工程索道创新训练平台的规划建设

周新年，巫志龙，周成军，郑丽凤，张正雄，

沈嵘枫，冯辉荣，郑世飞，程 良，刘富万

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

高校实验室的首要任务是实现大学生动手实践能力的加强和创新思维能力的提高，造就高素质的创新性实践人才。高校实验室是实施高校教学、开展科研工作必不可少的组成成分，是高校传播知识和实现科技创新的重要基础[1]。结合工科特有的专业特色，改革传统的单一人才培养模式，把大学生创新人才培养与创新训练、专业课程建设及实践教学相结合。因此，在教学改革的环境中，综合创新训练平台的规划建设就愈显重要。这对提高学生的参与热情，扩大参与面，激发并培养学生的专业兴趣，提高学生的实践创新能力具有重要的现实意义。

1 建设背景

福建农林业大学在1972年在国内率先建成了工程索道室内实验室；2008年初在福州仓山校区建成国内一流的室内工程索道实验室。该实验室拥有齐全、先进的设备设施，有利于研究生和本科生的科研项目与教学活动的开展。但是由于目前实验室受厂房水平与垂直空间的限制，存在索道跨距小，教学综合平台建设不完整不集中。这对真实模拟索道作业存在差距，使大学生开展工程索道科学的创新训练受到限制。实验教学建设和发展，应遵循“集中实验室空间和实验室设备，进行统一地集中建设，进而达到深化实验教学内容，提高实验教学质量”的原则[2]。根据福建农林业大学新一轮学科发展需要，包括交通与土木工程学院在内的4个工科学院将整体搬迁至大学城新校区。工程索道实验室的新建将抓住机遇，对目前工程索道实验室存在不足给予改进，进行超前规划设计，构建大学城新校区新建大型室内工程索道实践与创新训练平台。该平台包括现场试验、设备开发、动态仿真和装备展示4个模块。该项目建成后必将为培养相关专业的本科生，硕士生、博士生和博士后专业实践技能实训和开展提供平台[3]。

2 建设内容

2.1 平面布置

拟在大学城新校区新建的工程索道创新训练平台的室内厂房实验室，进行索道现场实验平台的建设和设备展示平台建设。工程索道创新训练实验室平面布置，如图1所示(单位：m)。

注：1-5、6-8、9-15绞盘机间隔3 m；绞盘机安设位置3m×4 m。

1-15.各型式绞盘机(2-1A、红旗、东风液压、J3、J3-B、XJ1自走式、SJ-23、闽林821、武夷781、JSD3-1.5、JS3-1.5、JSX2-0.8、JSX2-0.4、JS1-0.4A、QJ-11等)；16.各类跑车及索道附属装置；17.模型展示区；18.采伐机械区；19.森林作业与规划动态仿真实验室；20.工程索道与悬索桥研究室；21.JSD3-2绞盘机(现场试验索道动力)；22、28.索道下、上支点；23、25.可移动式鞍座；24.试验索道承载索；26.滑索；27.大门；29.客运索道迂回轮；30.运载索；31.中间支架；32.客运索道驱动轮

图1工程索道创新训练实验室平面布置

Fig.1 The layout of the innovation training laboratory of engineering ropeway

2.2 索道现场试验平台建设

索道现场试验平台的建设包括：鞍座可移动的多跨遥控索道和全悬增力式多跨索道，以及双向座椅式滑索和单线循环吊椅式客运索道。鞍座可移动式全悬增力式多跨索道建成后，通过移动鞍座位置，实现单跨、双跨和三跨，通过更换跑车形式，实现遥控索道和增力式索道的变换。在此基础上，为开展各跨悬索拉力与线形在不同载荷作用下的变化规律，各跨悬索拉力与线形随荷重点不同位置的变化规律，索道振动测试，钢丝绳无损检测，滑速影响因子测控，客运索道操作控制、索力动态测试等方面的工程索道科学创新训练提供良好的实验条件。利用纳米绳材料性能优势，以纳米绳替换钢丝绳，进行纳米绳滑索设计，选择在军事侦察领域中的运用为突破口进行创新研究。

室内索道现场实验平台架设的索道技术参数，见表1；座椅式滑索技术参数，见表2；客运索道架设技术参数，见表3。

表1 索道架设技术参数

表2 滑索架设技术参数

表3 客运索道架设参数

2.3 索道设备展示平台建设

(1)索道设备区。该区集中展示索道绞盘机和跑车类型均居全国首位。可保证不同需求的教学和社会服务，可向师生或人们展示索道设备的历史和人类的智慧结晶，开拓视野、增长见识。索道设备展示平台的绞盘机和跑车，见表4。

除了各种绞盘机和跑车型号外，并配套完整的传动系统图和适宜的索道索系图。在熟练掌握现有索道绞盘机与跑车的结构及工作原理的基础上，激发学生的创新兴趣，提出改进方案或创新研制新设备新装置的思路，可微机设计虚拟样机，可动手做实物模型，也可以创新做实物装置或设备。

表4 索道设备展示平台的绞盘机和跑车

(2)采伐机械区。具有各种木材采伐与造材油锯18台，其中有9台美国、芬兰、德国和日本等先进国家的设备，该区可开展对生态采伐新技术的研究，采伐机械的科研实验，开展对进口设备新技术的吸收、消化、仿真设计与创新等。

(3)模型展示区。该展区可展示历届学生所制作的模型，如：索道、跑车等模型。这些制作的模型可作为教学所用，可增强学生探索的欲望，提升学生的动手能力，丰富学生的课余生活，也能起到促进理论与实践相结合的教学目的。

2.4 索道设备开发平台建设

(1)绞盘机。绞盘机是工程索道系统中的重要设备，发展历史源远流长。但目前国内外对绞盘机研究很少，传统的绞盘机存在设备笨重，操作强度大噪音大等缺陷。

上世纪50年代至今，我国已先后仿制和研发绞盘机共40余种。以可持续发展的眼光，着眼于经济发展，科技进步，绞盘机必然走向小型化、智能化、多样化和环境友好化的趋势。该平台的建设将为新型索道设备开发提供良好条件，在对人工林集材设备与工艺进行系统地研究的基础上，结合实际的生产需要开发为人工林采集服务的轻便实用性设备，研制多功能、自走式，轻型、液压和遥控的索道绞盘机等。

(2)跑车。跑车是林业架空索道吊运木材的装置[4]。该平台将以开发科学、先进和新颖性强的遥控设备为中心，建立跑车虚拟样机，运动学和动力学模型，研究握索机构和起升机构的动态特性，系统研制跑车智能控制理论；开展以YP2遥控增力式跑车，配套JS3-2绞盘机组成的SJ-2/2型遥控索道的研究等。

2.5 索道动态仿真平台建设

索道动态仿真平台建设建立在索道现场实验平台的基础上，利用钢索悬链线分析悬索拉力和线形，比较不同悬吊状况下的悬索参数、张力和几何变化。对新型绞盘机与跑车运行状态进行模拟。对各类索道运行仿真，针对全悬和半悬增力式索道、单索型和双索型松紧式索道，分别模拟其运行的全过程，包括回空、捆木、起升、承载和卸捆5个环节。通过动态仿真平台的动态模拟为学生提供更加直接生动的教学环境，为投入实际工作和创造生产力提供重要的实验平台。

森林作业动态仿真实验室，可模拟演示木材采集运贮各种作业模式的全过程，是木材生产技术与管理、工程索道和林业生产规划等科研创新平台。该设备采用计算机多媒体程序控制技术，做到声音、图像、字幕同步或异步显示。如森林采伐、集材(畜力、拖拉机、索道、滑道)，木材运输(汽运、森铁运输、水运)及贮木场作业的全过程。

3 预计成效

对本科生进行科技创新训练的人才培养模式，是国内外普遍认同的一种模式。大学生通过动手实践才能真正的获得创新知识和创新能力。根据目前工程索道实验室存在的局限，进行超前规划设计，构建大学城新校区新建大型室内工程索道创新训练平台，重视创新训练的育人作用。通过创新训练平台来培养创新人才，将工程索道教学与科研相结合，激发大学生创新意识和热情，锻炼大学生创新能力，造就优秀学生。

新建大型室内工程索道创新训练平台长为166 m，宽为38 m，高为16 m，面积为5 138 m2。弥补了原实验室厂房水平和垂直的空间限制。索道跨度增加，教学平台建设更加集中完整，更加真实的模拟工程索道的实际作业状况，对大学生开展工程索道科学的创新训练将有巨大的帮助。如：创建测试创新平台，鞍座可移动式全悬增力式多跨索道建成后，可通过移动鞍座位置，实现单跨、双跨和三跨全悬增力式索道，实测不同鞍座点位置，各跨悬索的线形与拉力，揭示其变化规律，将理论值与实测值进行比较分析与验证；不同鞍座点位置，各跨悬索拉力与线形随荷重点位置不同的实测值，并揭示其变化规律；鞍座移动至不同位置时，悬索的应力状态与振动特性测试等方面，都能提供良好的实验条件。更进一步，工程索道创新训练平台的建设也为实现悬索理论突破搭设平台。传统的抛物线理论仅适用于小挠度范围(S0=0.03～0.05)，且应用于增力式多跨索道设计中存在一定误差。单跨悬链线理论较成熟，多跨悬链线理论尚未得到工程实践验证。该创新设计通过可移动式鞍座，分析悬索在不同鞍座点位置的实际线形与拉力，获得连续多点理论值，建立各鞍座点处线形及拉力的状态协调方程，建立多跨悬链线理论模型，完善多跨索道悬链线理论体系。

工程索道创新训练平台建设的现场实验平台、设备展示、设备开发平台和动态仿真平台，4个平台相互联系，紧密结合，组成一个教学与实践相辅相成，创新与实验相互验证的训练平台，必将为大学生开展更广泛、更深层次的工程索道科学的创新实验测试提供良好的实验平台。工程索道创新训练平台建设规划方案，如图2所示。

图2 工程索道创新训练平台建设方案

4 展 望

“实践是内容最丰富的教科书，是实现创新最重要的源泉，是贯彻素质教育最重要的场所，是完成简单到综合、知识到能力、聪明到智慧转化的催化剂”[5]，这已成为当今实践教学改革的先进理念。而创新训练平台的建设正是这一先进教学理念最有力的实践，既在培养高素质创新性应用型人才的过程中起到重要的促进作用，同时在平台中提高了师生的整体素质。

工程索道创新训练平台建设的目标是成为国内一流研究水平的实验室和具有国际先进水平的创新平台，将大学生培养成具有创新思维和创新能力作为教学理念通过“构建两个体系，搭建三个平台”[6]的创新能力培养体系，整合资源，实现教学和科研的相互促进。培养高素质实践型人才必须建设好工程索道创新训练平台，这将有力地推进交通与土木工程学院森林工程及其它相关专业的实验教学内容、体系、方法和手段的改革与提升。在工程索道创新训练平台能完成一个完整的实践实训过程，这对掌握理论基础，提升实践能力，再勇登科研高峰的人才培养将起到十分重要的作用。

【参 考 文 献】

[1]徐 泽.浅谈工科实验室在培养大学生科技创新能力中的重要作用[J].吉林画报·新视界，2011，(5)：34-35.

[2]刘庆君.浅析高校工科专业实验室的建设与发展[J].科教文汇，2010(34)：92，97.

[3]周新年，张正雄，郑丽凤，等.“工程索道”国家级精品课程建设[J].福建农林大学学报：哲学社会科学版，2011，14(3)：86-90.

[4]周新年.工程索道与悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]刘 宏.创建研究性综合实验平台的探索与实践[J].当代教育理论与实践，2014，6(2)：63-65.

[6]周新年，邱荣祖，张正雄，等.森林工程创新人才培养综合改革与实践[J].森林工程，2013，29(6)：171-175.