一种煤粉爆炸的仿真实验方法与流程

本发明涉及计算机虚拟现实技术领域，尤其涉及一种煤粉爆炸的仿真实验方法。

背景技术：

在计算机科学领域，人们一直致力于图形和视觉领域的研发，试图利用计算机技术来再现现实场景，从而解决现实生活当中难以用实际的方法来解决的问题。教学实验作为常用的教学方式之一，在各教学和科研领域应用比较广泛，但是由于各实验条件的复杂性和试验环境的安全因素使得很多实验无法顺利展开。

利用计算机生成各种三维模型来模拟现实工作环境和工作设备，对各种实验操作进行仿真，重建现实当中的三维物体和设备是计算机科学中的很重要的一个研究方向，正是由于这种计算机技术的发展，使得各种科学实验能够在比较安全、稳定的环境当中进行。通过对现实场景的测量和观察，对现场基本数据的收集和整理，采用虚拟仿真技术，使实验操作达到仿真的效果。这种技术克服了现实实验条件的局限性，满足了目前高校教学和企业培训的要求，使学生能够在比较真实的操作环境中进行实践操作水平方面的锻炼，使企业员工的工作能力和素质得以提升。

煤粉爆炸实验是一种快速的、带有化学反应的、并受众多因素影响的化学实验，深入研究煤粉的爆炸特性对于防止煤粉的爆炸、制定相应的预防措施具有非常重要的意义。但是，考虑到现实状况中煤粉爆炸过程的复杂性和危险性，对于该实验的开展和研究仍然存在很多的限制。因此，有必要提供一种虚拟实验场景建模方法，实现煤粉爆炸的模拟，以减少现实实验的危险性。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种煤粉爆炸的仿真实验方法，用以解决现有实验方法具有危险性，且容易造成材料浪费的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供了一种煤粉爆炸的仿真实验方法，包括下列步骤：

步骤S1.采集现场实验数据和实验现象；

步骤S2.基于采集的实验数据和实验现象，建立虚拟实验的3D场景模型；

步骤S3.基于虚拟实验的3D场景模型，针对实验操作步骤建立实验操作模型；

步骤S4.结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到煤粉爆炸实验的3D仿真实验模型；

步骤S5.运行3D仿真实验模型，通过输入输出设备、基于人机交互界面进行虚拟实验操作，并观察和记录虚拟实验结果。

其中，步骤S3中，实验操作模型包括以下步骤内容及顺序：

选择煤粉样品；

将煤粉样品设置在一温度条件下烘干；

将烘干后的样品放入粉碎机里粉碎；

称取粉碎后的样品，通过实验设备转移至试样管中；

将试样管放置于煤粉爆炸仪中；

启动煤粉爆炸仪；

将煤粉爆炸仪升温，对煤粉样品进行爆炸性能检测，并记录实验检测数据和图片，所述实验检测数据包括煤粉爆炸火焰长度；

重复实验，取煤粉爆炸火焰长度的平均值，并评价煤粉样品的爆炸性能；

实验结束后，对实验设备进行清理；

上述实验操作模型中的操作对象是3D场景模型中的要素。

步骤S4中，进一步包括：将建好的虚拟实验的3D场景模型导入实验操作模型，建立实验操作模型在3D场景模型中的可视化效果和逻辑控制；再加入实验学习模块、实验考核模块、数据库，得到3D仿真实验模型。

上述可视化效果包括：对操作项进行高亮显示、煤粉火焰显示、实验结果展示。

优选地，所述实验结果展示的可视化效果是基于采集的实验现象进行编辑、渲染的。

上述逻辑控制是3D仿真实验模型中的实验操作模型与3D场景模型要素之间的调用和控制交互，进一步包括：实验操作模型调用3D场景模型中的要素，进行参数输入控制、点击控制，3D场景模型给出相应的实验过程反馈和实验结果展示。

优选地，还包括对建立的3D仿真实验模型进行调试。

优选地，所述输入输出设备包括体感设备、显示设备。

优选地，所述实验学习模块是用户通过输入输出设备进入3D仿真实验模型的虚拟实验场景进行实验操作练习；所述实验考核模块用于进行学习效果考评，通过输入输出设备进入3D仿真实验模型的虚拟实验场景进行实验考评，进一步的将用户实验操作与标准实验操作进行比较，并得出实验考评分数。

本发明有益效果如下：本发明公开的一种煤粉爆炸的仿真实验方法，通过煤粉爆炸虚拟实验建模，使操作者体验实验操作过程，深入的了解实验原理和工艺方法，并能对操作者的操作水平进行考评，可以有效防止实验材料的浪费，节约成本；还能够避免真实实验操作过程中产生有毒、有害气体和液体，减少环境污染和对操作者造成的伤害。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为煤粉爆炸的仿真实验方法的流程图；

图2为煤粉爆炸的仿真实验各模型、模块之间的关系图；

图3为3D场景模型的示意图之一；

图4为3D场景模型的示意图之一；

图5为3D场景模型的示意图之一。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种煤粉爆炸的仿真实验方法，如图1，具体包括以下步骤：

步骤S1.采集现场实验数据和实验现象。

其中，所述实验数据来源于实验现场的观测，具体包括对实验现场中实验操作和实现现象的精确测量，得到多组真实实验数据。测量的对象包括不同煤粉样品的火焰长度数据。所述实验现象包括通过相机拍摄实验现场的煤粉爆炸现象的图片和视频。

步骤S2.基于上一步采集的实验数据和实验现象，建立虚拟实验的3D场景模型。

所述建立虚拟实验的3D场景模型具体包括：对实验环境、实验设备、实验结果进行场景建模，并绘制材质和纹理。3D场景模型的示例图如图3～5。

步骤S3.基于虚拟实验的3D场景模型，对实验操作步骤进行编码，得到实验操作模型。其中，实验操作模型中包括人机交互界面的设计。标准实验操作步骤的参数设置和步骤顺序保存在数据库中。

3D场景模型中的实验环境、实验设备、实验结果在实验操作模型中体现。实验操作模型中虚拟实验的操作对象是3D场景模型中的实验设备，虚拟实验的操作结果是3D场景模型中实验结果，虚拟实验的环境具体由3D场景模型中的实验环境来表达。

煤粉爆炸的标准实验操作步骤如下：

1.选择一种或两种的煤粉样品，将其放入80℃干燥箱中进行烘干120min；

2.将干燥好的的煤粉样品取出，并放入密封式化验制样粉碎机中进行粉碎至200目以下；

3.称取一定量粉碎后的煤粉样品，用药匙通过漏斗转移至试样管中，然后将试样管放置于长管式煤粉爆炸仪中；

4.启动煤样爆炸仪，将煤粉爆炸仪的温度上升至1050℃，观察煤粉爆炸现象；

5.记录煤粉爆炸火焰长度，重复试验三次，取平均值并评价煤粉样品的爆炸性能；

6.完成实验后，对实验设备进行手动喷吹和手动除尘。

其中，所述评价煤粉样品的爆炸性能，是以火焰返回的长度作为爆炸性强弱的标志。本实施例中，在火焰处出现<5mm的火星或者无火星属于无爆炸性煤；返回火焰长度≥5mm且≤400mm的为易燃并具有爆炸性的煤；返回火焰长度>400mm的为强爆炸性的煤，通过这种判别标准来确定煤粉样品的爆炸性能。

实验操作模型中实验步骤的编码包括如下几个部分及顺序：

选择一煤粉样品；

将煤粉样品设置在一定温度条件下进行烘干(标准实验操作中，设置在80℃条件下保温烘干120min)；

将烘干后的样品放入粉碎机里粉碎一定时间、达到一定的粉碎状态(标准实验操作中设置粉碎60s，粉碎至200目以下)；

称取一定重量的粉碎后的样品(标准实验操作中设置称取1g样品)，通过实验设备转移至试样管中(标准实验操作中采用药匙通过漏斗转移至试样管中)；

将试样管放置于煤粉爆炸仪中；

启动煤粉爆炸仪；

将煤粉爆炸仪升温到一定温度(标准实验操作中升温到1050℃)，对煤粉样品进行爆炸性能检测，并记录实验检测数据和图片，所述实验检测数据包括煤粉爆炸火焰长度；

重复实验至少3次，取煤粉爆炸火焰长度的平均值，并评价煤粉样品的爆炸性能；

实验结束后，对实验设备进行清理(标准实验操作中对实验设备进行手动喷吹和手动除尘)。

优选的，重复实验6次，取6次煤粉爆炸虚拟实验得到的火焰长度的平均值。

实验操作模型包括上述步骤，并将标准实验操作的流程和参数设置存储在数据库中。

步骤S4.结合3D场景模型、实验操作模型、数据库、实验学习模块、实验考核模块得到煤粉爆炸实验的3D仿真实验模型。

具体地，将建好的虚拟实验的3D场景模型导入实验操作模型，建立实验操作模型在3D场景模型中的可视化效果和逻辑控制；再加入实验学习模块、实验考核模块、数据库，得到3D仿真实验模型。各模块和模型之间的引用和调用关系如图2所示。

上述可视化效果包括：对操作项进行高亮显示、煤粉火焰显示、实验结果展示等。实验结果展示的可视化效果是基于采集的实验现象进行编辑、渲染的。

上述逻辑控制是指3D仿真实验模型中的实验操作模型与3D场景模型要素之间的调用和控制等交互，包括：实验操作模型调用3D场景模型中的要素，进行参数输入控制、点击控制，3D场景模型给出相应的实验过程反馈和实验结果展示。

其中，用户通过实验学习模块进行实验过程学习，通过实验考核模块进行实验考核。学习和考核的对象是实验操作模型中的实验操作过程。数据库用于存储各模型要素、用户操作、实验结果和考评结果。

优选的，对建立的3D仿真实验模型进行调试，调试的内容包括：对程序的bug进行修改，对界面的显示结果进行修改，对摄像机镜头角度进行调整，对考核扣分项及扣分标准进行修改等。经过上述调试，能使虚拟实验在表现形式，数据显示等方面更加真实的模拟真实实验。

步骤S5.在计算机上运行3D仿真实验模型，通过输入输出设备、基于3D仿真实验模型中的人机交互界面进行虚拟实验操作，观察和记录虚拟实验结果。其中，输入输出设备包括体感设备、显示设备等。

采用体感设备时，将体感设备连接到计算机主机上，通过体感设备的感应器，接收到用户的动作或语音信息，并完成信号的转换。体感设备包括但不限于：穿戴式手套、手柄，手持式控制器，红外线传感器等。

显示设备可以是头戴式显示器，也可以是非头戴显示器。头戴显示器为通过各种头戴式显示设备，向眼睛发送光学信号，通过感应人们眼部活动，接受指令，再呈现图像。包括但不限于：iPhone虚拟现实显示器、微软Kinect、Oculus Rift、三星Gear VR、微软HoloLens、VR Motion Contorller、Virglass、索尼HMZ系列、暴风魔镜、Google Cardboard等。

非头戴显示器是指不需佩戴在头部的显示设备，包括但不限于显示屏、投影仪等。

优选的，用户进入实验学习模块，通过输入输出设备进入3D仿真实验模型的虚拟实验场景进行实验操作练习。

优选的，用户进入实验考核模块进行学习效果考评，通过输入输出设备进入3D仿真实验模型的虚拟实验场景进行实验考评。具体是将用户实验操作与标准实验操作进行比较，并得出实验考评分数。

上述用户的所有操作、实验数据和考核结果都记录在数据库。所述数据库可以在服务器/计算机中，也可以是网站平台数据库，在内部网站上可以查询用户的成绩，方便工作人员管理。

本发明的实施例，建模采用的是制作和编辑三维场景模型的软件，包含但不限于3DMAX、Maya、CAD、Unity、illustrator、Photoshop、RealFlow、Adobe Premiere、After Effects等。

综上所述，本发明实施例提供了一种煤粉爆炸的仿真实验方法，通过煤粉爆炸虚拟实验建模，能够使操作者体验实验操作过程，深入的了解实验原理和工艺方法，并对操作者的操作水平进行考评；并允许操作者根据个人的理解程度和需求，进行重复多次的实验练习与操作，有效防止实验材料的浪费，节约成本；还能够避免真实实验操作过程中产生有毒、有害气体和液体，减少环境污染和对操作者造成的伤害。通过仿真实验能深入研究煤粉的爆炸特性，能减少真实煤粉爆炸实验过程的复杂性和危险性，并对于防止煤粉的爆炸、制定相应的预防措施具有重要的意义。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。