丁清苗 崔艷雨

【摘要】通過對(duì)機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)，操作者可以通過在模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，利用智能穿戴設(shè)備來操縱虛擬的航煤儲(chǔ)罐溫度測(cè)試系統(tǒng)、油氣混合氣采樣系統(tǒng)、油氣濃度分析系統(tǒng)得到油品和油氣空間溫度和濃度的分布規(guī)律，得到航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗量，替代原危險(xiǎn)性大的實(shí)物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為其他此類型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】航煤儲(chǔ)罐? 小呼吸蒸發(fā)損耗? 仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)

【基金項(xiàng)目】中國(guó)民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于VR技術(shù)的機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)”項(xiàng)目（2018CXJJ17）資助。

【中圖分類號(hào)】TM743 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）04-0227-01

1.研究背景

“油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理”作為油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)重要的必修課程之一，是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程?！坝蛶?kù)設(shè)計(jì)與管理”課程在教學(xué)過程中雖然強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合，但實(shí)際上區(qū)別于其他專業(yè)和課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，很多需要用到油品的實(shí)踐項(xiàng)目難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)，如“油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理”課程的量氣法測(cè)定儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)需要用到高溫加熱100多升汽油，存在很大的安全隱患;油庫(kù)方面多數(shù)實(shí)物實(shí)驗(yàn)投資大且同樣存在安全風(fēng)險(xiǎn);且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)都沒有涉及到機(jī)場(chǎng)油庫(kù)相關(guān)項(xiàng)目，而去中航油等企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)都不允許學(xué)生動(dòng)手操作，學(xué)生往往很難接觸到實(shí)際的生產(chǎn)裝置。這些都直接制約了油品類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目的開展，影響學(xué)生能力的培養(yǎng)，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

VR虛擬仿真技術(shù)，可以利用VR眼鏡和虛擬仿真系統(tǒng)操縱活動(dòng)手柄，實(shí)現(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)際場(chǎng)景，其真實(shí)度和體驗(yàn)性跟人在現(xiàn)實(shí)世界中操作設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練相差無幾。當(dāng)需要對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行更新升級(jí)時(shí)，只需重在原來基礎(chǔ)上新建模即可，快捷方便，不需要過多維護(hù)，也不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備過時(shí)而產(chǎn)生折舊造成資源浪費(fèi)。機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)將原本難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過程利用VR技術(shù)仿真進(jìn)行，對(duì)于提高學(xué)生興趣，改善教學(xué)效果都有很大的好處。

2.仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 VR虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架構(gòu)思：

總結(jié)機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐的特點(diǎn)，理論和實(shí)驗(yàn)分析航煤小呼吸蒸發(fā)損耗的特點(diǎn)和規(guī)律，運(yùn)用VR技術(shù)與專業(yè)課程特色相結(jié)合，分析總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則、方法及要素，科學(xué)地設(shè)計(jì)面向在校大學(xué)生的基于VR技術(shù)的機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架。機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置主要由航煤油罐、氣體含量分析系統(tǒng)、恒溫循環(huán)水浴、太陽(yáng)加熱模擬系統(tǒng)、氣體流量計(jì)、溫度傳感系統(tǒng)、水準(zhǔn)瓶等組成。

2.2 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建模：

根據(jù)機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架，根據(jù)科學(xué)性、交互性、直觀性原則創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)容，根據(jù)腳本進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)交互操作和仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以實(shí)現(xiàn)操作者“進(jìn)入”虛擬空間，根據(jù)指引面向?qū)嶒?yàn)臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行參數(shù)測(cè)定得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后歸納總結(jié)此實(shí)驗(yàn)，完成提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完全實(shí)現(xiàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)基本一致的效果。

3.仿真系統(tǒng)功能介紹

本仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用量氣法測(cè)定航煤儲(chǔ)罐的小呼吸蒸發(fā)損耗量，計(jì)算公式為G=QCρ。

Q代表實(shí)驗(yàn)過程中呼吸閥開啟后航煤儲(chǔ)罐所呼出的空氣和航煤蒸汽的二元混合氣氣體的體積量，可以通過氣體流量計(jì)的累積量直接測(cè)出。C代表混合氣中航煤蒸汽的濃度，可以通過氣體含量分析系統(tǒng)多次測(cè)量獲得。ρ代表航煤油蒸汽的密度。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)要獲得這個(gè)公式所需參數(shù)，除了要用到混合氣氣體的體積量Q、混合氣中航煤蒸汽的濃度C，還要測(cè)定溫度T、壓力P這些參數(shù)。為了測(cè)定這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）測(cè)定壓力閥開啟前航煤儲(chǔ)罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：此時(shí)太陽(yáng)模擬加熱系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，依次從溫度傳感器傳出來的溫度數(shù)據(jù)讀取油氣空間中部溫度t0值，并從壓差計(jì)讀出罐內(nèi)外壓差，計(jì)算出罐內(nèi)壓力P0，同時(shí)用氣體含量分析系統(tǒng)對(duì)航煤儲(chǔ)罐內(nèi)中部的氣樣進(jìn)行分析，求出濃度C0。

（2）測(cè)定壓力閥開啟時(shí)航煤儲(chǔ)罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：打開太陽(yáng)模擬加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，注意觀察航煤儲(chǔ)罐內(nèi)溫度、壓力變化情況。當(dāng)呼吸閥冒出第一個(gè)氣泡時(shí)，認(rèn)為呼吸閥開啟，計(jì)此時(shí)為呼氣起始狀態(tài)。記下氣體流量計(jì)的讀數(shù)Q1，這時(shí)應(yīng)馬上記錄油氣空間中部氣體的溫度t1值和罐內(nèi)壓力P1值。同時(shí)測(cè)定該狀態(tài)下中點(diǎn)氣樣進(jìn)行濃度分析，求出C1。

（3）測(cè)定壓力閥關(guān)閉時(shí)航煤儲(chǔ)罐內(nèi)溫度、壓力和濃度：當(dāng)氣體空間中點(diǎn)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，假定此時(shí)為呼出終了狀態(tài)。此刻停止加熱，讀出氣體流量計(jì)的數(shù)值Q2，馬上記錄油氣空間中部氣體的溫度t2和罐內(nèi)壓力P2。同時(shí)測(cè)定該狀態(tài)下的中點(diǎn)氣樣濃度，求出C2。

4.結(jié)論與展望

“油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理”課程在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐結(jié)合，但實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如“小呼吸蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)”涉及到高溫加熱100多升汽油存在很大的安全隱患，開發(fā)其他實(shí)物實(shí)驗(yàn)投資大且同樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)，為了解決此問題，利用VR技術(shù)開發(fā)機(jī)場(chǎng)油庫(kù)航煤儲(chǔ)罐小呼吸蒸發(fā)損耗虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，此教學(xué)平臺(tái)通過仿真實(shí)現(xiàn)模擬裝置情景再現(xiàn)，讓學(xué)生身臨其境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并進(jìn)行操作考核，既能將理論與實(shí)踐結(jié)合提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又能解決實(shí)物操作的安全問題，且節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，同時(shí)為其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和平臺(tái)的開發(fā)借鑒經(jīng)驗(yàn)。

作者簡(jiǎn)介：

丁清苗（1984-），女，博士，副教授，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備方面的研究。