森林工程专业实验教学平台建设

肖生苓，王立海，董希斌，张佩剑，王 剑，薛 伟，张希栋

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040)

1 森林工程实验教学平台建设背景

东北林业大学森林工程专业创建于20世纪50年代，一直是我国林业建设和林业教育人才培养的重要基地，为我国林业发展建设做出了巨大贡献。森林工程专业现在是黑龙江省重点专业、国家级特色专业。随着我国森林资源、生态环境的变化，随着国家林业政策及产业结构的调整，随着科学技术的快速发展及林业作业技术和装备的不断进步，对森林工程专业人才培养提出了更高的要求［1］。同时，森林工程专业的内涵、外延也在发生着变化。在这种形势和背景下，森林工程专业的实践教学既要保持和发挥传统的精髓，还必须改革和创新［2］。依托教育部国家级实验教学示范中心建设项目(2009);黑龙江省教育厅高等教育教学改革项目(2011)，森林工程实验教学中心围绕着复合型人才的培养目标，建立了“三层次(基础型实验教学层次、综合型实验教学层次和创新型实验教学层次)、四模块(基础实验模块、专业实验模块、综合实验模块和野外实验模块)、五方向(森林作业科学与技术、木材工程、林业装备工程、林区道路与林产品物流工程、森工管理与信息工程5个专业方向)”［3］的实验教学新体系。

为实施由基础实验、专业实验、综合实验和野外实验四个模块构建的森林工程专业实验教学体系，在现有实验室硬件设备资源的基础上，进一步开发、完善并优化森林工程规划、森林工程专用机械与设备、林业物流工程、林产品包装、森林工程系统与项目管理实验教学系统，建设了森林工程专业特色鲜明、具有自主知识产权的现代实验教学平台。

2 森林工程专业实验教学平台建设情况

2.1 智能多媒体木材生产规划实验平台建设

该实验平台利用计算机模拟、智能控制、多媒体展现，集声、光、电和影像等于一体［4］，全景、立体化展现东北林区山形地貌、资源类型、数量、木材生产装备及工艺过程。包括1个主沙盘(6 m×6 m)、两个副沙盘(2 m×3 m)、木材生产规划设计软件和6个多媒体子系统等，如图1所示。

图1 智能多媒体木材生产规划实验平台Fig.1 Experimental platform for Intelligent Timber Production and Planning

(1)采伐作业子系统。在立体沙盘的采伐作业区域内，可模拟油锯伐木全过程，并能根据设计要求，采用电控方式及计算机模拟森林采伐方式(皆伐、择伐和渐伐)、采伐强度等。

(2)集材作业子系统。在某一典型作业区内，真实模拟从伐木地点到装车场、不同集材方式集材的全过程。在立体程控沙盘内，学生可综合运用所学知识，设计出拖拉机集材方式、索道集材方式、畜力集材方式、滑道集材方式和水运集材方式等。

(3)木材运输子系统。采用陆运和水运两种运输方式。陆运分为林区公路运输和森林铁路(窄轨)运输两种类型，在立体主沙盘上能动态地展现出运材汽车列车、森林窄轨火车木材运输过程和逼真的木材飘流水运过程。学生在规划设计过程中可根据实际情况需要，设计采用不同的运输方式。

(4)贮木场生产子系统。在立体主沙盘中的贮木场生产作业区域内，以微型实物形象展现出卸车、造材、选材、归楞和装车生产工艺，并可按所设计的生产工艺要求进行操作。

(5)剩余物综合利用子系统。采用电控模拟技术展示板材加工、木材削片以及利用制材和造材剩余物制备木炭、生产乙醇和发电等工序。

(6)林业局局场址优化设计及伐区作业机械设备规划子系统。可根据规划伐区山形地势、资源分布、树种组成和森林蓄积量等因子合理地区划作业伐区、林班、设计林区道路网及集材道，确定最优化的森工生产作业工序。

该实验平台可真实再现伐区生产所有元素，可进行基础型、专业型、综合型和野外实践四个模块的实验，改变了传统的实验教学模式，能够充分发挥和调动学生学习的积极性和主动性，培养学生的沟通能力和协作精神，最大限度地锻炼学生全面、灵活运用所学知识的能力［5］。

2.2 原木自动生产线实验平台建设

该实验平台基于信息集成、自动控制和先进的工程技术等现代高新技术，包括原条合理量材造材实验子系统［6］、原木输送智能控制实验子系统、原木生产线自动抛木与分拣子系统。该系统原木按材长分为5个等级，材质检测和量材设计采用CCD视频技术，原木贮存采用库存技术，系统与实际生产线的比例为1∶5，净长36 m。主要装置包括中央控制台、驱动电机、链轮、栈架、牵引链条、承载量、造材圆锯片、气动抛木杆、编捆筐和叉车等，如图2所示。该平台具有以下主要特点:

图2 原木自动生产线实验平台Fig.2 Experimental platform of log automatic production line

(1)控制性能稳定，程控设备技术先进，编程灵活，程序控制精确。

(2)实现自动抛木，采用气动技术，抛木精度高。

(3)该实验系统涵盖了原木自动化造材、检测、选材和缴库验收等全部实际过程，可全面培养和训练学生综合运用所学专业知识、解决实际问题和科技创新能力。

2.3 原木切削参数测定和链锯功率测试实验平台建设

该实验平台是以微机、工业PC机控制技术和现代微电子技术为基础，通过电机驱动器接受主控制器发出的控制信号和运动参数，经过运算器的一系列计算，控制电机的速度和位移，实现对动力链锯切削参数测定和发动机功率测试。整个控制过程通过固化在芯片内的程序自动实现。硬件包括测功平台、滚轮式原木输送装置、原木卡箍装置、锯切机构连接装置等;软件主要由Windows平台接口应用软件和开放式函数库、基于PC机的控制软件等组成［7］，如图3所示。软件采用 VB，VC编制出交互性能好的用户界面，便于学生实验操作。通过该实验系统的实验和训练，学生对我国森工伐区最主要的机具——油锯的结构、性能和参数，存在的主要问题，解决的方法等将全面掌握。原木切削参数测定和链锯功率测试实验平台主要有以下功能:

图3 原木切削参数测定和链锯功率测试实验平台Fig.3 Experimental platform for log cutting parameters measuremt and chain saw power test

(1)传感器采集测定切削力和送锯力、标定锯截时间、测算锯截效率。

(2)对于锯切试验平台在锯切试验中随时反馈锯切状态。

(3)基于PC控制交流电机的调速和常规控制。

(4)基于PC控制直流电机的调速与功率调控。

(5)基于PC机的总线接口形式。

(6)基于Windows平台的操作性能强大的接口软件与应用控制软件系统。

2.4 室内原木集运材索道实验平台建设

该实验平台是按照实际应用的单索循环式固定抱索器索道结构进行设计，并根据实际地形建设，附加了吊椅装置，整个设计完全参照索道设计规范。主要由驱动支架、从动支架、中间支架、张紧装置和控制系统等五大部分组成。索道跨度为30 m，总体高差为1.5 m，是国内第一条室内单索循环式实验索道，如图4所示。该实验系统在保证索道的结构完整性和实用性的同时，按照教学和科研的具体要求，在不同载荷重量、不同载荷跨度、不同载荷数量和不同挠度下测定各个性能参数，并能及时、准确、真实地反映出相应变量的关系。原木集运材索道实验系统的控制部分，由工控机和组态软件组成，具有灵活性和实时可调性，如果需要更多的实验功能，可以通过增加板卡或者现场模块来实现，二次开发能力强。这样的控制方式，数据的处理能力强，也可以直接产生电子文件进行存档。这对于学生实验中数据的记录和保存有着非常重要的意义。利用该实验系统，学生可进行载荷分布、承载索挠度变化、吊运车运行轨迹、支架受力分析等全面工程训练。

图4 室内原木集运材索道实验平台Fig.4 Experimental platform of timber cable yarding

2.5 林产品物流实验平台建设

该实验系统由相应的硬件和软件构成。硬件主要包括全自动仓储设备 (全自动堆垛机和双排立体仓库)、电子标签库、输送链分拣设备、智能传感器系统、电子显示屏、AGV小车、流水装配线、GPS/GIS系统、手持电子终端和其他辅助硬件配套设备等;系统包括第三方物流、出入库、理货、货物储存、商业连锁经营、ERPⅡ及配套设备的控制等12套物流软件软件，如图5所示。

图5 林产品物流实验平台Fig.5 Experimental platform of forest products logistics

主要功能包括:入库理货，在进货暂存区进行装箱理货;自动入库和出库;手动/半自动分拣，可按条码要求选择商品在输送链上不同出口流出;人工补货理货，包括对非整箱货品、拣货物品进［8］;电子标签辅助拣货，对在贯通式流力货架上的物品进行半自动拣货操作;流通加工等。还有社会化商业配送中心企业各职能部门之间的内部信息流功能模拟及外部上下游企业的商流信息流业务功能模拟［9］。

试验系统占地面积220 m2，通过软件模拟与实际操作，使学生对林产品运输、储存、包装、流通加工和信息处理等整体运作流程及模式全面了解和掌握，并可自行模拟设计系统进行实践和管理。

2.6 林产品包装实验平台建设

林产品包装实验系统主要由林产品运输包装技术、林产品包装材料与测试技术、林产品包装结构设计3个子系统组成。硬件包括振动测试平台，跌落和冲击试验机系统，包装材料制作和测试装备，压膜和打包系统等;软件主要包括2通道振动测试分析软件、林产品包装结构Box_Vollum设计软件及三维包装容器结构设计软件等，如图6所示。该系统能够开设验证性、演示性、综合性和设计性实验项目，学生通过理论学习，设计实验项目，验证所学的专业理论知识，培养学生基本实验技能，强化学生对包装材料学、包装测试技术和运输包装技术等专业理论的运用能力，培育学生的创新意识。

3 结束语

图6 林产品包装实验平台Fig.6 Experimental platform of forest products packaging

结合我国森林工程发展和学科专业特色及人才需求所建立的实验教学平台，充分体现了我国森林工程领域的生产实践和理论水平，专业特色突出，针对性强，系统性强，有效解决了森林工程专业实践教学环节薄弱、理论教学与实践教学脱节、原有不成体系的实验教学仪器设备与森林工程专业特色不相适应等问题，将学生所学理论知识融汇于森林生态环境保护、森林工程规划设计、木材收获利用等实践的全过程。森林工程实验教学平台融入了计算机模拟、智能控制和先进的现代工程技术等高新技术，彻底改变了传统落后的实验教学方法和手段，同时，将基础实验、专业实验、综合实验和野外实验四个模块与理论教学有机结合，提升传统的实验教学内容和实验技术方法，培养与我国林业两大体系建设紧密结合、与国际林业工程发展动态紧密结合，高质量的森林工程专业人才。

【参 考 文 献】

［1］王立海．基于科学发展观的我国高等学校发展中的几个关系浅析［A］．东北林业大学工程技术学院．教学研究论文集［C］．哈尔滨:东北林业大学出版社，2006:124－128．

［2］杨铁斌，薛 伟，辛 颖．《森工机械装备》课程教学改革探讨［J］．森林工程，2011，27(4):85 －86．

［3］肖生苓，王立海，张佩剑，等．国家级森林工程实验教学示范中心建设与实践［J］．实验技术与管理，2012，29(5):151 －154．

［4］王 剑．新型立体程控多媒体沙盘模拟实验教学研究［A］．黑龙江省高等教育学会．高教科研论文集［C］．哈尔滨:黑龙江省人民出版社，2008:533－535．

［5］吴志强，张学洪．全面提高本科实验条件建设质量之举措［J］．实验室研究与探索，2012，31(6):1 －3．

［6］杨学春，徐华东，金 鑫．木材应力波无损检测装置［P］．中国专利:ZL 2011 2 0284571.4，2012－07－04．

［7］王亚丽，刘广亮，李向东．基于CPAC多轴运动控制教学平台的设计与实践［J］．实验室研究与探索，2012，31(8):17 －18．

［8］张佩剑，杨慧敏，张希栋．物流实验实训教程［M］．哈尔滨:东北林业大学出版社，2007:41－43．

［9］杨慧敏，李 洋，肖生苓．物流实验实训课程体系的设计与构建［J］．森林工程，2012，28(2):93 －96．