“生活垃圾焚燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的建設(shè)

韓沐昕，李冬梅，羅海鍵，趙晟鋅

(1.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 熱能工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐教育中心，廣東 深圳 518055)

固體廢物處理與資源化是環(huán)境工程的分支學(xué)科，具有基礎(chǔ)學(xué)科覆蓋面廣、跨度大，知識(shí)點(diǎn)和方法高度交叉的學(xué)科特點(diǎn)[1]。焚燒、填埋、生物處理等為固體廢物專業(yè)方向的專有技術(shù)，是該課程的重點(diǎn)。在生活垃圾處理技術(shù)方面，主流的處理技術(shù)由衛(wèi)生填埋向衛(wèi)生填埋和焚燒發(fā)電并重轉(zhuǎn)化[2]。在“十三五”期末也就是2020 年年底，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力占比要求達(dá)到50%以上，東部地區(qū)占比要求達(dá)到60%以上。為此在2016版本科生培養(yǎng)方案中，結(jié)合《固體廢物處理與資源化》課堂重點(diǎn)講解內(nèi)容，在其實(shí)驗(yàn)課中增加“生活垃圾焚燒實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”[3]。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆過程，以及高成本、高消耗、高污染工程性質(zhì)，采用仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一些組織機(jī)構(gòu)正在開展關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)的研究工作，我國(guó)有一些比較成熟的專業(yè)化例子。比如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的虛擬土壤一作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。它是通過應(yīng)用GPS、GIS、作物3D數(shù)字化技術(shù)和其他數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤水分、養(yǎng)分、鹽分等與作物生長(zhǎng)的相互關(guān)系的定量化研究，建立土壤一作物系統(tǒng)；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)最新研制出我國(guó)第一套虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件“幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)”；浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)，以Vrml和Java技術(shù)結(jié)合開發(fā)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用Gambit、Fluent、Tecplot 及Origin 軟件自主開發(fā)的“火電站鍋爐燃燒特性虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，在能源和環(huán)境學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[5]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本仿真實(shí)驗(yàn)由焚燒設(shè)備3D模擬系統(tǒng)、焚燒工藝系統(tǒng)、生活垃圾焚燒仿真計(jì)算系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)考評(píng)系統(tǒng)四部分組成。通過三維技術(shù)展示設(shè)備結(jié)構(gòu)，模擬設(shè)備運(yùn)行。使學(xué)生快速了解焚燒設(shè)備結(jié)構(gòu)和掌握設(shè)備運(yùn)行規(guī)律；通過焚燒工藝系統(tǒng)了解焚燒系統(tǒng)組成和工作原理；通過生活垃圾焚燒仿真計(jì)算系統(tǒng)，掌握不同工藝參數(shù)對(duì)垃圾焚燒效果的影響；通過實(shí)驗(yàn)考評(píng)系統(tǒng)，真正做到對(duì)學(xué)生在該領(lǐng)域內(nèi)的事件認(rèn)知水平的過程評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

2 生活垃圾焚燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括生活垃圾不同成分的控制模擬，焚燒爐的操作模擬和計(jì)算模擬等模塊，可以通過交互操作，簡(jiǎn)便地模擬不同組成的生活垃圾、不同溫度下，焚燒爐內(nèi)氣固的接觸狀況，熱量利用效率等過程，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的傳質(zhì)模型對(duì)不同操作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，顯示各種工況下，垃圾焚燒的熱能利用效率和尾氣成分分析。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)流程

參考目前虛擬實(shí)驗(yàn)的主流技術(shù)和垃圾焚燒模擬的計(jì)算算法[6-8]，本實(shí)驗(yàn)采用Unity 3D作為3D引擎，采用C#語言并通過Visual Studio工具進(jìn)行程序開發(fā)。通過SVN，Microsoft Project等工具進(jìn)行程序版本控制和項(xiàng)目管理。通過Maya，3D Max等工具制作仿真資源(模型，貼圖，動(dòng)畫)。

2.2 3D模型的建立

3D引擎在Windows平臺(tái)下通過DirectX技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D渲染。通過骨骼動(dòng)畫、關(guān)鍵幀和序列幀動(dòng)畫制作3D動(dòng)畫，如圖1所示。通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(實(shí)時(shí)陰影，光照貼圖，凹凸貼圖等)和計(jì)算幾何學(xué)(碰撞檢測(cè)、射線檢測(cè)、剛體、流體模擬等)等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象仿真。通過后臺(tái)模塊化模型的搭建和鏈接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真。通過VR，AR和動(dòng)作捕捉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)虛擬化變現(xiàn)和交互性。

圖1 3D場(chǎng)景

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中漫游和情景再現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方法

搭建出獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)仿DCS與3D場(chǎng)景的實(shí)時(shí)通訊，即：學(xué)生在操作仿DCS界面的儀表、閥門等，在三維場(chǎng)景中也可讀取到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)變化，在三維場(chǎng)景中進(jìn)行啟停動(dòng)力設(shè)備的操作、閥門的開關(guān)等，在仿DCS界面中也可以讀取到相應(yīng)的操作動(dòng)態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，實(shí)現(xiàn)真正的仿真工廠的操作模擬。同時(shí)嵌入了相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生在開始實(shí)驗(yàn)操作前，可先進(jìn)入場(chǎng)景學(xué)習(xí)相應(yīng)的廠區(qū)、設(shè)備、生產(chǎn)工藝等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)裝置有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。另外，系統(tǒng)具有全景地圖功能，地圖上可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前人物的位置，并標(biāo)注出主要設(shè)備所在區(qū)域，三維場(chǎng)景中配有搜索功能，可輸入具體的閥門位號(hào)或者設(shè)備名稱等進(jìn)行精確搜索，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕后可傳送至對(duì)應(yīng)的設(shè)備處，便于使用者學(xué)習(xí)查找相應(yīng)的設(shè)備。軟件具有飛行模式，在該模式下，使用者可以第一人稱視角的狀態(tài)下，不受空間的限制，可在廠區(qū)內(nèi)自由移動(dòng)，查看廠區(qū)的各個(gè)部分以及管道走向等。同時(shí)，在三維場(chǎng)景中還配置了軟件的幫助文檔與設(shè)備列表，便于快速入門三維軟件的使用。

2.4 垃圾焚燒仿真計(jì)算模擬

垃圾焚燒仿真計(jì)算模擬是基于有限體積法對(duì)垃圾的焚燒過程進(jìn)行計(jì)算模擬[9]，通過變換垃圾燃燒參數(shù)，從而計(jì)算出不同情況下煙氣成分、溫度、濃度的分布情況，如圖2所示。該仿真模擬是一個(gè)瞬態(tài)的計(jì)算過程，從開始垃圾焚燒時(shí)刻計(jì)算至垃圾全部燒盡，并且煙氣全部排出焚燒爐。后期的數(shù)據(jù)包含了數(shù)值(圖3)、矢量和云圖(圖4)等關(guān)于產(chǎn)生的煙氣和燃燒爐內(nèi)溫度的一系列指標(biāo)。該仿真模擬能夠讓參加仿真實(shí)驗(yàn)人員更加直觀的感受垃圾焚燒的過程，通過人機(jī)互動(dòng)的方式，掌握不同垃圾焚燒情況下焚燒爐內(nèi)各種計(jì)算指標(biāo)的變化情況。

圖2 垃圾焚燒簡(jiǎn)化模型

圖3 模擬計(jì)算煙氣數(shù)值

圖4 計(jì)算煙氣矢量云圖

FDS5和Matlab 2010是垃圾焚燒仿真計(jì)算模擬的軟件，通過Matlab進(jìn)行一定的參數(shù)代碼生成工作，并結(jié)合FDS自身的命令，生成可供FDS計(jì)算的輸入文件，然后通過調(diào)用FDS程序，生成*.smv的結(jié)果文件，該文件能夠被FDS軟件中的Smokeview打開，通過調(diào)整顯示結(jié)果，查看各種希望關(guān)注的數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作中只需要輸入垃圾化學(xué)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒仿真模擬的過程，在最后的操作平臺(tái)集成中采用C++或Python語言進(jìn)行計(jì)算文件編程。

3 實(shí)施過程和效果

依托哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)家級(jí)市政環(huán)境虛擬仿真教學(xué)中心，通過先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在教學(xué)中直觀生動(dòng)地展示生活垃圾物料組成、仿真正常運(yùn)行工況下的垃圾焚燒的傳質(zhì)與熱力特性；三維可視化顯示復(fù)雜的焚燒設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造及工藝流程，為學(xué)生更深入地理解課程內(nèi)容提供了十分重要的教學(xué)輔助手段。

4 結(jié)語

針對(duì)生活垃圾焚燒具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合學(xué)科特色，我們建立數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型庫(kù)，開發(fā)仿真平臺(tái)軟件：

(1)逼真地演示實(shí)驗(yàn)過程、焚燒爐設(shè)備構(gòu)造等細(xì)節(jié)、介紹焚燒、熱能利用及不同物料成分和焚燒工況的優(yōu)缺點(diǎn)。

(2)使學(xué)生直觀、完整的了解垃圾焚燒和模擬計(jì)算尾氣成分的完整流程。

(3)開發(fā)和建立基于互聯(lián)網(wǎng)、海量數(shù)據(jù)庫(kù)的開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻、數(shù)值仿真、可視化實(shí)驗(yàn)仿真軟件系統(tǒng)平臺(tái)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)客戶機(jī)與服務(wù)器模式，學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)分析、模擬預(yù)測(cè)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在2019年春季學(xué)期“固體廢物處理與資源化”實(shí)驗(yàn)課程開出，還有一些需要補(bǔ)充和改進(jìn)，學(xué)校和學(xué)院將繼續(xù)對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目投入資金進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)一校三區(qū)學(xué)生共享的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系提供支撐。