智慧水务教学科研演示系统解决方案

1 项目背景与建设意义

1.1 行业人才培养痛点

随着我国水务行业向数字化、智能化转型加速，环境工程、给排水科学与工程等专业的人才培养面临显著的供需错配问题。传统教学以理论讲授为主，学生缺乏真实工业场景的实操训练，对智慧水务核心技术（物联网、边缘计算、数字孪生、智能控制）的认知停留在概念层面，难以满足行业对复合型技术人才的需求。

与此同时，高校科研工作缺乏标准化的实验验证环境，新工艺、新算法的研发难以快速落地验证，产学研转化链条存在断层。建设一套集教学实训、科研验证、技术展示于一体的智慧水务教学科研演示系统，已成为新工科背景下环境类专业建设的迫切需求。

1.2 新工科建设发展需求

教育部新工科建设明确要求深化产教融合，推动高校人才培养与产业技术发展同频共振。智慧水务作为环保产业与信息技术深度融合的新兴领域，其教学体系建设需紧扣产业技术前沿，将工业级自控系统、云平台、虚拟仿真技术融入教学实验环节，培养兼具理论基础与工程实践能力的创新型人才。

1.3 项目建设目标

本项目以“虚实结合、教研一体、产教融合” 为核心原则，建设一套完整的智慧水务教学科研演示系统，实现三大目标：

•教学实训目标：构建从基础认知到实操运维、从工艺原理到智能控制的全链条实训体系，提升学生工程实践能力；

•科研支撑目标：提供标准化实验环境与开放数据接口，支撑教师开展工艺优化、智能算法等方向的科研工作；

•专业建设目标：打造校级示范实训基地，支撑特色专业建设与学科竞赛，提升专业影响力与人才培养质量。

2 系统总体设计

2.1 设计理念

系统依托威泰普科技在智慧水务领域的技术积累与产品体系，采用“物理装置 + 智能控制 + 云端平台 + 虚拟仿真” 四位一体的设计思路，既保留真实水处理工艺的物理过程，又融入完整的工业级智控体系，同时配套虚拟仿真教学资源，实现 “看得见、摸得着、可操作、能科研” 的建设效果。

2.2 总体架构

系统采用威泰普成熟的云 - 边 - 端三层技术架构，自上而下形成完整的技术闭环：

（1）云端层：司水云官智慧水务云平台

作为系统的大脑与数据中枢，承担数据存储、可视化展示、智能分析、远程运维、教学管理等核心功能，支持数字孪生大屏展示与多端访问。

（2）边缘层：智能控制柜 + IntBoxIO 边缘终端

承担现场数据采集、本地逻辑控制、数据预处理与断点续传功能，实现离线自治运行与云端协同联动，保障系统稳定可靠。

（3）终端层：物理实验装置 + 传感执行设备

包含全流程水处理工艺模拟装置、各类水质传感器、电动阀门、水泵、曝气装置等终端设备，是工艺运行与数据产生的物理载体。

2.3 技术路线

系统以工业级标准进行建设，采用 PLC 可编程逻辑控制 + 边缘计算协同架构，通讯协议兼容 Modbus、MQTT 等工业标准，云平台采用微服务架构设计，支持功能扩展与二次开发。虚拟仿真模块融合 VR、MR、数字孪生技术，与物理装置实现数据联动、虚实同步。

3 物理模拟实验平台

3.1 平台概述

物理模拟实验平台采用透明有机玻璃材质，按实际污水处理厂工艺等比例缩小搭建，完整复现城镇污水处理主流工艺流程。学生可直观观察水体流动、药剂混合、微生物生长、污泥沉降等物理化学过程，解决传统教学中“看不见内部过程” 的痛点。

3.2 核心工艺单元

平台采用模块化设计，涵盖完整的污水处理工艺链条，核心单元包括：

1. 进水调节单元：配置原水箱、提升泵、液位传感器，模拟进水水量波动与调节过程；

2. 加药反应单元：配置 PAC/PAM 加药桶、计量泵、管道混合器，演示混凝沉淀药剂投加与反应过程；

3. 生化处理单元：内置弹性立体填料，配置曝气系统与溶解氧传感器，模拟活性污泥法 / 生物膜法生化降解过程；

4. 沉淀过滤单元：配置斜管沉淀区与过滤层，演示固液分离与深度过滤过程；

5. 消毒出水单元：模拟消毒工艺与出水计量，配置在线监测仪表实时显示出水水质参数；

6. 回流与排泥单元：配置污泥回流泵与剩余污泥排放管路，还原水厂污泥处理流程。

3.3 平台特点

•全透明可视化：主体采用高透有机玻璃材质，工艺过程全程可见，便于教学演示与原理讲解；

•工业级配置：阀门、水泵、仪表、控制系统均采用工业级产品，操作逻辑与真实水厂完全一致；

•模块化可扩展：各工艺单元独立成型，可根据教学需求灵活组合，也可扩展新增工艺模块；

•安全环保：实验用水可循环使用，药剂用量小，无二次污染，适配室内实验室环境。

4 核心硬件与边缘控制体系

4.1 智能 PLC 控制柜

智能 PLC 控制柜是系统的现场控制核心，基于工业级 PLC 构建，替代传统继电器控制模式，实现高精度、高稳定性的自动化运行。

•控制功能：支持定时启停、顺序控制、PID 调节等多种控制模式，可实现全流程自动运行；

•数据采集：通过传感器接口采集液位、流量、溶解氧、pH、浊度等运行参数，实时上传至 HMI 触摸屏与云端平台；

•安全保护：内置过载、漏电保护模块，配备急停按钮与故障诊断功能，异常状态自动触发保护；

•扩展能力：采用模块化设计，支持灵活扩展 I/O 点位与通讯模块，兼容以太网、4G/5G 等多种通讯方式。

4.2 IntBoxIO 边缘智能终端

威泰普自主研发的 IntBoxIO 边缘智能终端，是实现 “边雾云协同” 的核心设备，部署于现场端承担边缘计算职能。

•多协议接入：兼容主流工业设备通讯协议，可快速接入各类传感器、仪表与执行设备；

•本地自治控制：支持离线状态下独立运行控制逻辑，断网不影响系统正常运行，网络恢复后自动补传数据；

•数据预处理：现场完成数据清洗、异常过滤、阈值告警，减轻云端压力，提升响应速度；

•远程运维：支持远程程序下发、参数调试与故障诊断，降低运维成本与响应时长。

4.3 现场传感与执行终端

系统配备完整的工业级传感与执行设备体系，包括液位传感器、流量传感器、溶解氧分析仪、pH 计、浊度仪等在线监测仪表，以及电动调节阀、潜水泵、曝气泵、计量泵等执行设备，所有设备均接入自控系统，实现数据可测、状态可控。

4.4 边雾云协同计算能力

系统构建“终端采集 - 边缘处理 - 云端分析” 的三级计算体系：终端层负责原始数据采集与指令执行；边缘层负责实时控制与数据预处理；云端层负责大数据分析、AI 算法运算与全局管理。三层协同既保障了控制的实时性与可靠性，又充分发挥了云端的大数据与 AI 能力。

5 司水云官智慧水务云平台

5.1 平台概述

“司水云官” 智慧管理系统是威泰普自主研发的核心云平台，以大数据、云计算、人工智能、物联网技术为依托，为污水处理设施的精细化运营管理提供数字化整体解决方案。在教学科研场景中，该平台既是实训操作的上位系统，也是科研数据分析的核心工具。

5.2 核心功能模块

1. 实时监控模块：工艺流程图可视化展示全系统运行状态，参数实时刷新，设备状态一目了然，支持远程启停与参数调整；

2. 数据管理模块：全量运行数据自动存储，支持多维度查询、统计分析、报表导出，满足教学数据整理与科研数据分析需求；

3. 智能预警模块：支持多阈值分级告警，异常事件自动推送，可用于故障诊断教学与应急处置演练；

4. 远程运维模块：支持设备远程诊断、程序远程升级、运行参数远程调试，培养学生远程运维能力；

5. 工艺优化模块：内置 AI 算法模型，可基于历史数据进行工艺参数优化分析，支撑科研创新实验。

5.3 数字孪生可视化大屏

平台配套数字孪生可视化大屏，以三维建模方式还原实验装置全貌，实现数据与模型的实时联动。大屏可集中展示水质参数、设备状态、能耗数据、运行趋势等核心信息，既满足教学演示的视觉效果，也可作为专业展示与接待参观的重要载体。

6 虚拟仿真与 MR 混合现实教学体系

6.1 “碧水新生” 污水处理仿真教学系统

威泰普“碧水新生” 污水处理仿真教学设备，打造沉浸式教学场景，融合中控室、仿真工厂设备、仿真模拟系统、数字孪生可视化平台、控制系统等多项功能，高度还原污水厂实际运行场景。

•系统内置智能预警模块，可模拟各类故障场景，让学生在安全环境中掌握故障排查与应急处理技能；

•不受场地、药剂、能耗限制，可反复开展操作训练，降低实训成本与安全风险；

•配套标准化教学课件与考核题库，支持自动评分，提升教学效率。

6.2 MR 混合现实智慧仿真沙盘

MR 混合现实技术将虚拟场景与实体沙盘完美融合，学生通过 MR 眼镜可同时看到实物设备与虚拟内部结构，实现虚实结合的沉浸式学习。

•支持工艺操作、事故处理、工况处理、设备认知与拆装等多种实训场景；

•虚拟模型外观与实体沙盘布局一致，内部结构、运行原理、自控系统设计可分层展示；

•学生可通过手势交互进行虚拟操作，直观理解设备内部构造与工作原理。

6.3 VR 沉浸式教学体验区

配置 VR 教学体验设备，构建可自由行走的虚拟水厂场景，学习者能够身临其境地参与实验操作、设备拆装、工艺流程模拟等实践训练，打破物理空间限制，全方位提升学习体验与记忆效果。

6.4 步入式混合现实全景教学系统

步入式混合现实（MR）全景教学系统融合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和现实环境，通过高精度空间定位、3D 建模和实时交互技术，构建大空间沉浸式教学场景，支持多人同时协同实训，适用于班级集体教学与团队协作训练。

7 教学实践功能体系

7.1 基础认知教学

•污水处理工艺原理认知：通过透明装置直观展示各单元功能与水流路径，配合讲解掌握工艺原理；

•设备结构与原理认知：结合实体设备与 MR 虚拟拆解，学习水泵、阀门、仪表、控制柜等核心设备的结构与工作原理；

•自控系统认知：学习 PLC 控制系统架构、传感检测原理、通讯传输方式，建立工业自控体系认知。

7.2 工艺操作实训

•手动操作训练：学生可手动操作阀门、启停设备，学习工艺管路切换与设备操作规范；

•自动运行实训：通过 HMI 与云平台设置运行参数，观察系统自动运行过程，掌握自动化运行逻辑；

•参数调节实验：改变曝气量、回流量、加药量等参数，观察出水水质变化，理解工艺参数对处理效果的影响。

7.3 故障应急演练

系统可模拟多种常见故障场景，如水泵故障、仪表失灵、管道堵塞、水质超标等，训练学生的故障排查、原因分析与应急处置能力，配套考核标准实现标准化测评。

7.4 自动考核评价

平台内置教学考核系统，支持理论答题、操作实操、故障排查等多种考核形式，系统自动记录操作过程与结果，客观评分并生成实训报告，减轻教师考核工作量，提升评价公平性。

8 科研创新支撑能力

8.1 全量数据开放接口

云平台提供标准 API 数据接口，支持原始运行数据的批量导出与实时调用，教师与学生可基于真实运行数据开展数据分析、建模研究，解决科研数据来源难题。

8.2 算法验证与工艺优化

系统支持自定义控制策略接入，科研人员可将自研的智能控制算法、工艺优化模型部署至边缘终端或云端，在真实物理装置上验证算法效果，为论文发表、项目研究提供实验支撑。

8.3 二次开发与创新实验

平台软硬件均预留扩展空间，支持学生开展创新实验设计，如新增监测指标、搭建特色工艺模块、开发移动端监控小程序等，培养创新思维与工程实践能力，支撑大学生创新创业项目与学科竞赛。

8.4 科研数据管理与分析

平台具备完善的数据存储、清洗、分析工具，支持多批次实验数据对比、趋势分析、相关性分析，可直接生成标准化科研图表，提升科研工作效率。

9 环境工程智能装备综合实训平台

9.1 阀门维修维护综合实验装置

针对调节阀的构造、工作原理开展认知教学，培养学员系统分析、辨别正误和迅速决策等能力。学员可在运行状态下进行调节阀切换操作、故障处理，学习管道安装与维护常用工具的正确使用方法，掌握闸门、管件及密封填料的结构和使用方法。

9.2 机泵维修维护综合实验装置

锻炼学生识别离心泵结构图的能力，掌握离心泵内部结构与组成、运行工艺、操作规程。学员可准确列出离心泵及配套备品备件组装所需的工具和易耗品，按正确步骤进行离心泵的组装与维护，掌握相关工具的正确使用方法。

9.3 PLC 综合实训控制台

涵盖仪表照明及电力拖动实训、PLC 模拟对象基本应用实训、PLC 控制工业电气实训线路、PLC 与变频器及触摸屏的综合应用实训，全面培养学生的工业自动化编程与调试能力。

9.4 自动在线监测站台

配备友好的人机交互界面，具备故障报警、显示和诊断功能，支持接收远程监控平台的外部命令与自控操作，任何测量参数超标均自动启动留样程序，可实现平行监测功能，用于水质监测技术教学与仪表校准实验。

10 产教融合与课程建设

10.1 特色课程开发

威泰普与高校合作开发《智能污水处理技术与应用实践》等特色课程，由企业专家讲解核心产品技术原理、操作流程及多场景应用案例，结合高校理论教学，让学生掌握前沿技术与行业需求，提升知识理解与应用能力。

10.2 师资能力培训

为高校教师提供系统化技术培训，邀请教师深入企业了解产品研发、生产及应用难题，参与实际项目积累经验。定期举办技术研讨会，帮助教师更新知识体系，提升教学实用性与针对性。

10.3 创新项目孵化

围绕产品技术方向提供创新课题，如优化司水云官系统数据分析功能等，技术团队全程指导，助力学生将创新想法转化为成果，既提升学生能力，也为企业技术升级提供新思路。

10.4 学科竞赛支持

支持高校参加各类环境工程、节能减排、智能制造相关学科竞赛，提供技术指导、设备支持与方案建议，以赛促学，提升学生实践创新能力与专业影响力。

11 企业实力介绍

11.1 威泰普科技简介

威泰普科技有限公司是一家专注于环保领域自动化、数字化、智能化服务的***高新技术企业。业务覆盖农村供排水、智慧管网、智慧泵站、集中式污水处理厂、智慧城市、智慧农业、智慧用电等领域。

公司自主研发的“司水云官智慧管理系统” 以大数据、云计算、人工智能、物联网等新一代信息技术为依托，以智能化硬件终端为载体，以功能化系统平台为 “执行官”，为村镇级农污、集中式污水处理厂的精细化运营管理提供数字化整体解决方案。

11.2 核心技术优势

•完整的产品矩阵：拥有从智能控制柜、边缘终端、现场仪表到云端平台的全栈自研产品体系；

•边雾云协同架构：**的三级计算架构，兼顾实时性、可靠性与智能化水平；

•丰富的落地经验：全国大量项目落地应用，技术成熟稳定，场景覆盖全面；

•教研融合能力：深耕教育赛道，形成“碧水新生” 完整教学产品体系与校企合作模式。

11.3 核心业务方向

公司教学产品研发与创新方向聚焦水处理、环境工程、能源管理、工业智造、水利工程等实训教学领域的数智化创新产品及解决方案服务，提供产品研发、技术咨询、设备安装及人才培训等全流程服务。核心业务涵盖 XR/VR 虚拟仿真软件、MR 混合现实技术智慧仿真沙盘、步入式混合现实全景教学系统、实训基地建设服务、智能设备开发五大板块。

12 建设价值与效益

12.1 教学价值

显著提升实践教学质量，将抽象理论转化为直观可操作的实训内容，增强学生动手能力与工程思维，培养符合行业需求的复合型智慧水务人才，提升就业率与就业质量。

12.2 科研价值

打造标准化科研实验平台，为教师提供稳定的实验环境与数据支撑，缩短科研成果转化周期，助力高水平论文发表与科研项目申报，提升学科科研实力。

12.3 社会价值

建设高水平示范实训基地，可面向周边院校、行业企业开展技术培训与科普教育，服务地方产业发展，提升学校社会影响力与服务地方能力。

12.4 经济效益

一套系统可支撑多门课程实验教学，替代多套分散实验设备，提高设备利用率；虚拟仿真模块可大幅降低药剂、水电等耗材消耗与安全风险，长期运行节约教学成本。

13 合作模式与服务保障

13.1 合作模式

可根据高校实际需求与预算情况，提供多种合作模式：

•整体建设模式：由威泰普提供从方案设计、设备供应、安装调试到培训交付的一体化交钥匙工程；

•分阶段建设模式：按照“先物理装置、再智控系统、后虚拟仿真” 的节奏分阶段实施，逐步完善；

•产学研共建模式：双方共建实训基地与联合实验室，共享科研成果，共同开发课程与教材。

13.2 服务保障体系

•质保服务：系统整体提供质保服务，质保期内免费上门维修与更换；

•技术支持：配备专属技术对接人，提供 7×12 小时远程技术支持，重大问题现场响应；

•升级服务：平台功能持续迭代升级，可根据教学需求定制开发新功能模块；

•培训服务：提供师资操作培训、维护培训、教学应用培训，保障教师熟练使用系统开展教学。