裴曉東 王 亮 孫 勇 田富超 劉敏軒 賀萬星

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈撫示范區(qū) 113122;3.教育部安全工程專業(yè)虛擬教研室,江蘇 徐州 221116)

現(xiàn)今虛擬仿真技術(shù)迅速發(fā)展,并深入融合實(shí)訓(xùn)信息化,是實(shí)訓(xùn)現(xiàn)代化建設(shè)的重要舉措,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源的建設(shè)將直接影響各級(jí)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或工程實(shí)踐中心的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐水平與質(zhì)量。近年來,在相關(guān)部委大力支持下,虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在各行各業(yè)蓬勃發(fā)展,建設(shè)具有良好交互性、開放性和安全性的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是推動(dòng)提升實(shí)訓(xùn)水平和相關(guān)工程技術(shù)人員技能培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑之一[1-6]。

煤礦、金屬非金屬地下礦山通風(fēng)參數(shù)測(cè)定是井巷通風(fēng)技術(shù)管理核心內(nèi)容之一[7-8],通過測(cè)定可以準(zhǔn)確獲取各井巷風(fēng)速(風(fēng)量)、風(fēng)阻等通風(fēng)參數(shù),從而知悉風(fēng)流阻力及其分布,為進(jìn)一步開展通風(fēng)優(yōu)化改造、節(jié)能降耗和調(diào)風(fēng)控火排瓦斯等提供依據(jù)[9-10]。該實(shí)訓(xùn)內(nèi)容是礦山通風(fēng)技術(shù)人員和安全科學(xué)與工程類專業(yè)學(xué)生的核心基礎(chǔ)技能,但由于實(shí)踐性強(qiáng)、日常真實(shí)井巷實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)難以開展等原因,以往該內(nèi)容的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)開展存在諸多難處,基本無法開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)和操作實(shí)訓(xùn),僅僅通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛴跋褓Y料,缺少與理論相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),無法達(dá)到交互式學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)的目的,也起不到很好的實(shí)踐鍛煉效果[11-15]。因此,本研究提出將礦山通風(fēng)參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)開發(fā)了礦山通風(fēng)參數(shù)測(cè)定虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

該虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)堅(jiān)持問題導(dǎo)向,依據(jù)工程實(shí)踐核心內(nèi)容,以虛擬仿真技術(shù)和三維動(dòng)畫演示,通過具體和生動(dòng)的交互式動(dòng)手操作,仿真實(shí)現(xiàn)了可重復(fù),安全、環(huán)保、成本低廉地開展通風(fēng)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),滿足煤礦、金屬非金屬地下礦山等井巷空間通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)的實(shí)訓(xùn)需要。同時(shí),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)科作為A+和雙一流學(xué)科,緊密圍繞學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì),緊跟實(shí)訓(xùn)信息化的新時(shí)代要求,為通風(fēng)類專業(yè)實(shí)訓(xùn)信息化提供了模板,適用于技術(shù)人員培訓(xùn)、考核以及學(xué)生實(shí)操訓(xùn)練等。

1 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)依據(jù)《MT/T 440-2008 礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》和《AQ 2013.3-2008 金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范:通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)》,將井巷通風(fēng)參數(shù)測(cè)定核心內(nèi)容分為六大模塊,各模塊通過文字、圖片、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等方式將基礎(chǔ)理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合,以虛擬仿真技術(shù)和三維動(dòng)畫演示,將礦井通風(fēng)參數(shù)的實(shí)測(cè)場(chǎng)景完美地轉(zhuǎn)移至虛擬平臺(tái)中,達(dá)到了展示學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)訓(xùn)的雙重效果,使得實(shí)訓(xùn)人員能夠通過該系統(tǒng)更好地理解和掌握礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定的基本原理、方法和各實(shí)踐步驟及注意事項(xiàng),進(jìn)一步加深對(duì)通風(fēng)理論的理解和提高自身的工程實(shí)踐能力。該虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)共包括通風(fēng)參數(shù)測(cè)定介紹、測(cè)定儀器、準(zhǔn)備工作、參數(shù)測(cè)定、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)解算六大模塊,其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 通風(fēng)參數(shù)測(cè)定介紹

以理論公式、文字、圖片等要素,對(duì)礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定的目的、方法和主要內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,引導(dǎo)實(shí)訓(xùn)者入門,做到對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容初步認(rèn)識(shí)和掌握。

2.2 測(cè)定儀器

通過構(gòu)建的三維仿真儀器模型對(duì)測(cè)定所需儀器及測(cè)定項(xiàng)目進(jìn)行仿真訓(xùn)練,使實(shí)訓(xùn)者清楚地認(rèn)識(shí)礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定所用各項(xiàng)儀器及其用途。三維虛擬仿真儀器包括精密氣壓計(jì)或皮托管、膠管;干濕球溫度計(jì);高速、中速和低速翼式風(fēng)表;測(cè)距激光儀或皮尺;記錄用筆、紙等。滿足實(shí)訓(xùn)者通過操縱鼠標(biāo)移動(dòng)和查看等,如圖2(a)所示。

圖2 測(cè)定儀器及準(zhǔn)備工作實(shí)訓(xùn)界面Fig.2 Training interfaces of the measuring instruments and preparation

2.3 準(zhǔn)備工作

設(shè)計(jì)開發(fā)了進(jìn)行礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容,包括測(cè)點(diǎn)布置、記錄表格和人員組成三個(gè)部分,實(shí)訓(xùn)者可進(jìn)行該內(nèi)容的實(shí)踐實(shí)操。

2.3.1 測(cè)點(diǎn)布置

通風(fēng)參數(shù)測(cè)點(diǎn)的合理布置是準(zhǔn)確測(cè)定獲取礦井通風(fēng)狀況的關(guān)鍵,實(shí)訓(xùn)者在顯示的采掘(通風(fēng))工程平面圖中進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置位置和順序的設(shè)置、選取訓(xùn)練,其界面如圖2(b)所示。測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)滿足《MT/T 440-2008 礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法》等相關(guān)規(guī)定的要求:①測(cè)點(diǎn)應(yīng)在分風(fēng)點(diǎn)或匯風(fēng)點(diǎn)處選定;② 測(cè)點(diǎn)前(后)3 m內(nèi)井巷應(yīng)支護(hù)良好,且內(nèi)無堆積物等。如測(cè)點(diǎn)布置不合理或錯(cuò)誤,實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)會(huì)有彈出框提示。

2.3.2 記錄表格

數(shù)據(jù)記錄表格界面如圖2(c)所示,主要包含:基點(diǎn)氣壓測(cè)試記錄表、測(cè)點(diǎn)大氣物理參數(shù)測(cè)試記錄表、巷道斷面與風(fēng)量測(cè)試記錄表、通風(fēng)參數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)匯總表,可使實(shí)訓(xùn)者明確參數(shù)測(cè)定過程所需要的各項(xiàng)表格及表格的記錄內(nèi)容等。

2.3.3 人員組成

測(cè)定人員的組成和分工是高效開展通風(fēng)參數(shù)測(cè)定工作的重要內(nèi)容,實(shí)訓(xùn)者可以進(jìn)行人員數(shù)量及分組情況的訓(xùn)練,如圖2(d)所示,以虛擬仿真的人物和動(dòng)畫形式直觀地呈現(xiàn)和展示通風(fēng)參數(shù)測(cè)定時(shí)的虛擬測(cè)定人員及各小組人員分配情況等。

2.4 參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)

參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)模塊中,實(shí)訓(xùn)者將進(jìn)行基點(diǎn)校準(zhǔn)、井底測(cè)定、巷道測(cè)定和礦井負(fù)壓4個(gè)核心測(cè)定內(nèi)容的操作實(shí)訓(xùn)(以氣壓計(jì)基點(diǎn)測(cè)定法為例)。

2.4.1 基點(diǎn)校準(zhǔn)

基點(diǎn)校準(zhǔn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容,如圖3(a)所示。通過虛擬仿真的人物及動(dòng)畫展示基點(diǎn)校準(zhǔn)的實(shí)際操作,并在界面下方文字說明校準(zhǔn)流程,使實(shí)訓(xùn)者明確基點(diǎn)設(shè)置和校準(zhǔn)的全部操作流程。實(shí)踐實(shí)訓(xùn)操作為:在進(jìn)行參數(shù)測(cè)定時(shí)先對(duì)2臺(tái)精密氣壓計(jì)(Ⅰ、Ⅱ)進(jìn)行井上基點(diǎn)校準(zhǔn),確保井口基點(diǎn)氣壓計(jì)Ⅰ和井下沿路線測(cè)量使用氣壓計(jì)Ⅱ同步,并記錄初始讀數(shù)。

圖3 參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)界面Fig.3 Training interfaces of the parameters

2.4.2 井底測(cè)定

井底測(cè)定實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)包括井底測(cè)量的全部實(shí)測(cè)場(chǎng)景訓(xùn)練,主要包括4部分內(nèi)容:壓力測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、溫度測(cè)量和巷道尺寸測(cè)量,實(shí)訓(xùn)者可分別點(diǎn)擊4個(gè)子選項(xiàng)進(jìn)入仿真實(shí)訓(xùn)。

(1)在壓力測(cè)量中,將精密氣壓計(jì)放置在測(cè)點(diǎn)位置的平坦巷道處,待氣壓計(jì)顯示數(shù)值穩(wěn)定后,在相應(yīng)表格中記錄時(shí)間和壓力數(shù)據(jù),如圖3(b)所示。

(2)在風(fēng)速測(cè)量中,針對(duì)同一測(cè)點(diǎn)的相關(guān)巷道,垂直巷道斷面,按“幾”字型行走路徑勻速測(cè)量1min,風(fēng)表開始移動(dòng)時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí),待時(shí)間到達(dá)1min時(shí)停止風(fēng)表計(jì)數(shù)并讀取風(fēng)表風(fēng)速數(shù)值。同時(shí),系統(tǒng)提供的注意事項(xiàng)和操作步驟能夠幫助實(shí)訓(xùn)者更為全面地掌握風(fēng)速測(cè)量原理和方法,如圖3(c)所示。

(3)在溫度測(cè)量實(shí)訓(xùn)中,在同一測(cè)量點(diǎn),垂直巷道斷面,懸掛通風(fēng)干濕表并用蒸餾水潤(rùn)濕濕球溫度計(jì)頭部紗套,自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)下讀取干球、濕球溫度計(jì)讀數(shù)。實(shí)訓(xùn)者可通過鼠標(biāo)滾輪放大界面或通過鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)界面來自己進(jìn)行溫度計(jì)的讀數(shù)訓(xùn)練,如圖3(d)所示。

(4)在巷道尺寸測(cè)量中,在同一測(cè)量點(diǎn),根據(jù)不同巷道斷面形狀,實(shí)訓(xùn)測(cè)量對(duì)應(yīng)巷道尺寸,并計(jì)算巷道周長(zhǎng)和面積,如圖3(e)所示。

2.4.3 巷道測(cè)定

該仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)是沿著測(cè)定路線開展各個(gè)巷道的測(cè)定工作,包括其他布置點(diǎn)位的壓力、風(fēng)速、溫度、巷道尺寸數(shù)據(jù)等,其實(shí)訓(xùn)測(cè)量方法和井底測(cè)定一致,均為壓力測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、溫度測(cè)量和巷道尺寸測(cè)量。

2.4.4 礦井負(fù)壓

礦井負(fù)壓數(shù)值是全礦井通風(fēng)阻力大小的直觀體現(xiàn),設(shè)計(jì)開發(fā)了礦井負(fù)壓測(cè)定場(chǎng)所及測(cè)定內(nèi)容、方法,實(shí)訓(xùn)實(shí)踐過程是在風(fēng)井風(fēng)機(jī)房通過U型壓差計(jì)或壓力讀取裝置讀取礦井負(fù)壓水柱。U型壓差計(jì)讀取方法和原理是其液面高的那一端為低壓端,與礦井風(fēng)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(fù)壓值。實(shí)訓(xùn)者可進(jìn)行測(cè)量接口連接和讀取U型壓差計(jì)數(shù)值實(shí)踐操作,如圖3(f)所示。

2.5 數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行完井下通風(fēng)參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)后,開展數(shù)據(jù)處理仿真實(shí)訓(xùn),主要包括:面積計(jì)算、風(fēng)量計(jì)算、阻力計(jì)算、風(fēng)阻計(jì)算、摩擦阻力系數(shù)計(jì)算、礦井總阻力計(jì)算等,如圖4所示。i、j間的平均風(fēng)量,m3/min。

圖4 數(shù)據(jù)處理實(shí)訓(xùn)界面Fig.4 Training interface of the data processing

(5)總阻力計(jì)算:

式中,hr為井巷總阻力,Pa;hrij為一條通路上所有測(cè)點(diǎn)間的阻力值,Pa。

該仿真實(shí)訓(xùn)中,同時(shí)提供了各項(xiàng)計(jì)算的公式和計(jì)算示例,能夠幫助實(shí)訓(xùn)者在該模塊中通過示例很好地掌握通風(fēng)參數(shù)測(cè)定后的數(shù)據(jù)處理方法。

2.6 網(wǎng)絡(luò)解算

網(wǎng)絡(luò)解算實(shí)訓(xùn)共包括3部分內(nèi)容:網(wǎng)絡(luò)解算介紹、解算流程和解算軟件實(shí)操。該仿真模塊將展示網(wǎng)絡(luò)解算的相關(guān)內(nèi)容,使實(shí)訓(xùn)者對(duì)在通風(fēng)理論學(xué)習(xí)中不熟悉的網(wǎng)絡(luò)解算部分有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解。仿真系統(tǒng)中根據(jù)三維井巷風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、分支風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)特性和自然風(fēng)壓等條件,進(jìn)行全井巷通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算。

2.6.1 網(wǎng)絡(luò)解算介紹

以公式、文字等要素對(duì)網(wǎng)絡(luò)解算的原理和主要方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,使實(shí)訓(xùn)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)解算有初步的認(rèn)識(shí),其界面如圖5(a)所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)解算實(shí)訓(xùn)界面Fig.5 Training interfaces of the network

2.6.2 解算流程

以動(dòng)畫和實(shí)操的形式進(jìn)行整個(gè)解算流程的訓(xùn)練,實(shí)訓(xùn)者錄入相關(guān)測(cè)定數(shù)據(jù)和參數(shù),解算得出各巷道及礦井通風(fēng)阻力結(jié)果,鍛煉實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)里搭載有解算軟件,可實(shí)際進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)解算。

(1)面積計(jì)算:按巷道斷面形狀及實(shí)測(cè)中寬和中高計(jì)算。

(2)風(fēng)量計(jì)算:

式中,Q為井巷風(fēng)量,m3/min;S為井巷面積,m2;v為井巷風(fēng)速,m/min。

(3)阻力計(jì)算:

式中,k'、k″為氣壓計(jì)Ⅰ、Ⅱ的校正系數(shù);hi″、hj″為氣壓計(jì)Ⅱ在測(cè)點(diǎn)i、j的讀數(shù),Pa;hi'、hj'為hi″、hj″對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)氣壓計(jì)Ⅰ的讀數(shù),Pa;zi、zj為測(cè)點(diǎn)i、j的標(biāo)高,m;ρij為測(cè)點(diǎn)i、j間空氣密度的平均值,kg/m3;hvi、hvj為測(cè)點(diǎn)i、j的風(fēng)壓,Pa。

(4)風(fēng)阻計(jì)算:

式中,Rij為測(cè)點(diǎn)i、j間的風(fēng)阻,N·s2/m8;Qij為測(cè)點(diǎn)

3 創(chuàng)新與應(yīng)用

(1)設(shè)計(jì)開發(fā)的礦山通風(fēng)參數(shù)測(cè)定虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定場(chǎng)景和流程借助虛擬仿真技術(shù)手段逼真地呈現(xiàn)出來,構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)所需各種設(shè)備及其操作,實(shí)訓(xùn)者能夠?qū)崟r(shí)、交互地完成全部實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)和實(shí)操過程,實(shí)現(xiàn)了虛擬學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)訓(xùn)2項(xiàng)功能。虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將“學(xué)”與“訓(xùn)”相輔相成,可重復(fù)、安全、環(huán)保、成本低廉地開展通風(fēng)參數(shù)測(cè)定實(shí)訓(xùn)實(shí)踐,使相關(guān)技術(shù)人員不再局限于書本的表面知識(shí),而能將知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合,這對(duì)于提高工程實(shí)踐能力和安全生產(chǎn)十分有利。

(2)該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)已入選中國(guó)礦業(yè)大學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源庫,面向全校進(jìn)行開放教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。已應(yīng)用于安全工程學(xué)院、采礦工程學(xué)院和繼續(xù)教育學(xué)院等相關(guān)本科生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)活動(dòng),累計(jì)承擔(dān)實(shí)訓(xùn)工作量30 000余人時(shí)數(shù),對(duì)專業(yè)實(shí)踐培養(yǎng)起到了良好的支撐作用。同時(shí),該虛擬實(shí)訓(xùn)資源還對(duì)社會(huì)開放共享,為礦山企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員提供學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)操作的機(jī)會(huì),對(duì)通風(fēng)安全類專業(yè)技術(shù)人員的實(shí)訓(xùn)信息化建設(shè)起到了很好的示范引領(lǐng)作用。

4 結(jié) 語

通風(fēng)參數(shù)測(cè)定虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)利用三維仿真動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將通風(fēng)參數(shù)測(cè)定工程實(shí)踐實(shí)訓(xùn)的完整流程與通風(fēng)基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,實(shí)訓(xùn)人員可以通過動(dòng)手操作身臨其境地體驗(yàn)井巷通風(fēng)參數(shù)測(cè)定全流程,使其更加深入地理解和掌握通風(fēng)參數(shù)測(cè)定的相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)測(cè)方法步驟,有效地解決了相關(guān)實(shí)訓(xùn)機(jī)構(gòu)或工程實(shí)踐中心無法真實(shí)地開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的問題。仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)也順應(yīng)了實(shí)訓(xùn)信息化的發(fā)展要求,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)訓(xùn)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行了深度的融合,達(dá)到了交互式實(shí)訓(xùn)以及通風(fēng)專業(yè)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的目的,有利于提高實(shí)訓(xùn)者對(duì)通風(fēng)參數(shù)測(cè)定工程實(shí)踐的訓(xùn)練效果和技能培養(yǎng)。