立井井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧海榮， 張雅倩， 葉 敏， 蘇燕芹， 郭項(xiàng)偉

（長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710064）

0 引 言

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

現(xiàn)有的井筒變形監(jiān)測(cè)技術(shù)多數(shù)局限于對(duì)局部變形的監(jiān)測(cè)。常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)方法是在垂直方向設(shè)置基準(zhǔn)，然后測(cè)量不同深度井筒與基準(zhǔn)距離，對(duì)井筒變形情況進(jìn)行分析。郭同江等［3］在井筒內(nèi)部罐籠的灌道外側(cè)懸掛4 根鋼絲，選擇成對(duì)角狀態(tài)的2 根鋼絲與井筒交點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)至鋼絲的距離，獲取不同深度中心坐標(biāo)，完成井筒變形監(jiān)測(cè)。劉尚國(guó)等［4］針對(duì)井筒深度過(guò)大的情況，提出長(zhǎng)距離情況下激光作為基準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)方法，達(dá)到減小誤差的效果。這些方法可以有效監(jiān)測(cè)井筒局部變形，但是對(duì)井筒的變形監(jiān)測(cè)局限于部分深度，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋不全面。在救援過(guò)程中，救援設(shè)備在井筒內(nèi)上下移動(dòng)，增加了井筒變形監(jiān)測(cè)的難度。

房華光［5］從變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的布設(shè)等角度進(jìn)行分析變形情況，并以MATLAB為編程環(huán)境構(gòu)建井筒模型。段友祥等［6］在模型基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行光滑處理并對(duì)井壁加以渲染，很好地實(shí)現(xiàn)立體效果。蔣必辭等［7］采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法構(gòu)建了井壁外殼。本文提出了井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案以及基于Windows窗體應(yīng)用程序和OpenGL類庫(kù)（SharpGL）的軟件實(shí)現(xiàn)方案，最終通過(guò)LabVIEW調(diào)用界面完成了井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示井筒變形情況。

1 立井井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬礦井環(huán)境，采用非接觸式井徑測(cè)量裝置模擬救生艙，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)控制測(cè)量裝置上下移動(dòng)。將6 個(gè)激光位移傳感器呈60°均勻布置在井徑測(cè)量裝置水平面上，保證傳感器的測(cè)量射線共面且射線反向延長(zhǎng)線相交于一點(diǎn)。在測(cè)量裝置上下移動(dòng)過(guò)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(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)信號(hào)傳輸通道傳送至上位機(jī)用于處理及顯示。

6個(gè)激光位移傳感器在井壁上形成6 個(gè)光點(diǎn)，每3個(gè)光點(diǎn)構(gòu)造1 個(gè)以井壁為外接圓的三角形，通過(guò)解析三角形模型確定對(duì)應(yīng)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(gè)截面的通過(guò)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(duì)應(yīng)光點(diǎn)。

根據(jù)余弦公式，有：

圖1 井筒直徑解析原理圖

設(shè)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(jì)算井筒直徑，井筒半徑R為

同一截面上，通過(guò)O1點(diǎn)坐標(biāo)以及O1到井壁上6個(gè)點(diǎn)的距離可以獲得井壁上6 點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而利用6 點(diǎn)坐標(biāo)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(guò)計(jì)算鋼絲繩的移動(dòng)距離獲得井深數(shù)據(jù)。

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

1.2 井筒模型構(gòu)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(gè)不同深度的圓截面拼接而成，基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)所獲截面的井筒半徑以及圓心坐標(biāo)可以構(gòu)建井筒模型。

首先建立坐標(biāo)系，如圖2 所示，取井筒井口位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，從上至下為Y軸正方向，正東方向?yàn)閄軸正方向，正南方向?yàn)閆軸正方向。

圖2 O-XYZ坐標(biāo)系

在三維直角坐標(biāo)系中繪圖時(shí)需要將井深轉(zhuǎn)換為垂深［9］。理論計(jì)算基本參數(shù)為：測(cè)段長(zhǎng)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(gòu)建基本參數(shù)示意圖。

圖3 井筒模型構(gòu)建基本參數(shù)示意圖

計(jì)算公式為：

如表1 所示為試驗(yàn)和計(jì)算所得的井筒變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 井筒變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)

2 井筒模型軟件設(shè)計(jì)

2.1 基本思路

OpenGL作為編程接口，通常用于視覺(jué)圖形和3D游戲開(kāi)發(fā)中［10］。它可以應(yīng)用在不同的平臺(tái)，而且調(diào)用非常方便［11］。Windows窗體應(yīng)用程序作為一個(gè)平臺(tái)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)圖像更新［12］。SharpGL 是一個(gè)OpenGL被封裝后的C＃類庫(kù)集合，將C＃和SharpGL聯(lián)合，開(kāi)發(fā)圖形程序可以提高效率［13］。相比于MFC 框架，在Windows窗體應(yīng)用程序中使用SharpGL 有更強(qiáng)的可掌控性。因此，本文在VisualC＃下建立Windows窗體應(yīng)用程序，結(jié)合OpenGL類庫(kù)（SharpGL）構(gòu)建井筒模型。通過(guò)Access數(shù)據(jù)庫(kù)［14］鏈接Excel表格，在編程中獲取數(shù)據(jù)庫(kù)路徑，最終通過(guò)LabVIEW調(diào)用窗體應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)Excel 表格中數(shù)據(jù)改變，窗體圖形隨之相應(yīng)變化的效果，即實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。如圖4 所示為軟件關(guān)系示意圖。

圖4 軟件關(guān)系示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)功能

（1）為了方便在救援過(guò)程中及時(shí)地觀察到井筒變形是否超限，對(duì)于圓心坐標(biāo)偏差較大以及所測(cè)直徑過(guò)小的部分用不同顏色標(biāo)記。圓心坐標(biāo)偏差包括東西方向偏差值和南北方向偏差值，偏差值過(guò)大或直徑過(guò)小用紅色顯示。井筒變形在安全界限以內(nèi)用青色顯示。豎井井筒底部相對(duì)穩(wěn)定，所以以最底部截面半徑以及圓心坐標(biāo)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(duì)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(nèi)，即水平面內(nèi)的總偏差值安全范圍在mm（約14.14 mm）以內(nèi)。本示例井筒內(nèi)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(nèi)，即在救生艙總偏移值不超過(guò)14.14 mm 時(shí)，井筒內(nèi)徑只要大于591.86 mm 就在安全范圍內(nèi)。

圖5 水平偏差對(duì)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(cè)作用，在圖形界面也應(yīng)具有良好的視覺(jué)效果。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為了將已監(jiān)測(cè)部分全部顯示在窗體中，不論監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行到什么位置，已經(jīng)監(jiān)測(cè)部分井筒的變形圖可以根據(jù)長(zhǎng)度自動(dòng)伸縮比例。

（3）在救援過(guò)程中，救生艙是持續(xù)運(yùn)行的，因此相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)某一深度，若井筒變形超出安全界限，用戶可以對(duì)危險(xiǎn)部分進(jìn)行縮放、平移及旋轉(zhuǎn)。

2.3 調(diào)用窗體應(yīng)用程序界面

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，使用簡(jiǎn)單、便捷［15］。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）是Windows 操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)［16］，它獨(dú)立于編程語(yǔ)言，因此大多數(shù)語(yǔ)言編寫(xiě)的DLL都可為L(zhǎng)abVIEW 所用［17-18］。在Visual Studio 中顯示井筒變形界面需要點(diǎn)擊“運(yùn)行”，改變表格中數(shù)據(jù)需要重新點(diǎn)擊“運(yùn)行”方可觀察到界面變化。但是在LabVIEW中調(diào)用DLL 文件則不同，Excel 表格中數(shù)據(jù)改變，Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)隨之改變，LabVIEW 中的圖形界面也隨之改變，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

將Visual Studio中編好的程序打包為DLL 文件。調(diào)用C＃編程的DLL文件需要選擇構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)。利用屬性節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)以及調(diào)用節(jié)點(diǎn)調(diào)用DLL 文件，最終實(shí)現(xiàn)直接在LabVIEW中顯示窗體應(yīng)用程序界面。這樣不僅可以觀察到井筒變形動(dòng)態(tài)圖，也可以節(jié)省電腦空間內(nèi)存。如圖6 所示為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所獲得的井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)界面。

圖6 井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dāng)變形圖中出現(xiàn)紅色時(shí)，用戶收到信號(hào)及時(shí)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(biāo)偏移量以及井筒半徑變化值滿足要求）。用戶可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置偏差值安全界限、直徑安全界限以及自動(dòng)伸縮比例，直徑大于安全界限并且偏移量小于安全界限時(shí)，救援提升裝備正常運(yùn)行。若兩者有一個(gè)不滿足，則需要停止提升救援裝置。

本項(xiàng)目在LabVIEW中建立相關(guān)界面，井筒運(yùn)行過(guò)程中，可實(shí)時(shí)顯示井深數(shù)據(jù)、半徑大小等相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)實(shí)例自行標(biāo)注刻度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Visual C＃和LabVIEW 軟件并結(jié)合OpenGL類庫(kù)實(shí)現(xiàn)井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，很大程度提高安全系數(shù)以及救援效率：用電動(dòng)機(jī)控制井徑測(cè)量裝置上下移動(dòng)實(shí)時(shí)獲得不同深度井筒截面數(shù)據(jù)，擴(kuò)大豎直方向井筒變形監(jiān)測(cè)范圍，提高救援工作的安全性。基于Visual C＃編程環(huán)境，創(chuàng)建Windows窗體應(yīng)用程序并將C＃語(yǔ)言與SharpGL 聯(lián)合開(kāi)發(fā)程序構(gòu)建井筒變形模型，程序簡(jiǎn)潔且方便調(diào)用。調(diào)用窗體應(yīng)用程序界面可以通過(guò)直接改變Excel表格中數(shù)據(jù)改變窗體應(yīng)用程序界面顯示圖形，實(shí)現(xiàn)井筒變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而且可以節(jié)省內(nèi)存，加快軟件運(yùn)行速度。整套軟件的開(kāi)發(fā)具有普遍適用性，為后續(xù)對(duì)救援井實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供一定的參考價(jià)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(cè)等實(shí)用性功能。