虚拟现实技术及其在煤矿中的应用

1　 虚拟现实技术简介 　　科学技术的发展促使人们为了适应未来信息社会的需要，必须提高人与信息社会的接口能力，提高人对信息的理解能力。人们不仅要求能通过打印输出或显示屏幕的窗口，在外部 去观察信息处理的结果，而且还希望能通过人的视觉、听觉、触觉，以及形体、手势或口令 参与到信息处理的环境中去，获得身临其境的体验。这种信息处理方法已不再是建立在一个 单维的数字化的信息空间上，而是建立在一个多维化的信息空间，建立在一个定性和定量相 结合，感性认识和理性认识相结合的综合集成环境。20世纪90年代初出现的虚拟现实技术将是支撑这个多维信息空间的关键技术。虚拟现实技术(VR)要把计算机从善于处理 数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的多维信息。 　　VP技术近年来在技术研究领域十分活跃，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键 技术。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术高层次的集成和渗透。它给用户 以更逼真的体验，它为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察的事物 的运动变化规律，提供了极大的便利。目前，新兴的虚拟现实技术已渗透到科学、技术、工程、医学、文化、娱乐的各个领 域，引起许多行业的变革。例如在设计领域,人们已经可以在楼房或飞机的图纸还未出来之 前,到楼房中巡视,到飞机中检查设计是否合理；在医学领域，它不仅已经在诊断、治疗甚至 手术中发挥作用，而且已经使某些医疗培训工作在虚拟环境中进行了，既不会对病人造成生 命危险，又可以重现高风险、低概率的手术病例，可供培训对象反复练习;“上海虚拟未来 城市"模型展则向人们展示了未来大上海的神奇魅力。 　　2　虚拟现实技术在煤矿的应用 　　VR技术在煤矿的应用既属于危险环境下的操作,也属于CAD、教育和培训的范畴。VR技术为煤 矿安全生产、优化设计和矿工技术培训等提供了一种更为有效的手段。  　　2.1　矿井开采模拟 　　由英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室(简称AIMS)开发研制的房柱式开采模拟VR -MINE系统可以对连续采煤机、顶板锚杆机、蓄电池机车和给料破碎机构成的生产 系统进行动态三维实时模拟,该系统不仅提供了灵活的用户界面,既可以设定设备型号及数量 、作业参数,又可以选择煤柱尺寸、回采巷道数量和几何参数,而且可以通过全屏幕或多窗口 视图的形式，动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。该系统的主要特点在于它的 真 实性和人与系统的交互性。系统创造的这一三维环境与现实中的房柱式开采情况极为接近, 无论是采矿作业过程,还是工艺设备的运行都如同是现场拍摄的录像。更有意义的是操作人 员可以与这一系统进行交互作用,他可以在任意时刻穿越任何空间进入系统模拟出的任何区 域,通过计算机屏幕显示出所视空间的采矿作业情况，如：设备当前位置和运行状况,设备运行的时间、产量、设备间的距离等动态信息。这种模拟超过以往以任何方法建立的模型所达到 的效果。应用VR-MINE系统可以通过对不同型号设备、不同开采参数下的生产系统进行动态 模拟,从而达到优化生产系统的目的。显然,这类系统还可用于矿井开采计算机辅助设计、生 产监控、管理和技术培训等方面。 　　2.2　煤矿人员技术培训 　　在矿业领域可以借助VR系统虚拟井下各种复杂的作业环境，供采矿工程专业的学生实习 训练，这样既可以降低实习费用，又可缩短教学时间，让更多的人接受高等教育，同时还可对井下工人进行上岗前的操作及安全教育培训。如虚拟井下的各种工况及险情，使被训练者 身临其境地去体验，并学会采取有效的应急措施去处理各种险情，以提高人员素质，消除事 故隐患。 　　诺丁汉大学ＡＩＭＳ研究室应用ＶＲ技术开发的房柱式开采模拟系统ＶＲ-ＭＩＮＥ、蓄电 池机车模型、露天矿单斗卡车工艺生产系统等可分别用于相应环境下工作人员的培训。 如用于露天矿卡车司机及相关人员的培训的露天矿卡车模拟器， 该模拟器除了采用一般的V R模拟系统硬件及软件进行人机交互外,还可通过方向盘、加速器和刹车板控制屏幕上卡车的 运行，就如同驾驶真正的卡车一样。当受训者操作这些硬件时,面对的计算机屏幕或投影大 屏幕上呈现出一个三维的真实直观的露天矿作业环境，包括声音、甚至烟雾,如同驾驶着一 辆 真实的卡车运行在露天矿的矿坑内,无论是驾驶的卡车本身,还是环境中运行的其它设备,均 按照受训者的操作或依据系统间的动态关系运行。比如,受训者操作出错时,同样会造成撞车 或从台阶滚落下去的事故。显然,这种培训手段使人与环境结合起来,通过人机交互使受训者 产生身临其境的感觉并达到或超过以往其它培训形式所能产生的效果。 　　2．3　 煤矿设备的虚拟设计和制造 　　VR技术用于大型设施、设备的设计和制造已有许多成功的实例。把虚拟现实技术用于 对煤矿新设备的设计方案进行可视化的性能评估，则更显示出虚拟现实技术的优势。由于井下场地狭窄，环境恶劣，因此对井下设备的设计、运行、维修都提出了很高的要求。煤矿设 备的虚拟设计和制造，其意义不仅仅是节约资源和时间，而是完成在地面或在常规条件下无 法进行的工作。例如采煤机虚拟设计中，设计人员不必等到样机制造出来，再去修改其 中不太理想、不太合理的部分，因为VR系统可以容纳他们“进入”电脑中的三维空间图像， 借助多种交互手段直接对采煤机的设计进行观察、讨论和修改，从而大大缩短设备的研制周期，节省研制费用。 　　2．4　 应用ＶＲ技术进行矿井事故调查和研究 　　应用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各 种事故发生的过程,事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程,找出事故原因 , 包括系统设计和现场人员的动作行为。同时通过交互式地改变这一ＶＲ模型中环境的参数 或状态,从而防止其它与此相关的潜在事故的出现。 　　矿井火灾和瓦斯爆炸是井下工作人员所面临的主要灾害。计算机技术的高速发展使得在灾变 条件下复杂通风网络的快速解算成为可能,从而指导井下火灾发生时正确地控制风流,确保井 下工作人员安全撤出,防止火灾和有害气体、烟尘等的蔓延。近几年来,计算流体动力学 (简称ＣＦＤ)已广泛用于工业火灾、爆炸和煤矿火灾,ＣＦＤ通过解算与火灾和爆炸物相关 的数学模型,可以较准确地预测火区附近的温度、火风压及其燃烧产物的实时分布状况。 　　ＡＩＭＳ的研究人员目前正致力于矿井火灾ＶＲ系统的开发。该系统通过模拟某个 真实的矿井作业环境,并结合网络分析和ＣＦＤ模拟的结果,可以逼真地展示出火灾或爆炸发 生的动态过程。除了模拟火烟弥漫状况外,该系统还可通过人机交互作用显示出人为因素， 如 反风、灭火措施等对这整个通风网络的影响。此类系统的开发,无疑可以广泛地用于矿井火 灾的防治、救灾和人员培训等方面。 　　3　结束语 　　尽管限于当前软、硬件技术水平，VR系统目前还只能达到部分真实感的程度，但其前景诱人 ，已成为当今世界关注的热点科技之一。 VR在煤矿的应用虽属于起步阶段，但此方面的研 究成果已显示出VR在煤矿中应用的广阔前景。随着VR技术在矿业方面应用研究的进一步深入 ,其必将成为矿山优化设计、生产管理、危险性评价及矿工培训等方面的重要手段。 信息来源于：中国煤炭