基于虛擬現實的通風參數測定實訓系統設計與開發

裴曉東 王 亮 孫 勇 田富超 劉敏軒 賀萬星

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇 徐州 221116;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 沈撫示范區 113122;3.教育部安全工程專業虛擬教研室,江蘇 徐州 221116)

現今虛擬仿真技術迅速發展,并深入融合實訓信息化,是實訓現代化建設的重要舉措,虛擬仿真實訓資源的建設將直接影響各級培訓機構或工程實踐中心的實訓實踐水平與質量。近年來,在相關部委大力支持下,虛擬仿真實訓項目在各行各業蓬勃發展,建設具有良好交互性、開放性和安全性的虛擬仿真實訓平臺是推動提升實訓水平和相關工程技術人員技能培養質量的有效途徑之一[1-6]。

煤礦、金屬非金屬地下礦山通風參數測定是井巷通風技術管理核心內容之一[7-8],通過測定可以準確獲取各井巷風速(風量)、風阻等通風參數,從而知悉風流阻力及其分布,為進一步開展通風優化改造、節能降耗和調風控火排瓦斯等提供依據[9-10]。該實訓內容是礦山通風技術人員和安全科學與工程類專業學生的核心基礎技能,但由于實踐性強、日常真實井巷實驗實訓難以開展等原因,以往該內容的實訓實驗開展存在諸多難處,基本無法開展真實實驗和操作實訓,僅僅通過實驗模型或影像資料,缺少與理論相結合的實驗實訓系統,無法達到交互式學習實訓的目的,也起不到很好的實踐鍛煉效果[11-15]。因此,本研究提出將礦山通風參數測定實訓與虛擬仿真技術相結合,設計開發了礦山通風參數測定虛擬仿真實訓系統。

該虛擬實訓系統設計堅持問題導向,依據工程實踐核心內容,以虛擬仿真技術和三維動畫演示,通過具體和生動的交互式動手操作,仿真實現了可重復,安全、環保、成本低廉地開展通風參數測定實驗實訓,滿足煤礦、金屬非金屬地下礦山等井巷空間通風系統參數檢測的實訓需要。同時,中國礦業大學安全科學與工程學科作為A+和雙一流學科,緊密圍繞學校學科專業優勢,緊跟實訓信息化的新時代要求,為通風類專業實訓信息化提供了模板,適用于技術人員培訓、考核以及學生實操訓練等。

1 虛擬實訓系統組成

系統依據《MT/T 440-2008 礦井通風阻力測定方法》和《AQ 2013.3-2008 金屬非金屬地下礦山通風技術規范:通風系統檢測》,將井巷通風參數測定核心內容分為六大模塊,各模塊通過文字、圖片、動畫、虛擬現實等方式將基礎理論與現場實踐相結合,以虛擬仿真技術和三維動畫演示,將礦井通風參數的實測場景完美地轉移至虛擬平臺中,達到了展示學習和虛擬實訓的雙重效果,使得實訓人員能夠通過該系統更好地理解和掌握礦井通風參數測定的基本原理、方法和各實踐步驟及注意事項,進一步加深對通風理論的理解和提高自身的工程實踐能力。該虛擬實訓系統共包括通風參數測定介紹、測定儀器、準備工作、參數測定、數據處理和網絡解算六大模塊,其系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

2 虛擬實訓設計與開發

2.1 通風參數測定介紹

以理論公式、文字、圖片等要素,對礦井通風參數測定的目的、方法和主要內容進行簡要介紹,引導實訓者入門,做到對實驗實訓內容初步認識和掌握。

2.2 測定儀器

通過構建的三維仿真儀器模型對測定所需儀器及測定項目進行仿真訓練,使實訓者清楚地認識礦井通風參數測定所用各項儀器及其用途。三維虛擬仿真儀器包括精密氣壓計或皮托管、膠管;干濕球溫度計;高速、中速和低速翼式風表;測距激光儀或皮尺;記錄用筆、紙等。滿足實訓者通過操縱鼠標移動和查看等,如圖2(a)所示。

圖2 測定儀器及準備工作實訓界面Fig.2 Training interfaces of the measuring instruments and preparation

2.3 準備工作

設計開發了進行礦井通風參數測定前的各項準備工作的實訓內容,包括測點布置、記錄表格和人員組成三個部分,實訓者可進行該內容的實踐實操。

2.3.1 測點布置

通風參數測點的合理布置是準確測定獲取礦井通風狀況的關鍵,實訓者在顯示的采掘(通風)工程平面圖中進行測點布置位置和順序的設置、選取訓練,其界面如圖2(b)所示。測點的布置應滿足《MT/T 440-2008 礦井通風阻力測定方法》等相關規定的要求:①測點應在分風點或匯風點處選定;② 測點前(后)3 m內井巷應支護良好,且內無堆積物等。如測點布置不合理或錯誤,實訓系統會有彈出框提示。

2.3.2 記錄表格

數據記錄表格界面如圖2(c)所示,主要包含:基點氣壓測試記錄表、測點大氣物理參數測試記錄表、巷道斷面與風量測試記錄表、通風參數測定數據匯總表,可使實訓者明確參數測定過程所需要的各項表格及表格的記錄內容等。

2.3.3 人員組成

測定人員的組成和分工是高效開展通風參數測定工作的重要內容,實訓者可以進行人員數量及分組情況的訓練,如圖2(d)所示,以虛擬仿真的人物和動畫形式直觀地呈現和展示通風參數測定時的虛擬測定人員及各小組人員分配情況等。

2.4 參數測定實訓

參數測定實訓模塊中,實訓者將進行基點校準、井底測定、巷道測定和礦井負壓4個核心測定內容的操作實訓(以氣壓計基點測定法為例)。

2.4.1 基點校準

基點校準實訓內容,如圖3(a)所示。通過虛擬仿真的人物及動畫展示基點校準的實際操作,并在界面下方文字說明校準流程,使實訓者明確基點設置和校準的全部操作流程。實踐實訓操作為:在進行參數測定時先對2臺精密氣壓計(Ⅰ、Ⅱ)進行井上基點校準,確保井口基點氣壓計Ⅰ和井下沿路線測量使用氣壓計Ⅱ同步,并記錄初始讀數。

圖3 參數測定實訓界面Fig.3 Training interfaces of the parameters

2.4.2 井底測定

井底測定實訓環節包括井底測量的全部實測場景訓練,主要包括4部分內容:壓力測量、風速測量、溫度測量和巷道尺寸測量,實訓者可分別點擊4個子選項進入仿真實訓。

(1)在壓力測量中,將精密氣壓計放置在測點位置的平坦巷道處,待氣壓計顯示數值穩定后,在相應表格中記錄時間和壓力數據,如圖3(b)所示。

(2)在風速測量中,針對同一測點的相關巷道,垂直巷道斷面,按“幾”字型行走路徑勻速測量1min,風表開始移動時開啟秒表計時,待時間到達1min時停止風表計數并讀取風表風速數值。同時,系統提供的注意事項和操作步驟能夠幫助實訓者更為全面地掌握風速測量原理和方法,如圖3(c)所示。

(3)在溫度測量實訓中,在同一測量點,垂直巷道斷面,懸掛通風干濕表并用蒸餾水潤濕濕球溫度計頭部紗套,自然通風或強制通風下讀取干球、濕球溫度計讀數。實訓者可通過鼠標滾輪放大界面或通過鼠標左鍵拖動界面來自己進行溫度計的讀數訓練,如圖3(d)所示。

(4)在巷道尺寸測量中,在同一測量點,根據不同巷道斷面形狀,實訓測量對應巷道尺寸,并計算巷道周長和面積,如圖3(e)所示。

2.4.3 巷道測定

該仿真實訓環節是沿著測定路線開展各個巷道的測定工作,包括其他布置點位的壓力、風速、溫度、巷道尺寸數據等,其實訓測量方法和井底測定一致,均為壓力測量、風速測量、溫度測量和巷道尺寸測量。

2.4.4 礦井負壓

礦井負壓數值是全礦井通風阻力大小的直觀體現,設計開發了礦井負壓測定場所及測定內容、方法,實訓實踐過程是在風井風機房通過U型壓差計或壓力讀取裝置讀取礦井負壓水柱。U型壓差計讀取方法和原理是其液面高的那一端為低壓端,與礦井風洞靜壓口連接,另一端通大氣,讀出來的壓差值就是礦井的負壓值。實訓者可進行測量接口連接和讀取U型壓差計數值實踐操作,如圖3(f)所示。

2.5 數據處理

在進行完井下通風參數測定實訓后,開展數據處理仿真實訓,主要包括:面積計算、風量計算、阻力計算、風阻計算、摩擦阻力系數計算、礦井總阻力計算等,如圖4所示。i、j間的平均風量,m3/min。

圖4 數據處理實訓界面Fig.4 Training interface of the data processing

(5)總阻力計算:

式中,hr為井巷總阻力,Pa;hrij為一條通路上所有測點間的阻力值,Pa。

該仿真實訓中,同時提供了各項計算的公式和計算示例,能夠幫助實訓者在該模塊中通過示例很好地掌握通風參數測定后的數據處理方法。

2.6 網絡解算

網絡解算實訓共包括3部分內容:網絡解算介紹、解算流程和解算軟件實操。該仿真模塊將展示網絡解算的相關內容,使實訓者對在通風理論學習中不熟悉的網絡解算部分有進一步的認識和了解。仿真系統中根據三維井巷風網結構、分支風阻、風機特性和自然風壓等條件,進行全井巷通風網絡模擬解算。

2.6.1 網絡解算介紹

以公式、文字等要素對網絡解算的原理和主要方法進行簡要介紹,使實訓者對網絡解算有初步的認識,其界面如圖5(a)所示。

圖5 網絡解算實訓界面Fig.5 Training interfaces of the network

2.6.2 解算流程

以動畫和實操的形式進行整個解算流程的訓練,實訓者錄入相關測定數據和參數,解算得出各巷道及礦井通風阻力結果,鍛煉實訓者直觀、明了地熟知和掌握解算流程,其界面如圖5(b)所示。

2.6.3 解算軟件

實訓系統里搭載有解算軟件,可實際進行通風網絡的實時解算。

(1)面積計算:按巷道斷面形狀及實測中寬和中高計算。

(2)風量計算:

式中,Q為井巷風量,m3/min;S為井巷面積,m2;v為井巷風速,m/min。

(3)阻力計算:

式中,k'、k″為氣壓計Ⅰ、Ⅱ的校正系數;hi″、hj″為氣壓計Ⅱ在測點i、j的讀數,Pa;hi'、hj'為hi″、hj″對應時間點氣壓計Ⅰ的讀數,Pa;zi、zj為測點i、j的標高,m;ρij為測點i、j間空氣密度的平均值,kg/m3;hvi、hvj為測點i、j的風壓,Pa。

(4)風阻計算:

式中,Rij為測點i、j間的風阻,N·s2/m8;Qij為測點

3 創新與應用

(1)設計開發的礦山通風參數測定虛擬仿真實訓系統將礦井通風參數測定場景和流程借助虛擬仿真技術手段逼真地呈現出來,構建了實驗實訓所需各種設備及其操作,實訓者能夠實時、交互地完成全部實訓學習和實操過程,實現了虛擬學習和虛擬實訓2項功能。虛擬實訓系統將“學”與“訓”相輔相成,可重復、安全、環保、成本低廉地開展通風參數測定實訓實踐,使相關技術人員不再局限于書本的表面知識,而能將知識與實踐相結合,這對于提高工程實踐能力和安全生產十分有利。

(2)該虛擬仿真實訓系統已入選中國礦業大學虛擬仿真實訓資源庫,面向全校進行開放教學和實訓。已應用于安全工程學院、采礦工程學院和繼續教育學院等相關本科生的專業實驗實訓活動,累計承擔實訓工作量30 000余人時數,對專業實踐培養起到了良好的支撐作用。同時,該虛擬實訓資源還對社會開放共享,為礦山企業相關技術人員提供學習實訓操作的機會,對通風安全類專業技術人員的實訓信息化建設起到了很好的示范引領作用。

4 結 語

通風參數測定虛擬仿真實訓系統利用三維仿真動畫和虛擬現實技術,將通風參數測定工程實踐實訓的完整流程與通風基礎理論知識學習進行了有機結合,實訓人員可以通過動手操作身臨其境地體驗井巷通風參數測定全流程,使其更加深入地理解和掌握通風參數測定的相關理論知識和實測方法步驟,有效地解決了相關實訓機構或工程實踐中心無法真實地開展相關實驗實訓的問題。仿真實訓系統的開發也順應了實訓信息化的發展要求,將虛擬現實技術與實訓實踐項目進行了深度的融合,達到了交互式實訓以及通風專業理論學習與實踐相結合的目的,有利于提高實訓者對通風參數測定工程實踐的訓練效果和技能培養。