污水处理系统三维BIM数字化模型基础上，采用结构化、对象化表达方式，将实际工程多年运行数据接入系统进行动态展示，建设形成面向实际工程的“数字孪生污水厂”数字化底板。用户可通过双击各污水处理单元，实现对单个设备设施的动态监测数据查看，观察各运行工况下的监测数据变化，达到对各项污水处理指标参数的深化理解。
污水处理工艺实时数据示意图
3. 仿真实验模块
仿真实验模块是污水智慧化运行与调控实验的核心模块，用户可针对各种运行工况进行相关水质影响参数的自定义设置，并结合高亮、动态的方式模拟污水在污水处理流程中的处理顺序，实现对污水处理工艺系统的综合运行调控仿真实验演练。系统基于专业机理与大数据分析的混合模型算法程序，系统通过调用混合模型算法程序，完成当前设定工况和参数下的仿真计算分析，并给出相关技术指标参数，当指标参数超出允许范围时，用户进行不同生化回流量、曝气风量、加药量等参数调节，进行相应工况下的调节调控综合实验演练，直至满足相关指标要求。系统记录学生操作步骤和相关参数，并结合实验调控参数的合理性，实现学生实验操作的自动评分。
仿真实验调控考核示意图
4. 机器学习模块
机器学习模块包括机器学习原理认知和机器学习练习两部分。在对机器学习原理的流程展示讲解基础上，学生可基于当前污水处理厂实际运行历史数据，选择不同机器学习模型进行模型训练，实现未来一定周期的参数变化趋势预测，并采用近期运行监测数据进行对比验证，判定机器学习模型的准确性、适用性和预测效果；帮助学生深入了解和掌握机器学习的相关理论和方法。
机器学习原理介绍示意图 模型预测示意图
5. 智能AI模块
AI模块为系统内置功能，承担教师课堂教学时的助手功能及学生课后学习的问答功能。AI支持以自然语言进行对话，支持语音或文字的方式对话，回答的结果能提供文字解答及引用原文展示，有相关图片、视频、文档资料的，也作为配套资料进行展示。AI模块可满足用户在系统使用过程中对污水处理厂工程、污水处理工艺、相关指标或法规等问题的解答。
智能AI文字对话示意图 智能AI语音对话示意图
2.2 城市污水处理厂智慧运行仿真系统
2.2.1 服务课程
（1） 《水污染治理技术》
（2） 《环境工程单元操作》
（3） 《环保设备运行维护》
（4） 《水质工程》
（5） 《泵与泵站》
（6） 《无机及分析化学》
（7） 《仪器分析技术》等
2.2.2 应用亮点
（1） 综合运用“数字孪生”、“智慧水务”“智慧巡检”“工艺模拟培训”以及产学研相结合的理念；
（2） 具有仿真工艺模拟、智慧巡检、设备检修、设备认知、考核打分等功能，有利于学生掌握环境工程技术专业知识和技术技能，培养学生能够从事污染治理设施运维管理工作的能力。
2.2.3概述
以城市污水处理厂为对象，结合污水处理厂工程概况、工艺运行、日常巡检、设备运行维护与检修操作、事故故障操作等内容，建设城市污水处理厂智慧运行仿真实训系统。围绕设备运行状态、设备参数设置及拆分组装等内容进行试题考核培训。通过该系统，可以进一步提高学生对城市污水处理厂的专业认知及提升学生从事污水处理厂设施运维管理等工作的就业竞争力。
2.2.4 功能介绍
1. 工程概况模块
工程概况采用三维BIM建模方式1:1比例还原建立污水处理工艺系统及实际工程环境，使学生快速直观了解和掌握污水厂的总体布置、设备设施构成、污水处理流程等内容。同时，通过图文介绍污水厂的整体信息，展示污水厂COD、TP、TN、PH等核心监测指标数据和工艺设施相关指标数据，加深学生对工程概念的理解并提高其将理论与实际结合的能力。
2. 仿真工艺模块
以三维仿真的形式详细展示污水处理厂和周边环境、地形地貌的全貌，实现各厂区的空间信息展示，区位展示，厂区内可展现地上可见的部分和地下的管道部分，管道内模拟出真实的水流动效果，并进行工艺流程的仿真模拟，同时以图文形式展示相关工艺设施的介绍。通过仿真工艺模块，便于学生熟悉并掌握污水处理工艺流程及相关认知。
粗格栅及进水泵房仿真示意图
3. 数据驾驶舱模块
通过交互数据看板展示厂站每日污水处理总量和COD、氨氮和SS污染物削减量等生产数据，按年或按月查询并展示污水厂运行情况数据、巡检完成情况和报警统计数据，有利于进一步加深学生对污水厂实际工程运行的认知，提高学生对污水厂的区域情况和处理能力之间关系的理解。
污水厂运行情况数据示意图 巡检及报警统计示意图
4. 虚拟智能巡检模块
通过第三人称漫游的方式进行污水厂巡检，漫游靠近工艺单元时，自动弹出该工艺单元巡检工单，包含：工艺单元名称、巡检项、巡检任务完成项、任务处理状态和设备异常详细信息。将巡检点、设备和传感器实时数据相结合，高效代替人工巡检，有效提高了污水厂运维巡检效率，对传统运维巡检过程形成极大的改善，应用三维虚拟巡检技术可以最大程度的保证污水厂的安全稳定运行，从根本上提升了污水厂的巡检水平，同时使学生具有分析污染控制工程运行中出现故障的能力。
鼓风机房巡检示意图 曝气沉砂池巡检示意图
5. 设备检修工艺模块
设备检修工艺模块可实现对设备的结构和属性的认知，进行设备运行状态模拟、设备参数设置及交互式设备拆分组装操作，提高学生对设备运行的专业认知和熟悉程度，同时帮助受训人员详细掌握细部结构，使学生具有处理污染控制工程运行中出现故障的能力。系统内置设备相关试题培训，进一步巩固学生所学专业知识，培养具备良好专业文化素养的技术技能人才。
设备拆分组装示意图 设备相关试题考核示意图
2.3 挥发性有机污染物（VOCs）专业技能培养仿真系统
2.3.1 服务课程
（1） 《环境工程单元操作》
（2） 《环保设备运行维护》
（3） 《大气污染治理技术》
（4） 《无机及分析化学》
（5） 《仪器分析技术》等
2.3.2 应用亮点
（1） 具有知识图谱、工艺认知及工艺实训等功能，有利于学生掌握VOCs处理的专业知识，能安全运行维护VOCs处理设施，为学生考取工业废气处理工资格证书巩固基础；
（2） 内置VOCs处理相关计算工具的实操训练工具，学生可进行手动训练及在系统内进行相关数据的填写、校正，培养学生进行VOCs处理工艺设计的能力及计算能力。
2.3.3 概述
基于挥发性有机污染物（VOCs）处理工艺，采用三维仿真技术与环境工程“专业技能的培养”的教学环节相结合的方式，建立挥发性有机污染物（VOCs）专业技能培养仿真工艺系统。支持用户进行挥发性有机污染物（VOCs）处理及净化的的专业技能从理论学习到实践应用的全方位学习、实训，便于形成完整的知识体系，培养学生的专业技能。
2.3.4 功能介绍
1. 知识图谱模块
系统构建VOCs处理工艺知识体系的知识图谱，以VOCs处理与净化工艺为知识核心，把VOCs处理涉及的相关技术、应用的场景对象、涉及的相关设备选型及布置、关联的相关专业等重点知识进行解析学习，将知识点进行“离散重构”，形成完整的知识体系，加强学生对VOCs处理专业知识和技术技能的掌握。
2. 工艺认知模块
系统通过高精度、高质量的三维BIM模型，搭建生产工厂的VOCs处理仿真场景，用户可对仿真场景内VOCs处理工艺的父单元工艺、构成要素、形态、典型的类型、布置方式、作用及静态属性等进行交互式认知学习，同时还可以对工艺运行方式、涉及的设备装置及重要指标参数及处理效率等进行交互式认知学习，提高学习质量。
基于三维仿真技术，建立VOCs处理装置的BIM仿真模型，依据工程的处理要求及基本资料进行行活性炭罐、脱附、换热器的设计，所有的设计步骤都基于该模型进行操作。学生可进行VOCs处理工艺的基础参数计算训练、子单元指标、整体指标等计算，培养学生核心计算能力。
3. 工艺实训模块
工艺实训模块基于仿真BIM模型，进行VOCs处理工艺的运行实训，以图文形式展示工艺的运行原理、运行数据及设计指标等参数的展示。运用专业机理模型与大数据分析的混合模型算法程序，进行相应工况下的调节调控综合实训演练，学生通过自主调整实验参数，直至结果满足处理指标要求。系统会对实训过程及结果进行考核打分，并支持结果导出，满足日常教学考核使用。
2.4 烟气脱硫脱硝专业技能培养仿真系统
2.4.1 服务课程
（1） 《环境工程单元操作》
（2） 《环保设备运行维护》
（3） 《大气污染治理技术》
（4） 《无机及分析化学》
（5） 《仪器分析技术》等
2.4.2 应用亮点
（1） 具有知识图谱、工艺认知及工艺实训等功能，有利于学生掌握烟气脱硫脱硝的专业知识和技术技能，能安全运行维护烟气脱硫脱硝治理设施，为学生考取工业废气处理工资格证书巩固基础；
（2） 内置烟气脱硫脱硝相关计算工具的实操训练工具，学生可进行手动训练及在系统内进行相关数据的填写、校正，培养学生进行烟气脱硫脱硝工艺设计的能力及计算能力。
2.4.3 概述
基于烟气脱硫脱硝工艺，采用三维仿真技术与环境工程“专业技能的培养”的教学环节相结合的方式，建立烟气脱硫脱硝专业技能培养仿真工艺系统。用户可进行烟气脱硫脱硝处理及净化的的专业技能从理论学习到实践应用的全方位学习、实训，便于形成完整的知识体系，培养学生的专业技能。
2.4.4 功能介绍
1. 知识图谱模块
系统构建烟气脱硫脱硝处理工艺知识体系的知识图谱，以烟气脱硫脱硝处理工艺为知识核心，把烟气脱硫脱硝工艺涉及的相关技术、应用的场景对象、涉及的相关设备选型及布置、关联的相关专业等重点知识进行解析学习，将知识点进行“离散重构”，形成完整的知识体系，加强学生对烟气脱硫脱硝工艺专业知识和技术技能的掌握。
2. 工艺认知模块
系统通过高精度、高质量的三维BIM模型，搭建火电厂的典型烟气脱硫脱硝工艺仿真场景，用户可对仿真场景内烟气脱硫脱硝工艺的父单元工艺、构成要素、形态、典型的类型、布置方式、作用及静态属性等进行交互式认知学习，同时还可以对工艺运行方式、涉及的设备装置及重要指标参数及处理效率等进行交互式认知学习，提高学习质量。
3. 工艺设计模块
基于三维仿真技术，建立烟气脱硫脱硝工艺装置的BIM仿真模型，进行烟气预处理装置、脱硫装置、脱硝装置的设计，所有的设计步骤都基于该模型进行操作。学生可进行烟气脱硫脱硝工艺的基础参数计算训练、子单元指标、整体指标等计算，培养学生核心计算能力。
4. 工艺实训模块
工艺实训模块基于仿真BIM模型，进行烟气脱硫脱硝工艺的运行实训，以图文形式展示工艺的运行原理、运行数据及设计指标等参数的展示。运用专业机理模型与大数据分析的混合模型算法程序，进行相应工况下的调节调控综合实训演练，学生通过自主调整实验参数，直至结果满足处理指标要求。系统会记录学生操作步骤和相关参数，并结合实验调控参数的合理性等实现学生实验操作的自动评分。
2.5 垃圾焚烧厂三维仿真实训系统
2.5.1 服务课程
（1） 《环境工程单元操作》
（2） 《环保设备运行维护》
（3） 《固体废物治理技术》
（4） 《无机及分析化学》
（5） 《仪器分析技术》等
2.5.2 应用亮点
（1） 具有实训认知、实训操作等功能，便于学生掌握环境工程技术专业知识和技术技能，培养学生对垃圾焚烧厂进行基本的日常维护和运行管理的能力，有利于学校培养环境工程专业高素质复合型技术技能人才。
（2） 逼真、友好的三维仿真交互界面及漫游漫游，增强学生沉浸感，有利于学生将理论与实际工程相结合，进一步深入了解垃圾焚烧厂的布局，同时进行垃圾焚烧厂运行技能培训。
2.5.3 概述
以垃圾焚烧厂为对象，建立垃圾焚烧厂虚拟仿真场景，采用虚拟交互方式，结合垃圾焚烧厂实际生产运行过程及学校培养人才方案目标，对垃圾焚烧厂日常运行中的相应实操内容进行三维仿真模拟。针对注意事项进行提醒操作，提高学生在垃圾焚烧厂运行操作方面的动手能力，培养学生的专业操作技能并提高学生的就业竞争力。
2.5.4 功能介绍
1. 工程认知模块
工程认知模块采用三维BIM建模方式1:1比例还原并建立垃圾焚烧处理工艺系统的实际工程场景，学生可在三维虚拟仿真场景中进行漫游（飞行模式与重力模式），方便其充分了解垃圾焚烧厂的布局，同时系统支持视角微调功能，便于学生对垃圾焚烧厂进行细致观察。以文本、数据参数、工艺图等多媒体形式，展示垃圾焚烧厂实际工程概况、工艺流程等信息，深化学生对垃圾焚烧厂实际工程的认知。
2. 实训认知模块
实训认知模块主要对垃圾焚烧工艺和设计的设备装置进行认知学习，主要包括垃圾接受与储存设备、预处理设备、流化床焚烧炉、烟气净化设备、炉渣处理设备及废水处理设备等设备装置。以文字介绍、图片、视频资源等形式展示该设备装置的相关信息，供学生进行交互式认知学习，提升学生的学习兴趣。
3. 实训操作模块
实训操作模块采用三维仿真技术，围绕垃圾焚烧厂实际运行过程中的工艺流程、中控控制、运行操作等环节，开发逼真、友好的三维仿真交互界面，对垃圾焚烧厂进行运行技能培训。基于三维场景及DCS控制系统进行工程运行实训操作，操作的任务包括焚烧炉启动前检查、锅炉上水、风压控制、焚烧炉启动等实训任务。系统会对实训操作进行实时记录并进行评分，同时会出具实训成绩清单。
2.6 水环境（水质）测定仿真实验系统
2.6.1 服务课程
（1） 《无机及分析化学》
（2） 《环境监测技术》
（3） 《水污染治理技术》
（4） 《仪器分析技术》等
2.6.2 应用亮点
（1） 建立逼真的水质测定实验场景，提高学生的学习兴趣。基于仿真实验场景可进行多项水质测定模拟实验，便于学生进行实验认知、操作、考核和记录学习，提高学校教学质量；
（2） 计算和评价地表水体的富营养化指标，根据评价结果划分水质等级，同时提供文字说明和语音解说，对场景中的内容进行更直观的解释和说明，有利于培养学生自主学习的能力。
（3） 具有原理认知、器材认知及实验操作、考核和记录等功能，使学生能够牢牢掌握环境工程技术专业知识和技术技能，为学生后期考取水环境监测与治理、环境监理证工程师等资格证书夯实基础，培养学生能够从事环境监测、环境影响评价等工作的能力。
2.6.3 概述
系统以常见水质指标测定实验为对象，建设水环境（水质）测定仿真实验系统，系统内置化学需氧量（COD）、溶解氧（DO）浓度、总磷（TP）浓度、总氮（TN）浓度、氨氮（NH3-N）浓度等水质指标测定的实验方法、实验步骤、实验现象等。通过该仿真实验系统，学生可以进一步熟悉并掌握水质监测相关实验，强化学生进行水质指标测定的动手能力。
2.6.4 功能介绍
1. 实验预习模块
原理认知模块包含实验原理、试验流程、实验器材等认知功能，协助用户在实验前对相关实验内容进行认知和预习，以保障后续实验的顺利进行。以图文形式展示实验原理、实验方法、实验器材、操作规范和实验流程等内容，学生可进行交互式认知学习，提高学生对水质测定实验学习的兴趣，便于加强学生进行实验操作的正确性及规范性。
2. 实验操作模块
实验操作模块采用三维虚拟互动的方式，对用户选择的实验进行模拟操作，主要操作流程包括器材选择、药剂配置、实验仪器使用等，操作过程中支持用户查看实验步骤、数据记录、实验规范等相关内容，有利于学生对实验流程及规范操作有更深刻的认知。培养学生能进行简单的固体、液体取样和样品交接，能按国家标准配制、标定常用的酸碱标准溶液，为学生后续进行水质测定实验巩固动手能力。
3. 实验考核模块
实验考核模块以交互式进行实验过程中的操作考核，以选择、判断等形式进行考核。通过加强人机交互，提升学生的学习兴趣，进一步加深学生对水质测定实验的专业认知水平及实验流程和操作的熟悉程度，同时可提高学生进行水质实验操作的规范性，有效提高学生进行实验操作的安全性和保障仪器设备的正确操作使用。
4. 实验报告模块
实验报告模块主要以数据填空、数据计算及曲线绘制等形式进行实验数据记录，汇总实验结果，形成简洁的实验报告。协助学生正确记录和处理原始数据，有利于学生梳理、明晰实验流程，提高学生对实验认知的水平和进行实验操作的规范性，同时有利于提高学校环境工程专业科研人才的培育能力与社会影响力。
2.7 环境工程三维素材库
2.7.1 服务课程
（1） 《环境工程单元操作》
（2） 《环保设备运行维护》
（3） 《水质工程》
（4） 《泵与泵站》
（5） 《无机及分析化学》等
2.7.2 应用亮点
（1） 运用BIM、虚拟仿真等先进技术，提供交互式学习环境，提升学生的学习兴趣，培养学生自主学习的能力；
（2） 具有设备认知、拆分、复位功能，为学生从事“三废”治理设施的操作调控、设备维护等工作巩固基础，使学生具有较强的就业能力。
2.7.3 概述
基于环境工程专业相关教材，采用三维仿真技术，建立环境工程三维设备模型资源库，方便学生互动认知学习。通过虚拟交互操作，进行相关设备装置的拆分及复位；通过文字信息、图片信息、图纸信息、视频资料等，对设备装置进行立体化认知，熟悉其在环境工程技术及相关领域的应用，培养学生从事污染治理设施运维管理工作所需的专业技能，增强学生的就业竞争力。
2.7.4 功能介绍
1. 设备认知模块
设备认知模块采用三维BIM建模方式建立相关设备模型，通过虚拟交互的方式进行设备的认知学习，以图文、数据、视频等多媒体形式展示设备重要信息，可自定义调节模型旋转速度、模型平移速度、模型缩放速度，便于学生对设备装置进行立体化认知，加深其对设备装置的熟悉程度，为进行设备装置拆分和复位夯实基础。
2. 设备检修模块
设备检修模块支持学生对设备装置进行虚拟交互操作，包括：360度旋转、缩放、自动拆分、整体复位、单个复位、单部件手动拆分、单部件透明度调节、单部件隐藏等。用户可在三维场景中进行截图，即通过截取三维场景界面上任意大小窗口的进行截图编辑，有利于学生在学习过程中进行记录，方便学生后续复习。
