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摘要：大气污染物监测与控制虚拟仿真实验室的建设有效地将传统实验流程转化为可操作、常规化、可视化、网络化的虚拟仿真实验，项目建立了相关软件、仪器设备和处理工艺系统，设置了强大的数据库，设立了可行的实验教学流程，建设了多个污染物实时监测、模拟预报、预测、污染影响评价以及废气处理等实验项目，并实现网络共享，为环境类专业的实验教学提供了先进的平台。
关键词：大气污染物监测；大气污染控制；虚拟仿真实验
本文引用格式：王琼,等.大气污染物监测与处理虚拟仿真实验室的建设[J].教育现代化,2019,6(70):147-150.
近年来，严重的大气污染事件在我国经济发达地区高频率、大规模集中爆发，污染类型复杂多变，对人民的生产、生活影响巨大，引起了政府和社会各界的高度重视。2013年，国务院发布《大气污染防治行动计划》即“大气十条”[1]，2018年，国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》[2]，这些举措都表明了我国政府治理大气污染的决心。在这种形势下，亟需培养大量具有扎实专业能力的环境类专业大学生为我国的大气污染监测与处理事业贡献力量。
实验教学环节在专业学习中占据重要地位。传统实验教学过程中存在实验经费和场地受限、实验内容单薄、硬件支持不足、教学方法及手段单一等问题[3]，根据教育部《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》[4]，高等教育信息化的主要任务是：“进一步加强基础设施和信息资源建设。重点推进信息技术与高等教育的深度融合，促进教育内容，教学手段和方法现代化，促进高等教育质量全面提高。”[5]大气污染物监测与控制虚拟仿真实验教学项目的建设可有效的将真实实验流程转化为可操作、常规化、可视化、网络化、信息化的虚拟仿真实验，有利于进一步加强学生理论知识、实际动手能力和工程能力的综合培养。我校“大气污染物监测与处理虚拟仿真实验教学项目”是2018年度湖南省级虚拟仿真实验教学项目，在项目建设过程中我们取得了一些经验和成果。
一 虚拟仿真实验室实验项目的建设
对于大气污染迫切需要解决的问题是如何开展典型环境界面污染物实时监测、模拟预报、预测、污染影响评价以及废气处理等工作，虚拟仿真实验室实验项目的建设有：
1.典型大气污染物的监测（如TSP、PM10、PM2.5、SO2、NOx等）；
2.大气污染物的扩散模拟和可视化分析；
3.突发性环境污染应急监测中大气污染物扩散的空间表征及预测；
4.废气中典型污染物处理工艺（如除尘、脱硫、脱硝等）。
实验项目覆盖环境科学与工程、环境生态工程、空间信息与数字技术、地理信息科学等多个学科的相关内容，也涉及冶金、化工、电力、建材、机械等工业行业。通过这些实验项目的学习，学生可掌握利用多传感器数据融合算法将各种污染物监测数据进行融合的方法，了解如何通过融合结果预测大气污染物扩散规律，以及对大气环境质量做出评价，也可利用GIS相关软件进行污染物扩散情况和实时在线监测数据的时空分析与表达。实验项目涉及的知识点涵盖大气污染物污染扩散模型、废气除尘、脱硫、脱硝技术、地理信息系统（GIS）、数据库技术等，有助于提高学生掌握大气污染物控制技术、污染控制工程创新设计以及解决实际复杂工程问题能力。
二 虚拟仿真实验室软件、仪器设备和处理工艺系统的建设
（1）软件的建设：大气污染物监测与评价虚拟仿真单元利用Google Earth软件获取研究区卫星影像（如图1），利用监测仪器获取的污染物监测数据以及气象数据（如图2），结合研究区的矢量地理分布图在ArcGIS中建立研究区重点污染源地理数据库Geodatabase。
（2）仪器设备和处理工艺系统的建设：为了保证学生的实际操作能力，现场监测采样及分析仪器设备是真实的，包括大气采样器、烟尘采样器、多参数无线传感器、烟气分析仪、尾气检测仪、虚拟仿真实验室学生端客户机、交换机等；处理工艺系统及设备包括旋风除尘器、电除尘器、袋式除尘器、湿法脱硫装置、催化脱硝装置等，处理过程可视化（如图3）。
三 虚拟仿真实验室数据库的建设
（1）基础信息数据库：收集存储了污染扩散建模的基础资料，包括行政区划、居民区、政府单位、一般企事业单位、医院、道路、废气排放工厂位置以及合理的监测位置等信息的电子地图，用于估算受影响范围及受灾人群、提出最佳疏散、撤离路径等。
（2）专业数据库：收集存储了大气扩散和废气处理相关数据，如扩散参数、大气稳定度等级、大气污染物浓度估算方程、常用的大气扩散模式、特殊气象条件下大气扩散模式、城市和山区大气扩散模式以及除尘、脱硫、脱硝工艺数据等。
（3）污染源数据库：收集存储了区域内冶金、化工、电力、建材、机械等工业行业的污染源排放数据以及道路交通部门的机动车保有数据等。
四）虚拟仿真实验室教学过程建设
虚拟仿真实验室仿真实验项目均涉及到数据采集与处理、数据存储、数据融合、结果输出四个部分的内容，围绕大气污染物监测、污染扩散、预测、评价和废气处理等实验，让学生从监测网布点、污染物数据获取及处理、结果的时空化表达等方面掌握污染物监测方法与扩散控制方法，并进一步熟悉废气处理工艺及操作过程。虚拟仿真实验教学有下面几个过程（以大气污染物监测评价为例）：
（1）监测点选择：进入实验后学生首先通过读取地形数据观察三维环境，并通过Google Earth软件获取相关实验基础信息并确定监测网点的布设，如图4。
（2）在ArcMap中加载监测点：将kml格式的文件导入Arcgis，形成shp格式的坐标数据，其坐标格式要与原图层坐标一致，得到监测点图层，如图5。
（3）监测仪器的选择：根据目标任务所要监测的污染物类别，在虚拟仿真系统中选择合适的监测仪器以及无线传感器，并设置仪器的相关参数及实验耗材的准备。
（4）监测实验的进行：对于多点源的不同污染物的测定，在有限的仪器和有限的时间内对每个仪器的监测时间和监测污染物种类进行调度安排，采用Cooja物联网仿真软件为平台，开展无线传感器网络组网实验，实现传感器节点间的自组网；学生在实验中负责不同任务，协同完成信息沟通、数据发送等任务。
（5）监测数据的处理：根据监测现场采集的样品，回到实验室室进行分析处理获取最终污染物浓度值；针对选择的模型，输入相应的模型参数、环境参数监测结果。
（6）监测结果和实验分析报告：通过ArcGIS软件平台，建立处理流程模型，加载模型计算结果，下达相应指令完成污染物扩散结果的地图可视化展示，如图6；根据整体流程填写实验结果分析，并总结实验中的经验教训。
五 结语
大气污染物监测与控制虚拟仿真实验室的建设，构建了高度仿真的虚拟操作环境，学生在虚拟环境中开展认识工艺和处理事故的教学活动。弥补了传统教学实验的不足，解决了传统教学实验的诸多问题，有助于提高学生掌握大气污染物控制技术、大气染控制工程设计运行以及解决实际复杂工程问题能力。该虚拟仿真实验室已实现了校内外及更大范围内的实验教学资源共享，并将持续建设和更新，实验项目还可以进一步扩大至水体、土壤、生态等多个环境类学科领域，还有可能为环保部门提供污染环境预测，为城市环境规划管理提供相关依据，加强面向社会推广及持续服务。
参考文献
[1]中华人民共和国国务院.国务院关于印发《大气污染防治行动计划》的通知[EB/OL][2013年9月10日.]
[2]中华人民共和国国务院.国务院关于印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的通知[EB/OL][2018年7月3日].
[3]段凤魁，郝吉明，王书肖，等.大气污染控制工程实验课程建设探讨[J].实验技术与管理,2015,32(9):6-8.
[4]中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划(2011－2020年)》的通知[EB/OL][2012年3月13日].
[5]刘涛，李照海，羌宁，等.大气污染控制工程信息化实验教学模式的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（8）：234-236.
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