本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，人們一直致力于圖形和視覺領(lǐng)域的研發(fā)，試圖利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景，從而解決現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中難以用實(shí)際的方法來解決的問題。教學(xué)實(shí)驗(yàn)作為常用的教學(xué)方式之一，在各教學(xué)和科研領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但是由于各實(shí)驗(yàn)條件的復(fù)雜性和試驗(yàn)環(huán)境的安全因素使得很多實(shí)驗(yàn)無法順利展開。

利用計(jì)算機(jī)生成各種三維模型來模擬現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境和工作設(shè)備，對各種實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行仿真，重建現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的三維物體和設(shè)備是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的很重要的一個(gè)研究方向，正是由于這種計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诒容^安全、穩(wěn)定的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行。通過對現(xiàn)實(shí)場景的測量和觀察，對現(xiàn)場基本數(shù)據(jù)的收集和整理，采用虛擬仿真技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)操作達(dá)到仿真的效果。這種技術(shù)克服了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的局限性，滿足了目前高校教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)的要求，使學(xué)生能夠在比較真實(shí)的操作環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作水平方面的鍛煉，使企業(yè)員工的工作能力和素質(zhì)得以提升。

煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)是一種快速的、帶有化學(xué)反應(yīng)的、并受眾多因素影響的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入研究煤粉的爆炸特性對于防止煤粉的爆炸、制定相應(yīng)的預(yù)防措施具有非常重要的意義。但是，考慮到現(xiàn)實(shí)狀況中煤粉爆炸過程的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，對于該實(shí)驗(yàn)的開展和研究仍然存在很多的限制。因此，有必要提供一種虛擬實(shí)驗(yàn)場景建模方法，實(shí)現(xiàn)煤粉爆炸的模擬，以減少現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法，用以解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法具有危險(xiǎn)性，且容易造成材料浪費(fèi)的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

提供了一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法，包括下列步驟：

步驟S1.采集現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

步驟S2.基于采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型；

步驟S3.基于虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型，針對實(shí)驗(yàn)操作步驟建立實(shí)驗(yàn)操作模型；

步驟S4.結(jié)合3D場景模型、實(shí)驗(yàn)操作模型、數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊、實(shí)驗(yàn)考核模塊得到煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)的3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

步驟S5.運(yùn)行3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過輸入輸出設(shè)備、基于人機(jī)交互界面進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，并觀察和記錄虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

其中，步驟S3中，實(shí)驗(yàn)操作模型包括以下步驟內(nèi)容及順序：

選擇煤粉樣品；

將煤粉樣品設(shè)置在一溫度條件下烘干；

將烘干后的樣品放入粉碎機(jī)里粉碎；

稱取粉碎后的樣品，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)移至試樣管中；

將試樣管放置于煤粉爆炸儀中；

啟動(dòng)煤粉爆炸儀；

將煤粉爆炸儀升溫，對煤粉樣品進(jìn)行爆炸性能檢測，并記錄實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)和圖片，所述實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)包括煤粉爆炸火焰長度；

重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取煤粉爆炸火焰長度的平均值，并評價(jià)煤粉樣品的爆炸性能；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行清理；

上述實(shí)驗(yàn)操作模型中的操作對象是3D場景模型中的要素。

步驟S4中，進(jìn)一步包括：將建好的虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)操作模型，建立實(shí)驗(yàn)操作模型在3D場景模型中的可視化效果和邏輯控制；再加入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊、實(shí)驗(yàn)考核模塊、數(shù)據(jù)庫，得到3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

上述可視化效果包括：對操作項(xiàng)進(jìn)行高亮顯示、煤粉火焰顯示、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示的可視化效果是基于采集的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行編輯、渲染的。

上述邏輯控制是3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膶?shí)驗(yàn)操作模型與3D場景模型要素之間的調(diào)用和控制交互，進(jìn)一步包括：實(shí)驗(yàn)操作模型調(diào)用3D場景模型中的要素，進(jìn)行參數(shù)輸入控制、點(diǎn)擊控制，3D場景模型給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程反饋和實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

優(yōu)選地，還包括對建立的3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行調(diào)試。

優(yōu)選地，所述輸入輸出設(shè)備包括體感設(shè)備、顯示設(shè)備。

優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊是用戶通過輸入輸出設(shè)備進(jìn)入3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶摂M實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)；所述實(shí)驗(yàn)考核模塊用于進(jìn)行學(xué)習(xí)效果考評，通過輸入輸出設(shè)備進(jìn)入3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶摂M實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考評，進(jìn)一步的將用戶實(shí)驗(yàn)操作與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行比較，并得出實(shí)驗(yàn)考評分?jǐn)?shù)。

本發(fā)明有益效果如下：本發(fā)明公開的一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法，通過煤粉爆炸虛擬實(shí)驗(yàn)建模，使操作者體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過程，深入的了解實(shí)驗(yàn)原理和工藝方法，并能對操作者的操作水平進(jìn)行考評，可以有效防止實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本；還能夠避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程中產(chǎn)生有毒、有害氣體和液體，減少環(huán)境污染和對操作者造成的傷害。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法的流程圖；

圖2為煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)各模型、模塊之間的關(guān)系圖；

圖3為3D場景模型的示意圖之一；

圖4為3D場景模型的示意圖之一；

圖5為3D場景模型的示意圖之一。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，公開了一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法，如圖1，具體包括以下步驟：

步驟S1.采集現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

其中，所述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的觀測，具體包括對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場中實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的精確測量，得到多組真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測量的對象包括不同煤粉樣品的火焰長度數(shù)據(jù)。所述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象包括通過相機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的煤粉爆炸現(xiàn)象的圖片和視頻。

步驟S2.基于上一步采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型。

所述建立虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型具體包括：對實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行場景建模，并繪制材質(zhì)和紋理。3D場景模型的示例圖如圖3～5。

步驟S3.基于虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型，對實(shí)驗(yàn)操作步驟進(jìn)行編碼，得到實(shí)驗(yàn)操作模型。其中，實(shí)驗(yàn)操作模型中包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作步驟的參數(shù)設(shè)置和步驟順序保存在數(shù)據(jù)庫中。

3D場景模型中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)操作模型中體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)操作模型中虛擬實(shí)驗(yàn)的操作對象是3D場景模型中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，虛擬實(shí)驗(yàn)的操作結(jié)果是3D場景模型中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境具體由3D場景模型中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境來表達(dá)。

煤粉爆炸的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

1.選擇一種或兩種的煤粉樣品，將其放入80℃干燥箱中進(jìn)行烘干120min；

2.將干燥好的的煤粉樣品取出，并放入密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎至200目以下；

3.稱取一定量粉碎后的煤粉樣品，用藥匙通過漏斗轉(zhuǎn)移至試樣管中，然后將試樣管放置于長管式煤粉爆炸儀中；

4.啟動(dòng)煤樣爆炸儀，將煤粉爆炸儀的溫度上升至1050℃，觀察煤粉爆炸現(xiàn)象；

5.記錄煤粉爆炸火焰長度，重復(fù)試驗(yàn)三次，取平均值并評價(jià)煤粉樣品的爆炸性能；

6.完成實(shí)驗(yàn)后，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)噴吹和手動(dòng)除塵。

其中，所述評價(jià)煤粉樣品的爆炸性能，是以火焰返回的長度作為爆炸性強(qiáng)弱的標(biāo)志。本實(shí)施例中，在火焰處出現(xiàn)<5mm的火星或者無火星屬于無爆炸性煤；返回火焰長度≥5mm且≤400mm的為易燃并具有爆炸性的煤；返回火焰長度>400mm的為強(qiáng)爆炸性的煤，通過這種判別標(biāo)準(zhǔn)來確定煤粉樣品的爆炸性能。

實(shí)驗(yàn)操作模型中實(shí)驗(yàn)步驟的編碼包括如下幾個(gè)部分及順序：

選擇一煤粉樣品；

將煤粉樣品設(shè)置在一定溫度條件下進(jìn)行烘干(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中，設(shè)置在80℃條件下保溫烘干120min)；

將烘干后的樣品放入粉碎機(jī)里粉碎一定時(shí)間、達(dá)到一定的粉碎狀態(tài)(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中設(shè)置粉碎60s，粉碎至200目以下)；

稱取一定重量的粉碎后的樣品(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中設(shè)置稱取1g樣品)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)移至試樣管中(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中采用藥匙通過漏斗轉(zhuǎn)移至試樣管中)；

將試樣管放置于煤粉爆炸儀中；

啟動(dòng)煤粉爆炸儀；

將煤粉爆炸儀升溫到一定溫度(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中升溫到1050℃)，對煤粉樣品進(jìn)行爆炸性能檢測，并記錄實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)和圖片，所述實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)包括煤粉爆炸火焰長度；

重復(fù)實(shí)驗(yàn)至少3次，取煤粉爆炸火焰長度的平均值，并評價(jià)煤粉樣品的爆炸性能；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行清理(標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作中對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)噴吹和手動(dòng)除塵)。

優(yōu)選的，重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，取6次煤粉爆炸虛擬實(shí)驗(yàn)得到的火焰長度的平均值。

實(shí)驗(yàn)操作模型包括上述步驟，并將標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作的流程和參數(shù)設(shè)置存儲在數(shù)據(jù)庫中。

步驟S4.結(jié)合3D場景模型、實(shí)驗(yàn)操作模型、數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊、實(shí)驗(yàn)考核模塊得到煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)的3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

具體地，將建好的虛擬實(shí)驗(yàn)的3D場景模型導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)操作模型，建立實(shí)驗(yàn)操作模型在3D場景模型中的可視化效果和邏輯控制；再加入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊、實(shí)驗(yàn)考核模塊、數(shù)據(jù)庫，得到3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。各模塊和模型之間的引用和調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

上述可視化效果包括：對操作項(xiàng)進(jìn)行高亮顯示、煤粉火焰顯示、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示的可視化效果是基于采集的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行編輯、渲染的。

上述邏輯控制是指3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械膶?shí)驗(yàn)操作模型與3D場景模型要素之間的調(diào)用和控制等交互，包括：實(shí)驗(yàn)操作模型調(diào)用3D場景模型中的要素，進(jìn)行參數(shù)輸入控制、點(diǎn)擊控制，3D場景模型給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程反饋和實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

其中，用戶通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程學(xué)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)考核模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核。學(xué)習(xí)和考核的對象是實(shí)驗(yàn)操作模型中的實(shí)驗(yàn)操作過程。數(shù)據(jù)庫用于存儲各模型要素、用戶操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和考評結(jié)果。

優(yōu)選的，對建立的3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的內(nèi)容包括：對程序的bug進(jìn)行修改，對界面的顯示結(jié)果進(jìn)行修改，對攝像機(jī)鏡頭角度進(jìn)行調(diào)整，對考核扣分項(xiàng)及扣分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改等。經(jīng)過上述調(diào)試，能使虛擬實(shí)驗(yàn)在表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)顯示等方面更加真實(shí)的模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

步驟S5.在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^輸入輸出設(shè)備、基于3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械娜藱C(jī)交互界面進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，觀察和記錄虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，輸入輸出設(shè)備包括體感設(shè)備、顯示設(shè)備等。

采用體感設(shè)備時(shí)，將體感設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)主機(jī)上，通過體感設(shè)備的感應(yīng)器，接收到用戶的動(dòng)作或語音信息，并完成信號的轉(zhuǎn)換。體感設(shè)備包括但不限于：穿戴式手套、手柄，手持式控制器，紅外線傳感器等。

顯示設(shè)備可以是頭戴式顯示器，也可以是非頭戴顯示器。頭戴顯示器為通過各種頭戴式顯示設(shè)備，向眼睛發(fā)送光學(xué)信號，通過感應(yīng)人們眼部活動(dòng)，接受指令，再呈現(xiàn)圖像。包括但不限于：iPhone虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器、微軟Kinect、Oculus Rift、三星Gear VR、微軟HoloLens、VR Motion Contorller、Virglass、索尼HMZ系列、暴風(fēng)魔鏡、Google Cardboard等。

非頭戴顯示器是指不需佩戴在頭部的顯示設(shè)備，包括但不限于顯示屏、投影儀等。

優(yōu)選的，用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊，通過輸入輸出設(shè)備進(jìn)入3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶摂M實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。

優(yōu)選的，用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)考核模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)效果考評，通過輸入輸出設(shè)備進(jìn)入3D仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶摂M實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考評。具體是將用戶實(shí)驗(yàn)操作與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行比較，并得出實(shí)驗(yàn)考評分?jǐn)?shù)。

上述用戶的所有操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和考核結(jié)果都記錄在數(shù)據(jù)庫。所述數(shù)據(jù)庫可以在服務(wù)器/計(jì)算機(jī)中，也可以是網(wǎng)站平臺數(shù)據(jù)庫，在內(nèi)部網(wǎng)站上可以查詢用戶的成績，方便工作人員管理。

本發(fā)明的實(shí)施例，建模采用的是制作和編輯三維場景模型的軟件，包含但不限于3DMAX、Maya、CAD、Unity、illustrator、Photoshop、RealFlow、Adobe Premiere、After Effects等。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種煤粉爆炸的仿真實(shí)驗(yàn)方法，通過煤粉爆炸虛擬實(shí)驗(yàn)建模，能夠使操作者體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過程，深入的了解實(shí)驗(yàn)原理和工藝方法，并對操作者的操作水平進(jìn)行考評；并允許操作者根據(jù)個(gè)人的理解程度和需求，進(jìn)行重復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)練習(xí)與操作，有效防止實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)，節(jié)約成本；還能夠避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程中產(chǎn)生有毒、有害氣體和液體，減少環(huán)境污染和對操作者造成的傷害。通過仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苌钊胙芯棵悍鄣谋ㄌ匦裕軠p少真實(shí)煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)過程的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，并對于防止煤粉的爆炸、制定相應(yīng)的預(yù)防措施具有重要的意義。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法的全部或部分流程，可以通過計(jì)算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中。其中，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)為磁盤、光盤、只讀存儲記憶體或隨機(jī)存儲記憶體等。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。