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智慧城市国家级虚拟仿真实验教学中心介绍

  1.基本概况

  智慧城市是工业文明向知识文明进化的产物,是依托互联网、物联网、传感网、大数据、云计算等在经济、社会、文化、生态和城市管理服务的各个领域构建智慧发展环境。目前,我国的城镇化正处于由快速规模发展,向绿色、智慧可持续发展转变的关键时期,因此需要培养大批适应现代城市建设和管理的高级人才。智慧城市建设与管理涉及学科多、覆盖范围广,其中智能化、绿色能源、精细化管理等实验综合性强,系统结构复杂,无法利用传统方法再现复杂的现场实验环境和工况,采用真实设备难以实现教学功能;城市安全、城市电力和城市环境监测等系统涉及到不可及或不可逆的操作、高危、成本高,消耗大等问题。为此,学校结合北京市这类特大城市智能运行、城市安全智能保障、信息基础设施提升方面的人才培养要求,注重推动信息技术与实验教学深度融合,建设了智慧城市虚拟仿真实验教学中心,2014年获评国家级虚拟仿真实验教学中心。

  中心经过持续建设,目前已形成了跨学科、跨院系,以“智慧城市智能化建设、运营与管理”为特色的虚拟仿真实验教学系统,以解决北京城市发展建设与城市运行管理的突出问题为主要目标,对城市建设与管理整个过程所涉及到的相关专业知识进行系统分类,架构了8类实验教学平台,以适应与满足地方城市建设高速发展的特殊需求。8类实验平台包括城市智能化、城市精细化管理、城市安全、城市电力、城市绿色能源、城市电磁环境、城市声环境和城市建筑3D打印仿真,依托这8个实验平台,自主研发了25个虚拟仿真实验系统,设置了30个实验模块,开设了117个虚拟仿真或半实物模拟仿真实验项目,用于为本校25个本科专业、8个硕士一级学科和11所兄弟院校相关专业,以及相关企事业单位开展实验和实训教学,同时面向全校学生开设通识教育实验模块。

  2 .各实验平台(群)的特点及相关实验模块

  城市智能化实验平台

  基于北京建筑大学中法能源培训中心、建筑电气与智能化实验教学中心中的半实物仿真设备,以及虚拟仿真实验平台,完成无法利用实际设备进行实验教学的城市管线虚拟仿真实验、数字化园区模拟仿真实验和现代城市电梯运行与管理虚拟仿真实验教学工作。该平台设有供热/供燃气半实物仿真实验系统、燃气系统突发事件应急管理模拟系统、数字化园区半实物模拟实验系统,以及建筑电梯监控半实物模拟仿真实验系统,每年服务全校5个本科专业2~4年级的本科学生。本实验平台以培养城市运行设施设计、开发、维护与管理方面的高级人才为目标,本平台可以帮助学生加深理解城市管网设备监测与应急管理、现代城市园区集成、监控与管理,以及城市电梯监控与应急管理方面的理论知识。

  城市精细化管理实验平台

  现代智慧交通与城市部件管理已进入精细化阶段,其信息容量与呈现方式已无法用传统方法满足,为满足教学实验需要,采用交通虚拟现实与交通微观仿真技术,基于全视角的交通仿真模拟,分析道路桥梁、交通枢纽、大型公共场所等空间内人流、车流、设施、环境间的相互作用关系;通过半实物和软件仿真,构建城市智慧交通虚拟仿真动态模型,模拟再现交通流的内在规律和交通设计方案,开展城市交通精细化管理教学。采用实景影像及城市日常运行管理仿真技术,以真实数据和问题模拟智慧城市管理中的城市部件管理、城管案件巡查识别、派发、监督、结案的整套流程;采用物联网技术与3G通讯技术,以真实数据模拟城市雨情、雪情实时监测和城市防汛、应急信息收集、指挥调度的工作流程和应急预案的执行,开展网格化城市部件精细化管理教学。

  (3)城市安全实验平台

  针对城市安全的最新规范要求与最新安全技术的发展现状,开设了城市火灾防灾减灾虚拟仿真实验和建筑结构安全监测虚拟仿真实验项目,先后建成了“多层地下交通枢纽安全监控系统”、“城市特种建筑安全监测系统”、“城市火灾虚拟场景虚拟仿真”、“特种建筑结构抗震监测虚拟仿真”四个实验系统。以城市火灾虚拟仿真实验为例,通过实验,使学生可以直观、自主学习消防水、电、暖通系统及其与建筑的关系,不同消防设备的外形、电气特性和安装原理,消防设备的选型等,进而深刻理解消防系统设计的基本方法;使学生掌握智能建筑消防系统的火灾情况下的软、硬件以及系统响应,深刻认识不同建筑设备火灾时的响应特征;通过布置火灾源、消防车、消防战斗员、群众等,学生可以进行火灾救援、疏散演练的仿真练习,了解消防救援的一般过程和建筑消防疏散的安全通道与路径等,有助于学生深刻掌握建筑消防设计的原理,进而创新性地进行消防设计。

  (4)城市电力试验平台

  本平台由“建筑供电与配电网监测虚拟仿真实验”、“城市电力系统分析虚拟仿真实验”、“电气系统设计虚拟仿真系统”和“电机监测与控制虚拟仿真实验”四套仿真实验系统构成。平台具有“电气系统设计虚拟仿真实验”软件、PSASP软件系统、3D虚拟电磁场仿真软件等大型虚拟仿真软件支撑,实现了建筑供配电、电力系统、电机分析与设计等实验教学环节的软硬件有机结合。实验平台可以进行潮流计算、短路计算、谐波分析计算和继电保护整定计算,并提供了风电光伏储能模型,光伏电源与电压型逆变器经稳压电容器相连,逆变器将光伏电源所发直流电交流电,经滤波电感与电网相连,实现光伏并网。虚拟仿真实验技术使得学生可以在实验室模拟实际工程,并完成相应的调试与设计,学生的学习兴趣和创新能力得到显着提升。

  (5)城市绿色能源实验平台

beat365足彩  采用虚拟现实技术对常见风力发电过程不同类型中的多种工作条件及故障模式进行实时仿真,以逼真的表现形式再现风场环境并对风电设备进行模拟操控。重点围绕E-Wind Turbine风力发电机仿真设备,组建风力发电机组的空气动力学模型、机械模型、电气模型教学实验仿真平台,准确地模拟风力发电机从运行、暂停、停机、急停等各阶段工作状态和工作特性;模拟大海、草原、城市等常见风场的风模型,以及模拟发电机系统、桨距系统、传动系统和偏航系统等子系统的各种故障;使用BIM技术,构建建筑信息模型提供更准确的太阳能光电建筑发电量的预测方法,利用虚拟光伏发电预测系统开展光伏系统设计优化与运行监测虚拟实验;利用风力发电虚拟仿真系统所具有的模拟风力发电机和风场模型,开展风力发电运营过程的仿真试验;利用能耗优化设计软件(SkySpark、DOE-2、EnergyPlus等),模拟和分析大型公共建筑内暖通空调系统、照明插座系统、大型动力设备的水、电、气、热、煤、油等各种能量消耗,构建能耗分项计量、能耗公示、能耗分析、能耗优化控制及节能诊断、节能效果评估的大型建筑节能虚拟仿真管理平台。

  (6)城市电磁环境实验平台

  为了更好地应对建筑电磁环境日益恶化的状况,自主设计了建筑环境电磁兼容仿真实验平台,利用一个5米法电波暗室,模拟仿真建筑楼群间的高压输电、机站、变电站工作的电磁环境;同时模拟仿真建筑物内的无线路由器、电视、空调、洗衣机、微波炉、热水器、电脑及手机等多设备共同的空间电场和磁场状况,确保人体健康安全的需要。学生使用软件进行空间电磁环境建模及检测,在空间再现了各干扰源相互交错的复杂电磁环境,学生可以跨越时间和空间的界限,实现文字和图形语言无法表达的教学互动和交流,使学生掌握建筑电磁环境的基本原理和各种知识点。该实验平台的虚拟仿真实验教学有4个重要节点,分别是系统建模、电场空间分布、磁场空间分布、干扰源能效分析等过程。体现了从基础技能到专业技能,再到综合设计能力,以此不断提高学生的实践和创新能力。

  (7)城市声环境实验平台

  城市声环境实验平台以世界上首个噪声、振动多分析仪系统PULSE声学振动分析仪系统硬件为基础,配合应用软件,针对城市环境噪音测量进行理论及仿真实验的教学研究工作。与其它应用软件相结合,能够同时进行多通道、实时、FFT、CPB、总级值等分析。本实验平台硬件部分包括PULSE LAN XI数据采集分析模块,全指向性声源,传声器阵列,声强测试系统等;应用软件包括PULSE FFT 分析模块,DIRAC 室内声学软件,频率分析模块,PULSE 阵列声全息模块,噪声源识别成像软件,声学测试顾问软件等,为开展声环境实验教学提供了仿真平台。城市声环境实验平台针对城市环境噪音测量进行理论及仿真实验教学研究。实验课程通过参观、讲授、演示和实际操作等方式,使学生对声场环境有了深入的认识和理解,熟练掌握环境噪声测量的基本原理,为学生提供动手实践的机会,激发学生的学习兴趣,且学生能够设计噪声场景及仿真实验过程,培养学生自主创新能力,使学生的实践能力和综合素质得到全面提升,有效地提高了教学效果。

  (8)城市建筑3D打印仿真实验平台

  城市建筑3D打印虚拟仿真实验平台采用虚拟仿真和实物仿真相结合的模式,充分利用了两种模式的优势。在现代建筑设计方面,通过专业软件建模,模拟运算,结果分析等过程,结合3D打印机制作建筑模型作为实物仿真模型,提高各专业学生对绿色、循环、低碳为理念的设计规划能力,在自然采光、自然通风、遮阳、隔音、微环境舒适度优化设计等方向进行专项实验教学。能够保障较高的准确性,是理论教学、实物实验、现场测试等教学环节基础上有效必要的补充。突出模拟和突破“时—空”跨度,能够提供直观、全面、准确的实验教学效果,满足专业教学、学界研究、社会认知三个层面的要求。学生按照理论知识的要求,通过对典型建筑实物模型的分件“拆解”和构架“拼装”去完成一座建筑的建造,完整系统地认识建筑的空间营造、结构特点、构造做法和施工技艺,达到在建筑设计与施工现场观察到的真实的实验教学效果,充分了解和掌握典型建筑的结构与构造特点,提高学生在建筑工程设计中的实战能力和创新能力。

 

图一:智慧城市虚拟仿真实验教学中心的人才培养体系

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图二:智慧城市虚拟仿真实验教学中心实验平台(群)

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图三:电梯模拟仿真实验系统

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图四:城市数字化园区模拟实验系统

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图五:智慧交通虚拟仿真实验系统

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图六:交通流数据采集实验系统

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图七:基于BIM的建筑消防数字化实验系统

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图八:以北京建筑大学图书馆为应用场所的消防灭火及疏散实验