立井井筒動態(tài)監(jiān)測軟件的設計與實現(xiàn)

顧海榮， 張雅倩， 葉 敏， 蘇燕芹， 郭項偉

（長安大學公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，西安710064）

0 引 言

采礦事故的頻繁發(fā)生造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡［1］。鉆孔救援是近年來出現(xiàn)的一種新型快速救援方式，通過地面大直徑鉆孔，配合提升裝備實現(xiàn)被困人員的快速救援［2］。由于救援提升過程大多是在裝有套管的井筒內進行，套管在地層壓力等因素的作用下可能會發(fā)生變形破壞，對救援工作造成不利影響。

現(xiàn)有的井筒變形監(jiān)測技術多數(shù)局限于對局部變形的監(jiān)測。常見的監(jiān)測方法是在垂直方向設置基準，然后測量不同深度井筒與基準距離，對井筒變形情況進行分析。郭同江等［3］在井筒內部罐籠的灌道外側懸掛4 根鋼絲，選擇成對角狀態(tài)的2 根鋼絲與井筒交點作為監(jiān)測點，測量不同深度監(jiān)測點至鋼絲的距離，獲取不同深度中心坐標，完成井筒變形監(jiān)測。劉尚國等［4］針對井筒深度過大的情況，提出長距離情況下激光作為基準的監(jiān)測方法，達到減小誤差的效果。這些方法可以有效監(jiān)測井筒局部變形，但是對井筒的變形監(jiān)測局限于部分深度，監(jiān)測范圍覆蓋不全面。在救援過程中，救援設備在井筒內上下移動，增加了井筒變形監(jiān)測的難度。

房華光［5］從變形監(jiān)測點位置的布設等角度進行分析變形情況，并以MATLAB為編程環(huán)境構建井筒模型。段友祥等［6］在模型基礎上對其進行光滑處理并對井壁加以渲染，很好地實現(xiàn)立體效果。蔣必辭等［7］采用坐標旋轉法構建了井壁外殼。本文提出了井筒變形動態(tài)監(jiān)測試驗方案以及基于Windows窗體應用程序和OpenGL類庫（SharpGL）的軟件實現(xiàn)方案，最終通過LabVIEW調用界面完成了井筒變形動態(tài)監(jiān)測軟件設計，實時顯示井筒變形情況。

1 立井井筒動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 井筒變形動態(tài)監(jiān)測試驗方案

搭建實驗平臺模擬礦井環(huán)境，采用非接觸式井徑測量裝置模擬救生艙，電動機帶動控制測量裝置上下移動。將6 個激光位移傳感器呈60°均勻布置在井徑測量裝置水平面上，保證傳感器的測量射線共面且射線反向延長線相交于一點。在測量裝置上下移動過程中，使用激光位移傳感器采集傳感器到井壁的距離數(shù)據(jù)，將采集的距離數(shù)據(jù)轉化為電信號后傳輸至模數(shù)轉換模塊，模數(shù)轉換模塊將電信號轉化為數(shù)字信號后經(jīng)信號傳輸通道傳送至上位機用于處理及顯示。

6個激光位移傳感器在井壁上形成6 個光點，每3個光點構造1 個以井壁為外接圓的三角形，通過解析三角形模型確定對應高度的井筒直徑。在同一深度，取20 組直徑數(shù)據(jù)的最小值作為這個截面的通過直徑。如圖1 所示為井筒直徑解析原理圖，圖中：P1、P2、P3為激光傳感器的激光輸出端口；A、B、C 為井壁上的對應光點。

根據(jù)余弦公式，有：

圖1 井筒直徑解析原理圖

設三角形ABC面積為S，根據(jù)海倫公式，有：

采用三角形外接圓法計算井筒直徑，井筒半徑R為

同一截面上，通過O1點坐標以及O1到井壁上6個點的距離可以獲得井壁上6 點坐標，進而利用6 點坐標采用最小二乘法擬合圓，獲得東西方向偏移量和南北方向偏移量。通過計算鋼絲繩的移動距離獲得井深數(shù)據(jù)。

監(jiān)測方案很好地解決了豎直方向監(jiān)測范圍覆蓋不全面的情形，能實時獲得不同深度井筒截面數(shù)據(jù)。

1.2 井筒模型構建

井筒變形分為橫向和縱向。橫向變形的主要表現(xiàn)形式為水平位移，包括水平面東西方向偏移量、南北方向偏移量、井筒半徑變化；縱向變形表現(xiàn)為垂深變化［8］。井筒模型可以看作由多個不同深度的圓截面拼接而成，基于動態(tài)監(jiān)測時所獲截面的井筒半徑以及圓心坐標可以構建井筒模型。

首先建立坐標系，如圖2 所示，取井筒井口位置為坐標原點O，從上至下為Y軸正方向，正東方向為X軸正方向，正南方向為Z軸正方向。

圖2 O-XYZ坐標系

在三維直角坐標系中繪圖時需要將井深轉換為垂深［9］。理論計算基本參數(shù)為：測段長度ΔL，mm；東西向增量ΔE，mm；南北向增量ΔN，mm；水平方向位移變化矢量和ΔS，mm；垂深增量ΔH，mm；井斜角α；方位角φ。如圖3 所示為井筒模型構建基本參數(shù)示意圖。

圖3 井筒模型構建基本參數(shù)示意圖

計算公式為：

如表1 所示為試驗和計算所得的井筒變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 井筒變形監(jiān)測試驗相關數(shù)據(jù)

2 井筒模型軟件設計

2.1 基本思路

OpenGL作為編程接口，通常用于視覺圖形和3D游戲開發(fā)中［10］。它可以應用在不同的平臺，而且調用非常方便［11］。Windows窗體應用程序作為一個平臺，可以很方便地實現(xiàn)圖像更新［12］。SharpGL 是一個OpenGL被封裝后的C＃類庫集合，將C＃和SharpGL聯(lián)合，開發(fā)圖形程序可以提高效率［13］。相比于MFC 框架，在Windows窗體應用程序中使用SharpGL 有更強的可掌控性。因此，本文在VisualC＃下建立Windows窗體應用程序，結合OpenGL類庫（SharpGL）構建井筒模型。通過Access數(shù)據(jù)庫［14］鏈接Excel表格，在編程中獲取數(shù)據(jù)庫路徑，最終通過LabVIEW調用窗體應用程序實現(xiàn)Excel 表格中數(shù)據(jù)改變，窗體圖形隨之相應變化的效果，即實現(xiàn)動態(tài)變化。如圖4 所示為軟件關系示意圖。

圖4 軟件關系示意圖

2.2 軟件設計功能

（1）為了方便在救援過程中及時地觀察到井筒變形是否超限，對于圓心坐標偏差較大以及所測直徑過小的部分用不同顏色標記。圓心坐標偏差包括東西方向偏差值和南北方向偏差值，偏差值過大或直徑過小用紅色顯示。井筒變形在安全界限以內用青色顯示。豎井井筒底部相對穩(wěn)定，所以以最底部截面半徑以及圓心坐標建立井筒模型，作為參考模型觀察垂直方向變形情況。

如圖5 所示為水平偏差對井筒變形范圍影響示意圖。本示例將東西方向和南北方向偏差值的最大范圍控制在10 mm以內，即水平面內的總偏差值安全范圍在mm（約14.14 mm）以內。本示例井筒內徑為606 mm，救生艙艙體外徑為560 mm，井筒直徑的變化范圍在31.86 mm 以內，即在救生艙總偏移值不超過14.14 mm 時，井筒內徑只要大于591.86 mm 就在安全范圍內。

圖5 水平偏差對井筒變形范圍影響示意圖（mm）

（2）井筒變形圖不僅要求滿足監(jiān)測作用，在圖形界面也應具有良好的視覺效果。在監(jiān)測過程中，為了將已監(jiān)測部分全部顯示在窗體中，不論監(jiān)測裝置運行到什么位置，已經(jīng)監(jiān)測部分井筒的變形圖可以根據(jù)長度自動伸縮比例。

（3）在救援過程中，救生艙是持續(xù)運行的，因此相關數(shù)據(jù)實時變化。當?shù)竭_某一深度，若井筒變形超出安全界限，用戶可以對危險部分進行縮放、平移及旋轉。

2.3 調用窗體應用程序界面

LabVIEW是一種圖形化編程語言，使用簡單、便捷［15］。動態(tài)鏈接庫（DLL）是Windows 操作系統(tǒng)的基礎［16］，它獨立于編程語言，因此大多數(shù)語言編寫的DLL都可為LabVIEW 所用［17-18］。在Visual Studio 中顯示井筒變形界面需要點擊“運行”，改變表格中數(shù)據(jù)需要重新點擊“運行”方可觀察到界面變化。但是在LabVIEW中調用DLL 文件則不同，Excel 表格中數(shù)據(jù)改變，Access 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)隨之改變，LabVIEW 中的圖形界面也隨之改變，實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測。

將Visual Studio中編好的程序打包為DLL 文件。調用C＃編程的DLL文件需要選擇構造器節(jié)點。利用屬性節(jié)點、構造器節(jié)點以及調用節(jié)點調用DLL 文件，最終實現(xiàn)直接在LabVIEW中顯示窗體應用程序界面。這樣不僅可以觀察到井筒變形動態(tài)圖，也可以節(jié)省電腦空間內存。如圖6 所示為根據(jù)試驗數(shù)據(jù)所獲得的井筒變形動態(tài)監(jiān)測界面。

圖6 井筒變形動態(tài)監(jiān)測界面（mm）

井筒變形示例圖中整體框架使圖形顯得更有立體感。當變形圖中出現(xiàn)紅色時，用戶收到信號及時停止提升救援裝置（本示例圖中未出現(xiàn)紅色表示截面圓心坐標偏移量以及井筒半徑變化值滿足要求）。用戶可以根據(jù)實際要求設置偏差值安全界限、直徑安全界限以及自動伸縮比例，直徑大于安全界限并且偏移量小于安全界限時，救援提升裝備正常運行。若兩者有一個不滿足，則需要停止提升救援裝置。

本項目在LabVIEW中建立相關界面，井筒運行過程中，可實時顯示井深數(shù)據(jù)、半徑大小等相關數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)實例自行標注刻度。

3 結 語

本文基于Visual C＃和LabVIEW 軟件并結合OpenGL類庫實現(xiàn)井筒變形動態(tài)監(jiān)測，很大程度提高安全系數(shù)以及救援效率：用電動機控制井徑測量裝置上下移動實時獲得不同深度井筒截面數(shù)據(jù)，擴大豎直方向井筒變形監(jiān)測范圍，提高救援工作的安全性?；赩isual C＃編程環(huán)境，創(chuàng)建Windows窗體應用程序并將C＃語言與SharpGL 聯(lián)合開發(fā)程序構建井筒變形模型，程序簡潔且方便調用。調用窗體應用程序界面可以通過直接改變Excel表格中數(shù)據(jù)改變窗體應用程序界面顯示圖形，實現(xiàn)井筒變形動態(tài)監(jiān)測，而且可以節(jié)省內存，加快軟件運行速度。整套軟件的開發(fā)具有普遍適用性，為后續(xù)對救援井實施動態(tài)監(jiān)測提供一定的參考價值。用戶可以根據(jù)自身需求增加救援裝置提升速度、穩(wěn)定性監(jiān)測等實用性功能。