肖生苓，王立海，董希斌，張佩劍，王 劍，薛 偉，張希棟

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

1 森林工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)背景

東北林業(yè)大學(xué)森林工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)建于20世紀(jì)50年代，一直是我國(guó)林業(yè)建設(shè)和林業(yè)教育人才培養(yǎng)的重要基地，為我國(guó)林業(yè)發(fā)展建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。森林工程專(zhuān)業(yè)現(xiàn)在是黑龍江省重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)、國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)。隨著我國(guó)森林資源、生態(tài)環(huán)境的變化，隨著國(guó)家林業(yè)政策及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及林業(yè)作業(yè)技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步，對(duì)森林工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求［1］。同時(shí)，森林工程專(zhuān)業(yè)的內(nèi)涵、外延也在發(fā)生著變化。在這種形勢(shì)和背景下，森林工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)既要保持和發(fā)揮傳統(tǒng)的精髓，還必須改革和創(chuàng)新［2］。依托教育部國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目(2009);黑龍江省教育廳高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2011)，森林工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圍繞著復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，建立了“三層次(基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次、綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次)、四模塊(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K和野外實(shí)驗(yàn)?zāi)K)、五方向(森林作業(yè)科學(xué)與技術(shù)、木材工程、林業(yè)裝備工程、林區(qū)道路與林產(chǎn)品物流工程、森工管理與信息工程5個(gè)專(zhuān)業(yè)方向)”［3］的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。

為實(shí)施由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)四個(gè)模塊構(gòu)建的森林工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、完善并優(yōu)化森林工程規(guī)劃、森林工程專(zhuān)用機(jī)械與設(shè)備、林業(yè)物流工程、林產(chǎn)品包裝、森林工程系統(tǒng)與項(xiàng)目管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，建設(shè)了森林工程專(zhuān)業(yè)特色鮮明、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2 森林工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)情況

2.1 智能多媒體木材生產(chǎn)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)模擬、智能控制、多媒體展現(xiàn)，集聲、光、電和影像等于一體［4］，全景、立體化展現(xiàn)東北林區(qū)山形地貌、資源類(lèi)型、數(shù)量、木材生產(chǎn)裝備及工藝過(guò)程。包括1個(gè)主沙盤(pán)(6 m×6 m)、兩個(gè)副沙盤(pán)(2 m×3 m)、木材生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件和6個(gè)多媒體子系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 智能多媒體木材生產(chǎn)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform for Intelligent Timber Production and Planning

(1)采伐作業(yè)子系統(tǒng)。在立體沙盤(pán)的采伐作業(yè)區(qū)域內(nèi)，可模擬油鋸伐木全過(guò)程，并能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用電控方式及計(jì)算機(jī)模擬森林采伐方式(皆伐、擇伐和漸伐)、采伐強(qiáng)度等。

(2)集材作業(yè)子系統(tǒng)。在某一典型作業(yè)區(qū)內(nèi)，真實(shí)模擬從伐木地點(diǎn)到裝車(chē)場(chǎng)、不同集材方式集材的全過(guò)程。在立體程控沙盤(pán)內(nèi)，學(xué)生可綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出拖拉機(jī)集材方式、索道集材方式、畜力集材方式、滑道集材方式和水運(yùn)集材方式等。

(3)木材運(yùn)輸子系統(tǒng)。采用陸運(yùn)和水運(yùn)兩種運(yùn)輸方式。陸運(yùn)分為林區(qū)公路運(yùn)輸和森林鐵路(窄軌)運(yùn)輸兩種類(lèi)型，在立體主沙盤(pán)上能動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)出運(yùn)材汽車(chē)列車(chē)、森林窄軌火車(chē)木材運(yùn)輸過(guò)程和逼真的木材飄流水運(yùn)過(guò)程。學(xué)生在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況需要，設(shè)計(jì)采用不同的運(yùn)輸方式。

(4)貯木場(chǎng)生產(chǎn)子系統(tǒng)。在立體主沙盤(pán)中的貯木場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)，以微型實(shí)物形象展現(xiàn)出卸車(chē)、造材、選材、歸楞和裝車(chē)生產(chǎn)工藝，并可按所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行操作。

(5)剩余物綜合利用子系統(tǒng)。采用電控模擬技術(shù)展示板材加工、木材削片以及利用制材和造材剩余物制備木炭、生產(chǎn)乙醇和發(fā)電等工序。

(6)林業(yè)局局場(chǎng)址優(yōu)化設(shè)計(jì)及伐區(qū)作業(yè)機(jī)械設(shè)備規(guī)劃子系統(tǒng)。可根據(jù)規(guī)劃伐區(qū)山形地勢(shì)、資源分布、樹(shù)種組成和森林蓄積量等因子合理地區(qū)劃作業(yè)伐區(qū)、林班、設(shè)計(jì)林區(qū)道路網(wǎng)及集材道，確定最優(yōu)化的森工生產(chǎn)作業(yè)工序。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可真實(shí)再現(xiàn)伐區(qū)生產(chǎn)所有元素，可進(jìn)行基礎(chǔ)型、專(zhuān)業(yè)型、綜合型和野外實(shí)踐四個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能夠充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力和協(xié)作精神，最大限度地鍛煉學(xué)生全面、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力［5］。

2.2 原木自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于信息集成、自動(dòng)控制和先進(jìn)的工程技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，包括原條合理量材造材實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)［6］、原木輸送智能控制實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)、原木生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)拋木與分揀子系統(tǒng)。該系統(tǒng)原木按材長(zhǎng)分為5個(gè)等級(jí)，材質(zhì)檢測(cè)和量材設(shè)計(jì)采用CCD視頻技術(shù)，原木貯存采用庫(kù)存技術(shù)，系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)的比例為1∶5，凈長(zhǎng)36 m。主要裝置包括中央控制臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈輪、棧架、牽引鏈條、承載量、造材圓鋸片、氣動(dòng)拋木桿、編捆筐和叉車(chē)等，如圖2所示。該平臺(tái)具有以下主要特點(diǎn):

圖2 原木自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform of log automatic production line

(1)控制性能穩(wěn)定，程控設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，編程靈活，程序控制精確。

(2)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拋木，采用氣動(dòng)技術(shù)，拋木精度高。

(3)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涵蓋了原木自動(dòng)化造材、檢測(cè)、選材和繳庫(kù)驗(yàn)收等全部實(shí)際過(guò)程，可全面培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題和科技創(chuàng)新能力。

2.3 原木切削參數(shù)測(cè)定和鏈鋸功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以微機(jī)、工業(yè)PC機(jī)控制技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受主控制器發(fā)出的控制信號(hào)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算器的一系列計(jì)算，控制電機(jī)的速度和位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力鏈鋸切削參數(shù)測(cè)定和發(fā)動(dòng)機(jī)功率測(cè)試。整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)固化在芯片內(nèi)的程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。硬件包括測(cè)功平臺(tái)、滾輪式原木輸送裝置、原木卡箍裝置、鋸切機(jī)構(gòu)連接裝置等;軟件主要由Windows平臺(tái)接口應(yīng)用軟件和開(kāi)放式函數(shù)庫(kù)、基于PC機(jī)的控制軟件等組成［7］，如圖3所示。軟件采用 VB，VC編制出交互性能好的用戶(hù)界面，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)我國(guó)森工伐區(qū)最主要的機(jī)具——油鋸的結(jié)構(gòu)、性能和參數(shù)，存在的主要問(wèn)題，解決的方法等將全面掌握。原木切削參數(shù)測(cè)定和鏈鋸功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有以下功能:

圖3 原木切削參數(shù)測(cè)定和鏈鋸功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experimental platform for log cutting parameters measuremt and chain saw power test

(1)傳感器采集測(cè)定切削力和送鋸力、標(biāo)定鋸截時(shí)間、測(cè)算鋸截效率。

(2)對(duì)于鋸切試驗(yàn)平臺(tái)在鋸切試驗(yàn)中隨時(shí)反饋鋸切狀態(tài)。

(3)基于PC控制交流電機(jī)的調(diào)速和常規(guī)控制。

(4)基于PC控制直流電機(jī)的調(diào)速與功率調(diào)控。

(5)基于PC機(jī)的總線(xiàn)接口形式。

(6)基于Windows平臺(tái)的操作性能強(qiáng)大的接口軟件與應(yīng)用控制軟件系統(tǒng)。

2.4 室內(nèi)原木集運(yùn)材索道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是按照實(shí)際應(yīng)用的單索循環(huán)式固定抱索器索道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際地形建設(shè)，附加了吊椅裝置，整個(gè)設(shè)計(jì)完全參照索道設(shè)計(jì)規(guī)范。主要由驅(qū)動(dòng)支架、從動(dòng)支架、中間支架、張緊裝置和控制系統(tǒng)等五大部分組成。索道跨度為30 m，總體高差為1.5 m，是國(guó)內(nèi)第一條室內(nèi)單索循環(huán)式實(shí)驗(yàn)索道，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在保證索道的結(jié)構(gòu)完整性和實(shí)用性的同時(shí)，按照教學(xué)和科研的具體要求，在不同載荷重量、不同載荷跨度、不同載荷數(shù)量和不同撓度下測(cè)定各個(gè)性能參數(shù)，并能及時(shí)、準(zhǔn)確、真實(shí)地反映出相應(yīng)變量的關(guān)系。原木集運(yùn)材索道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制部分，由工控機(jī)和組態(tài)軟件組成，具有靈活性和實(shí)時(shí)可調(diào)性，如果需要更多的實(shí)驗(yàn)功能，可以通過(guò)增加板卡或者現(xiàn)場(chǎng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，二次開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)。這樣的控制方式，數(shù)據(jù)的處理能力強(qiáng)，也可以直接產(chǎn)生電子文件進(jìn)行存檔。這對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的記錄和保存有著非常重要的意義。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可進(jìn)行載荷分布、承載索撓度變化、吊運(yùn)車(chē)運(yùn)行軌跡、支架受力分析等全面工程訓(xùn)練。

圖4 室內(nèi)原木集運(yùn)材索道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform of timber cable yarding

2.5 林產(chǎn)品物流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由相應(yīng)的硬件和軟件構(gòu)成。硬件主要包括全自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備 (全自動(dòng)堆垛機(jī)和雙排立體倉(cāng)庫(kù))、電子標(biāo)簽庫(kù)、輸送鏈分揀設(shè)備、智能傳感器系統(tǒng)、電子顯示屏、AGV小車(chē)、流水裝配線(xiàn)、GPS/GIS系統(tǒng)、手持電子終端和其他輔助硬件配套設(shè)備等;系統(tǒng)包括第三方物流、出入庫(kù)、理貨、貨物儲(chǔ)存、商業(yè)連鎖經(jīng)營(yíng)、ERPⅡ及配套設(shè)備的控制等12套物流軟件軟件，如圖5所示。

圖5 林產(chǎn)品物流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental platform of forest products logistics

主要功能包括:入庫(kù)理貨，在進(jìn)貨暫存區(qū)進(jìn)行裝箱理貨;自動(dòng)入庫(kù)和出庫(kù);手動(dòng)/半自動(dòng)分揀，可按條碼要求選擇商品在輸送鏈上不同出口流出;人工補(bǔ)貨理貨，包括對(duì)非整箱貨品、揀貨物品進(jìn)［8］;電子標(biāo)簽輔助揀貨，對(duì)在貫通式流力貨架上的物品進(jìn)行半自動(dòng)揀貨操作;流通加工等。還有社會(huì)化商業(yè)配送中心企業(yè)各職能部門(mén)之間的內(nèi)部信息流功能模擬及外部上下游企業(yè)的商流信息流業(yè)務(wù)功能模擬［9］。

試驗(yàn)系統(tǒng)占地面積220 m2，通過(guò)軟件模擬與實(shí)際操作，使學(xué)生對(duì)林產(chǎn)品運(yùn)輸、儲(chǔ)存、包裝、流通加工和信息處理等整體運(yùn)作流程及模式全面了解和掌握，并可自行模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐和管理。

2.6 林產(chǎn)品包裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

林產(chǎn)品包裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由林產(chǎn)品運(yùn)輸包裝技術(shù)、林產(chǎn)品包裝材料與測(cè)試技術(shù)、林產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)子系統(tǒng)組成。硬件包括振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，跌落和沖擊試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，包裝材料制作和測(cè)試裝備，壓膜和打包系統(tǒng)等;軟件主要包括2通道振動(dòng)測(cè)試分析軟件、林產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)Box_Vollum設(shè)計(jì)軟件及三維包裝容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件等，如圖6所示。該系統(tǒng)能夠開(kāi)設(shè)驗(yàn)證性、演示性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證所學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)包裝材料學(xué)、包裝測(cè)試技術(shù)和運(yùn)輸包裝技術(shù)等專(zhuān)業(yè)理論的運(yùn)用能力，培育學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 林產(chǎn)品包裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Experimental platform of forest products packaging

結(jié)合我國(guó)森林工程發(fā)展和學(xué)科專(zhuān)業(yè)特色及人才需求所建立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，充分體現(xiàn)了我國(guó)森林工程領(lǐng)域的生產(chǎn)實(shí)踐和理論水平，專(zhuān)業(yè)特色突出，針對(duì)性強(qiáng)，系統(tǒng)性強(qiáng)，有效解決了森林工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)、原有不成體系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備與森林工程專(zhuān)業(yè)特色不相適應(yīng)等問(wèn)題，將學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)融匯于森林生態(tài)環(huán)境保護(hù)、森林工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、木材收獲利用等實(shí)踐的全過(guò)程。森林工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)融入了計(jì)算機(jī)模擬、智能控制和先進(jìn)的現(xiàn)代工程技術(shù)等高新技術(shù)，徹底改變了傳統(tǒng)落后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段，同時(shí)，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)四個(gè)模塊與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，提升傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，培養(yǎng)與我國(guó)林業(yè)兩大體系建設(shè)緊密結(jié)合、與國(guó)際林業(yè)工程發(fā)展動(dòng)態(tài)緊密結(jié)合，高質(zhì)量的森林工程專(zhuān)業(yè)人才。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］王立海．基于科學(xué)發(fā)展觀(guān)的我國(guó)高等學(xué)校發(fā)展中的幾個(gè)關(guān)系淺析［A］．東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院．教學(xué)研究論文集［C］．哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2006:124－128．

［2］楊鐵斌，薛 偉，辛 穎．《森工機(jī)械裝備》課程教學(xué)改革探討［J］．森林工程，2011，27(4):85 －86．

［3］肖生苓，王立海，張佩劍，等．國(guó)家級(jí)森林工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(5):151 －154．

［4］王 劍．新型立體程控多媒體沙盤(pán)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［A］．黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)．高教科研論文集［C］．哈爾濱:黑龍江省人民出版社，2008:533－535．

［5］吳志強(qiáng)，張學(xué)洪．全面提高本科實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)質(zhì)量之舉措［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(6):1 －3．

［6］楊學(xué)春，徐華東，金 鑫．木材應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)裝置［P］．中國(guó)專(zhuān)利:ZL 2011 2 0284571.4，2012－07－04．

［7］王亞麗，劉廣亮，李向東．基于CPAC多軸運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(8):17 －18．

［8］張佩劍，楊慧敏，張希棟．物流實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程［M］．哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007:41－43．

［9］楊慧敏，李 洋，肖生苓．物流實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建［J］．森林工程，2012，28(2):93 －96．