“生活垃圾焚燒虛擬仿真實驗”的建設

韓沐昕，李冬梅，羅海鍵，趙晟鋅

(1.黑龍江建筑職業技術學院 熱能工程學院，黑龍江 哈爾濱 150025;2.哈爾濱工業大學 環境學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業大學(深圳)實驗創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055)

固體廢物處理與資源化是環境工程的分支學科，具有基礎學科覆蓋面廣、跨度大，知識點和方法高度交叉的學科特點[1]。焚燒、填埋、生物處理等為固體廢物專業方向的專有技術，是該課程的重點。在生活垃圾處理技術方面，主流的處理技術由衛生填埋向衛生填埋和焚燒發電并重轉化[2]。在“十三五”期末也就是2020 年年底，全國城鎮生活垃圾焚燒處理能力占比要求達到50%以上，東部地區占比要求達到60%以上。為此在2016版本科生培養方案中，結合《固體廢物處理與資源化》課堂重點講解內容，在其實驗課中增加“生活垃圾焚燒實驗項目”[3]。該實驗項目具有高危或極端環境、不可及或不可逆過程，以及高成本、高消耗、高污染工程性質，采用仿真實驗教學具有明顯優勢[4]。

當前國內外的一些組織機構正在開展關于虛擬實驗的研究工作，我國有一些比較成熟的專業化例子。比如中國農業大學的虛擬土壤一作物系統實驗室。它是通過應用GPS、GIS、作物3D數字化技術和其他數據采集技術，實現對農田土壤水分、養分、鹽分等與作物生長的相互關系的定量化研究，建立土壤一作物系統；中國科學技術大學最新研制出我國第一套虛擬現實教學軟件“幾何光學實驗設計平臺”；浙江大學的虛擬化學實驗，是基于Web的虛擬實驗，以Vrml和Java技術結合開發。哈爾濱工業大學采用Gambit、Fluent、Tecplot 及Origin 軟件自主開發的“火電站鍋爐燃燒特性虛擬仿真教學實驗，在能源和環境學科實驗教學中得到廣泛應用[5]。

1 實驗目的

本仿真實驗由焚燒設備3D模擬系統、焚燒工藝系統、生活垃圾焚燒仿真計算系統、實驗考評系統四部分組成。通過三維技術展示設備結構，模擬設備運行。使學生快速了解焚燒設備結構和掌握設備運行規律；通過焚燒工藝系統了解焚燒系統組成和工作原理；通過生活垃圾焚燒仿真計算系統，掌握不同工藝參數對垃圾焚燒效果的影響；通過實驗考評系統，真正做到對學生在該領域內的事件認知水平的過程評價，實現個性化教學。

2 生活垃圾焚燒虛擬仿真實驗設計

實驗系統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算模擬等模塊，可以通過交互操作，簡便地模擬不同組成的生活垃圾、不同溫度下，焚燒爐內氣固的接觸狀況，熱量利用效率等過程，并調用對應的傳質模型對不同操作過程進行數學分析，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 虛擬現實技術的開發流程

參考目前虛擬實驗的主流技術和垃圾焚燒模擬的計算算法[6-8]，本實驗采用Unity 3D作為3D引擎，采用C#語言并通過Visual Studio工具進行程序開發。通過SVN，Microsoft Project等工具進行程序版本控制和項目管理。通過Maya，3D Max等工具制作仿真資源(模型，貼圖，動畫)。

2.2 3D模型的建立

3D引擎在Windows平臺下通過DirectX技術實現3D渲染。通過骨骼動畫、關鍵幀和序列幀動畫制作3D動畫，如圖1所示。通過計算機圖形學(實時陰影，光照貼圖，凹凸貼圖等)和計算幾何學(碰撞檢測、射線檢測、剛體、流體模擬等)等實現現象仿真。通過后臺模塊化模型的搭建和鏈接實現數據仿真。通過VR，AR和動作捕捉技術，實現增強虛擬化變現和交互性。

圖1 3D場景

2.3 虛擬現實技術中漫游和情景再現的實現方法

搭建出獨立的數學模型，可實現仿DCS與3D場景的實時通訊，即：學生在操作仿DCS界面的儀表、閥門等，在三維場景中也可讀取到對應的數據變化，在三維場景中進行啟停動力設備的操作、閥門的開關等，在仿DCS界面中也可以讀取到相應的操作動態信息，從而實現各項數據的變化，實現真正的仿真工廠的操作模擬。同時嵌入了相應知識點內容，學生在開始實驗操作前，可先進入場景學習相應的廠區、設備、生產工藝等相關知識點，對整個裝置有個全面的認識。另外，系統具有全景地圖功能，地圖上可實時顯示當前人物的位置，并標注出主要設備所在區域，三維場景中配有搜索功能，可輸入具體的閥門位號或者設備名稱等進行精確搜索，點擊確認按鈕后可傳送至對應的設備處，便于使用者學習查找相應的設備。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下，不受空間的限制，可在廠區內自由移動，查看廠區的各個部分以及管道走向等。同時，在三維場景中還配置了軟件的幫助文檔與設備列表，便于快速入門三維軟件的使用。

2.4 垃圾焚燒仿真計算模擬

垃圾焚燒仿真計算模擬是基于有限體積法對垃圾的焚燒過程進行計算模擬[9]，通過變換垃圾燃燒參數，從而計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。該仿真模擬是一個瞬態的計算過程，從開始垃圾焚燒時刻計算至垃圾全部燒盡，并且煙氣全部排出焚燒爐。后期的數據包含了數值(圖3)、矢量和云圖(圖4)等關于產生的煙氣和燃燒爐內溫度的一系列指標。該仿真模擬能夠讓參加仿真實驗人員更加直觀的感受垃圾焚燒的過程，通過人機互動的方式，掌握不同垃圾焚燒情況下焚燒爐內各種計算指標的變化情況。

圖2 垃圾焚燒簡化模型

圖3 模擬計算煙氣數值

圖4 計算煙氣矢量云圖

FDS5和Matlab 2010是垃圾焚燒仿真計算模擬的軟件，通過Matlab進行一定的參數代碼生成工作，并結合FDS自身的命令，生成可供FDS計算的輸入文件，然后通過調用FDS程序，生成*.smv的結果文件，該文件能夠被FDS軟件中的Smokeview打開，通過調整顯示結果，查看各種希望關注的數據。在實際操作中只需要輸入垃圾化學參數，即可實現垃圾焚燒仿真模擬的過程，在最后的操作平臺集成中采用C++或Python語言進行計算文件編程。

3 實施過程和效果

依托哈爾濱工業大學國家級市政環境虛擬仿真教學中心，通過先進的虛擬仿真實驗設備，在教學中直觀生動地展示生活垃圾物料組成、仿真正常運行工況下的垃圾焚燒的傳質與熱力特性；三維可視化顯示復雜的焚燒設備內部構造及工藝流程，為學生更深入地理解課程內容提供了十分重要的教學輔助手段。

4 結語

針對生活垃圾焚燒具體實驗項目，結合學科特色，我們建立數值仿真實驗教學模型庫，開發仿真平臺軟件：

(1)逼真地演示實驗過程、焚燒爐設備構造等細節、介紹焚燒、熱能利用及不同物料成分和焚燒工況的優缺點。

(2)使學生直觀、完整的了解垃圾焚燒和模擬計算尾氣成分的完整流程。

(3)開發和建立基于互聯網、海量數據庫的開放的實驗教學視頻、數值仿真、可視化實驗仿真軟件系統平臺。基于互聯網客戶機與服務器模式，學生可隨時進行實驗準備、數據分析、模擬預測等實驗教學功能。

本實驗項目在2019年春季學期“固體廢物處理與資源化”實驗課程開出，還有一些需要補充和改進，學校和學院將繼續對本實驗項目投入資金進行重點建設，為實現一校三區學生共享的虛擬實驗教學體系提供支撐。