基于Unity 3D的可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀保衛(wèi) 馬志宇 崔海朋 杜 鵬

(青島杰瑞工控技術(shù)有限公司 山東 青島 266061)

0 引 言

可燃冰是由天然氣和水在高溫高壓下形成的結(jié)晶體,其開(kāi)采過(guò)程中可能出現(xiàn)一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),主要有以下幾點(diǎn):(1) 可燃冰在開(kāi)采過(guò)程中大規(guī)模氣化問(wèn)題無(wú)法控制[1-2];(2) 可燃冰的開(kāi)采會(huì)有大量的天然氣泄漏,加劇全球變暖[3-4];(3) 可燃冰的開(kāi)采可能產(chǎn)生海底地質(zhì)災(zāi)害,如海床塌陷、海底滑坡等[5-7]。但是,目前可燃冰的開(kāi)發(fā)只停留在試采階段[8-10],無(wú)法獲取足夠多的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11-13]。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,可借用仿真模擬技術(shù)來(lái)模擬Natural Gas Hydrate(NGH)的開(kāi)采,不但可以定量評(píng)價(jià)開(kāi)采效果,分析相關(guān)參數(shù)的敏感性,還能為NGH的試開(kāi)采提供技術(shù)支持[14-16]。Yang等[17]利用虛擬仿真技術(shù)虛擬了有毒涂料造成的環(huán)境問(wèn)題。可見(jiàn),虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸帶給人們一種新的思路[18-21]。本文通過(guò)Unity 3D技術(shù),設(shè)計(jì)了一種可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng),充分模擬可燃冰開(kāi)采過(guò)程中的環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景,建立了可燃冰開(kāi)采過(guò)程中甲烷泄露的模型,充分模擬了可燃冰開(kāi)采可能造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),能夠?yàn)榭扇急_(kāi)采過(guò)程中的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供有力的支撐。

1 模擬系統(tǒng)總體構(gòu)架

可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的模擬操作系統(tǒng),其包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩個(gè)部分。其中軟件系統(tǒng)包括“四位一體”環(huán)境監(jiān)測(cè)主系統(tǒng)、大氣環(huán)境模擬子系統(tǒng)、海水環(huán)境模擬子系統(tǒng)、海床環(huán)境模擬子系統(tǒng)、井下環(huán)境模擬子系統(tǒng)。硬件通過(guò)OPC協(xié)議與軟件系統(tǒng)進(jìn)行通信,對(duì)主系統(tǒng)及四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為:

Step13D Max模型建立及渲染。

Step2可燃冰開(kāi)采典型環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)算法設(shè)計(jì)。

Step3MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

Step4Unity 3D虛擬仿真環(huán)境搭建。

Step5模擬系統(tǒng)硬件環(huán)境搭建。

2 可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)開(kāi)采平臺(tái)及監(jiān)測(cè)設(shè)備的建模,并通過(guò)Unity 3D搭建監(jiān)測(cè)環(huán)境,模擬范圍包括大氣、海水、海床、井筒的開(kāi)采環(huán)境,模擬各個(gè)參數(shù)對(duì)環(huán)境的影響。最終,通過(guò)對(duì)典型環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的模擬,達(dá)到動(dòng)態(tài)演示的效果。

2.1 3D模型建立

本系統(tǒng)通過(guò)AutoCAD進(jìn)行建模,通過(guò)3Dmax對(duì)模型進(jìn)行渲染,所建立的模型主要包括:開(kāi)采平臺(tái)模型、浮標(biāo)模型、坐底式觀測(cè)平臺(tái)模型、傳感器模型等。

通過(guò)Unity 3D進(jìn)行虛擬環(huán)境的開(kāi)發(fā)之前,需要通過(guò)3D Max對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì),如水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制,需要設(shè)定機(jī)器人的坐標(biāo)軸和角度,同時(shí),Unity 3D所需模型格式為.FBX,可通過(guò)3D Max軟件進(jìn)行導(dǎo)出。

2.2 可燃冰開(kāi)采過(guò)程中甲烷泄露風(fēng)險(xiǎn)算法

可燃冰開(kāi)采過(guò)程中,最典型的風(fēng)險(xiǎn)為氣體泄漏,主要為甲烷,其泄漏過(guò)程遵循三大基礎(chǔ)方程[22-23]。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中:ρ為混合氣體密度;v為矢量速度。

假設(shè)甲烷與空氣均為不可壓縮氣體,密度ρ為常數(shù)。因此,式(1)調(diào)整為:

(2)

式中:u、v、w為矢量速度在三個(gè)坐標(biāo)軸的分量。

動(dòng)量守恒方程:

(3)

式中:μ是流體的動(dòng)力粘度;ρa(bǔ)是空氣密度;gi是重力加速度。

能量守恒方程:

(4)

式中:T是溫度;cp是比熱容;ST是混合氣體的內(nèi)熱源以及通過(guò)流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分,簡(jiǎn)稱為粘性耗散項(xiàng)。

此外,在擴(kuò)散過(guò)程中,還需要考慮湍流動(dòng)能方程及湍流動(dòng)能耗散率方程,其相應(yīng)的表達(dá)式為:

(5)

式中:μeff為有效粘度;G為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;C1、C2為方程因數(shù)。

在甲烷氣體泄漏過(guò)程的數(shù)值模擬中,采用Stone模型的相對(duì)滲透率進(jìn)行模擬,其表達(dá)式為:

(6)

式中:SA為液相濕潤(rùn)相飽和度;SirA為液非濕潤(rùn)相濕潤(rùn)飽和度;SG為氣相濕潤(rùn)相飽和度;SirG為氣相非濕潤(rùn)相飽和度。

此外,考慮甲烷在地層中的分解,其分解速率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 甲烷分解速率

根據(jù)質(zhì)量守恒控制方程、能量守恒控制方程、甲烷水合物分解動(dòng)力方程求解甲烷水合物分解控制方程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 甲烷水合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

具體思路就是以能量守恒控制方程為基礎(chǔ),將表1的各參數(shù)向能量守恒方程中代入,用溫度和壓力表示方程中其他變量,其余參數(shù)為常數(shù)及已知可求的方程式。同樣溫度可以用壓力進(jìn)行表示,通過(guò)算法,可以將壓力解出。

用數(shù)值模擬表示甲烷水合物分解時(shí),采用有限差分法離散偏微分方程組,全隱式方法進(jìn)行求解非線性方程,方法如下:

(1) 根據(jù)甲烷水合物多孔介質(zhì)核的尺寸參數(shù),選取合適網(wǎng)格大小,開(kāi)始劃分網(wǎng)格。

(2) 確定甲烷水合物分解時(shí)的邊界條件、初始狀態(tài)及初始值。

(3) 選擇合適的步長(zhǎng)。

(4) 將基礎(chǔ)可推算的數(shù)值、能夠表征的產(chǎn)量或式子計(jì)算出來(lái),整理放入程序式子中,便于調(diào)用。

(5) 通過(guò)Thomas算法分別解出壓力和溫度。

(6) 根據(jù)壓力溫度和其他參數(shù)間的關(guān)系式計(jì)算三相飽和度、滲透率、各向流速、產(chǎn)氣等參數(shù)。

通過(guò)初步的收斂調(diào)試,按步驟編程,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)氣量和溫度分布調(diào)試驗(yàn)證程序準(zhǔn)確性,解決數(shù)值模擬問(wèn)題。

圖2是累計(jì)甲烷氣體產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線,可以看出甲烷氣體產(chǎn)量隨時(shí)間的增加而增加,但是在240 min以后,甲烷氣體的產(chǎn)量趨于平緩,不再呈現(xiàn)上升趨勢(shì),累計(jì)的甲烷氣體產(chǎn)量大約為9 000 cm3,這與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究資料大致吻合,說(shuō)明模擬的結(jié)果是可信的。

圖2 累計(jì)甲烷氣體產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線

由圖3可知,溫度在開(kāi)始的20 min之內(nèi)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),到了平衡溫度以后,溫度逐漸回升靠近水域溫度,這是因?yàn)樗衔锓纸馐且粋€(gè)吸熱的過(guò)程,水域?qū)α鱾鳠岷蛯?dǎo)熱速度低于甲烷水合物分解的吸熱量,所以溫度的變化是先降低后升高,最后趨于平緩。

圖3 溫度隨時(shí)間的變化曲線

如圖4所示,隨著天然氣水合物的分解,壓力逐漸降低,且外界的壓力保持不變。從天然氣水合物分解反應(yīng)的零時(shí)刻開(kāi)始,管兩端的減壓閥打開(kāi),這時(shí)外界的壓力較低,因而產(chǎn)生了壓力梯度,而外界的壓力低于天然氣水合物的平衡壓力,天然氣水合物迅速地開(kāi)始分解。

圖4 壓力隨時(shí)間的變化曲線

可以看出,在0至160 min之內(nèi),天然氣水合物分解的反應(yīng)速率由0開(kāi)始不斷增大,160 min之后天然氣水合物分解的反應(yīng)速率開(kāi)始放緩。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)搭建。在本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)體為各個(gè)傳感器,屬性為傳感器顯示數(shù)值、時(shí)間、位置、信息等。傳感器數(shù)據(jù)表如表2所示,其他表不再列出。

表2 傳感器數(shù)據(jù)表

(2) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與數(shù)據(jù)模擬。在本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)來(lái)源為互聯(lián)網(wǎng)上可以下載到的南海神狐海域相關(guān)數(shù)據(jù),由于目前可燃冰試采過(guò)程中大多數(shù)數(shù)據(jù)都沒(méi)有監(jiān)測(cè)或者需要保密,本系統(tǒng)通過(guò)make_regression生成回歸模型數(shù)據(jù),其以現(xiàn)有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),生成樣本特征數(shù),并產(chǎn)生隨機(jī)噪音,從而生成一系列的神戶海域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。之后,通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、歸一化等手段,將生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可用的模擬數(shù)據(jù),供可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬與展示。同時(shí),在系統(tǒng)中預(yù)留真實(shí)數(shù)據(jù)接口,以備之后真實(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

2.4 系統(tǒng)場(chǎng)景建設(shè)

本系統(tǒng)需要展示各個(gè)3D場(chǎng)景,令用戶可以從上帝視角查看模擬場(chǎng)景的整體情況,場(chǎng)景中各浮標(biāo)、傳感器以3D模型的方式展示,虛擬3D仿真?zhèn)鞲衅髡鎸?shí)分布情況,在場(chǎng)景可視化界面設(shè)置操作工具,可以對(duì)3D場(chǎng)景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大縮小、漫游等基本操作,對(duì)場(chǎng)景中傳感器進(jìn)行操作,包括增加新傳感器、刪除已有傳感器、修改已布設(shè)傳感器信息、根據(jù)關(guān)鍵字查詢傳感器等操作,并且還可以操作模擬甲烷泄露場(chǎng)景,在可視化界面直觀呈現(xiàn)甲烷擴(kuò)散情況。因此,系統(tǒng)通過(guò)Unity 3D的GUI界面設(shè)計(jì)模塊對(duì)系統(tǒng)的界面進(jìn)行設(shè)計(jì),利用C#對(duì)界面程序進(jìn)行編寫(xiě),3D場(chǎng)景在Unity 3D軟件中進(jìn)行搭建,其界面及主場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 界面及主場(chǎng)景

2.5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)中,需要對(duì)可燃冰開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)際工況進(jìn)行模擬,并可以展示極端條件下,甲烷泄露的過(guò)程。

(1) 可燃冰開(kāi)采環(huán)境可視化展示及監(jiān)控系統(tǒng)功能?？扇急_(kāi)采環(huán)境可視化展示可以實(shí)時(shí)顯示大氣、海水、海床、井下四種場(chǎng)景,通過(guò)相機(jī)的移動(dòng)切換展示位置。同時(shí),通過(guò)GetSqlConn()函數(shù)獲取已封裝好的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接,將其數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。此過(guò)程中,建立評(píng)價(jià)與報(bào)警函數(shù),并通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的報(bào)警值域進(jìn)行報(bào)警操作(綠色:正常;黃色:偏高;紅色:報(bào)警)。

在設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)功能的過(guò)程中,立體展示四位一體的監(jiān)控系統(tǒng)布局,設(shè)置傳感器隱藏及顯示函數(shù),進(jìn)行傳感器顯示或隱藏開(kāi)關(guān)操作讀取傳感器模擬數(shù)據(jù)。

對(duì)于水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)行提前設(shè)定。通過(guò)transform.Translate()函數(shù)設(shè)定水下機(jī)器人的移動(dòng)速度與相對(duì)坐標(biāo)系,水下機(jī)器人沿監(jiān)測(cè)圈進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。另外設(shè)置一個(gè)相機(jī)移動(dòng)函數(shù)與選擇函數(shù),添加一臺(tái)相機(jī)隨水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng),并可在相機(jī)中進(jìn)行選擇性展示。

(2) 可燃冰開(kāi)采甲烷泄露過(guò)程模擬。在甲烷泄露過(guò)程模擬中,在Unity 3D中植入甲烷泄露算法,采用粒子系統(tǒng)進(jìn)行甲烷泄露過(guò)程中氣泡的模擬,通過(guò)粒子發(fā)生器在井筒附近產(chǎn)生粒子,設(shè)置每次產(chǎn)生氣泡的尺寸范圍、生命周期、每次產(chǎn)生氣泡數(shù)量范圍,并設(shè)定粒子的速度、加速度、粒子運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)警報(bào)激活時(shí),粒子隨機(jī)產(chǎn)生,同時(shí),設(shè)置海流腳本模擬海流對(duì)氣泡擴(kuò)散的影響。

3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 操控臺(tái)設(shè)計(jì)

操控臺(tái)安裝兩臺(tái)服務(wù)器和5臺(tái)顯示器,并利用兩臺(tái)網(wǎng)管型交換機(jī)組成冗余以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)相互冗余的功能,通過(guò)以太網(wǎng)讀取并監(jiān)控PLC數(shù)據(jù)。

操控臺(tái)采用琴式操控臺(tái)設(shè)計(jì),背面圓弧式設(shè)計(jì),可與開(kāi)采平臺(tái)控制室墻邊充分貼合。其中左側(cè)柜內(nèi)安裝工控機(jī),臺(tái)面上放置鍵盤(pán)和鼠標(biāo),正面嵌入2個(gè)監(jiān)視器。右側(cè)柜內(nèi)放置交換機(jī)、防火墻等設(shè)備。

3.2 通信設(shè)計(jì)

通信單元包括串口服務(wù)器等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)多個(gè)RS485 Modbus RTU通信協(xié)議設(shè)備和Modbus TCP協(xié)議采集設(shè)備的互聯(lián)互通。串行設(shè)備服務(wù)器能讓 RS-232/RS-422/RS-485 串行設(shè)備以快速、有效的方式,透過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接至主計(jì)算機(jī)。另外,系統(tǒng)通過(guò)OPC通信接口,其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行采集,并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)能否有效進(jìn)行可燃冰開(kāi)采環(huán)境過(guò)程中的安全監(jiān)測(cè),結(jié)合軟件模擬可燃冰開(kāi)采過(guò)程中甲烷泄露對(duì)環(huán)境的變化影響,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估功能的測(cè)試驗(yàn)證。

測(cè)試證明,可燃冰環(huán)境安全監(jiān)測(cè)模擬仿真系統(tǒng)可以較好地模擬出各個(gè)傳感器的數(shù)值,并通過(guò)可視化模擬進(jìn)行典型風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景的展示,從而幫助工程技術(shù)人員了解相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)留接口的存在可以在可燃冰商業(yè)化開(kāi)采時(shí),接入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采中可能造成的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

對(duì)于甲烷氣體滲漏過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如圖6所示,可以在預(yù)警分析里面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷和二氧化碳濃度的變化情況。

圖6 甲烷和二氧化碳濃度的預(yù)警分析

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷和二氧化碳的濃度變化情況,若是超出正常狀態(tài),系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警,甲烷和二氧化碳的曲線如圖7和圖8所示。

圖7 甲烷曲線

圖8 二氧化碳曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)Unity 3D對(duì)可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)可燃冰開(kāi)采環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行模擬仿真,成功地模擬了甲烷氣體的泄露過(guò)程,從而可以幫助相關(guān)工程技術(shù)人員了解可燃冰開(kāi)采的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的過(guò)程。另外,系統(tǒng)預(yù)留了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的接口,可在可燃冰商業(yè)開(kāi)采時(shí),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采進(jìn)行預(yù)警。