虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院河南省高校礦山信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)追N虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬環(huán)境虛擬房間虛擬汽車虛擬人虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件配置示意圖： 幾種常用的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備：幾種常用的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備： 高性能圖形計(jì)算機(jī)環(huán)形屏幕頭盔眼鏡三維顯示器三維鼠標(biāo)手套虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦應(yīng)用中的不足 近期發(fā)展方向 虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山應(yīng)用案例 1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用 與其他領(lǐng)域相比，煤炭企由于資金等條件的限制，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究顯得比較滯后，一直沒有能夠得到人們重視。直到20世紀(jì)90年代后

2、期，隨著煤炭行業(yè)信息化進(jìn)程的日益加快，國內(nèi)外的研究人員才逐漸認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤炭行業(yè)的重要性，并在理論和實(shí)際應(yīng)用方面做了探索性的研究。主要體現(xiàn)在： (l) 礦井規(guī)劃、設(shè)計(jì)與輔助決策礦井規(guī)劃、設(shè)計(jì)與輔助決策普陽露天煤礦五期改建規(guī)劃設(shè)計(jì)總平面布置圖1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用 (2) (2)井下作業(yè)模擬與設(shè)備操作訓(xùn)練井下作業(yè)模擬與設(shè)備操作訓(xùn)練 VR創(chuàng)造出的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真、交互的特點(diǎn)，可以模擬采礦作業(yè)過程和空間環(huán)境，適于井下作業(yè)模擬與虛擬培訓(xùn)。 系統(tǒng)提供了靈活的用戶界面，可以設(shè)定設(shè)備型號(hào)及數(shù)量、作業(yè)參數(shù)，也可選擇煤柱尺寸、回采巷道的數(shù)量和幾何參數(shù)等，而且可動(dòng)態(tài)顯

3、示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖。還可以通過對(duì)不同型號(hào)設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的 a. 煤礦技能模擬操作實(shí)訓(xùn)臺(tái)b.采煤機(jī)模擬實(shí)訓(xùn)1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用 (3)(3)井下環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估井下環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目前已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理的重要工作，其主要內(nèi)容是評(píng)價(jià)人員對(duì)生產(chǎn)過程安全狀況的辨識(shí)。然而，識(shí)別井下復(fù)雜環(huán)境下的所有因素是困難的，常常會(huì)影響到風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，甚至可能導(dǎo)致人為的失誤，造成災(zāi)難性后果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了有效的手段。在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，可以交互式地對(duì)作業(yè)空間進(jìn)行多角度觀測，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)

4、過程更加科學(xué)的評(píng)估。1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用(4)(4)事故調(diào)查與分析事故調(diào)查與分析 在計(jì)算機(jī)里再現(xiàn)事故發(fā)生的過程，事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測、析事故發(fā)生的經(jīng)過，找出事故發(fā)生的原因，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因和現(xiàn)場人員的動(dòng)作行為；同時(shí)可以通過交互式地改變VR環(huán)境中模型的參數(shù)或狀態(tài)，找到如何避免類似事故發(fā)生的途徑，制定相關(guān)預(yù)防措施。 1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用 (5) (5)安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別 通過基于VR的安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練者在VR生成的虛擬作業(yè)現(xiàn)場導(dǎo)航，對(duì)各種動(dòng)態(tài)目標(biāo)和靜態(tài)對(duì)象進(jìn)行觀察，以識(shí)別潛在的危險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)和行

5、為;一經(jīng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，使用者必須回答一系列相關(guān)問題，選擇出正確的危險(xiǎn)處理方法，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo)。 諾丁漢大學(xué)開發(fā)的SAEF-VR系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)在安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別中的典型應(yīng)用之一。 參加訓(xùn)練者可以在虛擬場景中按頂板支護(hù)規(guī)程監(jiān)察頂板的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，如不正確安裝的螺栓、不正確的支架間距、滲水等。 參訓(xùn)者可在不同操作狀態(tài)下對(duì)設(shè)備的各個(gè)部分和環(huán)境進(jìn)行多種情形下的檢驗(yàn)。當(dāng)參加培訓(xùn)者進(jìn)入不正確的位置或進(jìn)行不正確操作時(shí)，危險(xiǎn)就會(huì)發(fā)生 1.虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用 (6) (6)礦井火災(zāi)、瓦斯等事故仿真礦井火災(zāi)、瓦斯等事故仿真 通過模擬真實(shí)的礦井作業(yè)環(huán)境，并結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析和CFD模

6、擬的結(jié)果，可以逼真地展示出火災(zāi)或爆炸發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程除了模擬煙火彌漫狀況外，還可通過人機(jī)交互作用顯示出人為因素，如反風(fēng)、滅火措施等對(duì)整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響。 在礦井的某些位置，可以對(duì)火災(zāi)或爆炸進(jìn)行模擬，并隨之產(chǎn)生有關(guān)環(huán)境參數(shù)的各種變化。 巷道火災(zāi)跑車事故2.虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用 VRCoal主要用于采煤機(jī)的操作培訓(xùn)?？蓸?gòu)建較真實(shí)的采煤環(huán)境，為用戶提供了采煤機(jī)、梭式礦車、采煤工作面、煤層、煤層頂?shù)装宓娜S模型;另外，可為用戶提供了聲音效果，這些聲音是在真實(shí)的采礦環(huán)境中錄制的，并進(jìn)行了混音處理?？墒褂脩舭凑照娴牟僮髅姘鍖?duì)采煤機(jī)進(jìn)行虛擬控制，如采煤機(jī)的前進(jìn)、后退

7、、對(duì)齊煤層、裝車等。當(dāng)采煤機(jī)遇到不同巖性的巖石時(shí)，采煤速度會(huì)自動(dòng)改變，如遇到焦變煤時(shí)會(huì)加速，遇到巖石時(shí)會(huì)減速等。VRCoal可以保存學(xué)員的培訓(xùn)日志，供教員在評(píng)估培訓(xùn)效果時(shí)參考，以決定該員是否達(dá)到培訓(xùn)要求。 2.虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用 SafeVR是英國諾丁漢大學(xué)AIMS研究所的研究人員開發(fā)的安全培訓(xùn)VR軟件包?？捎?xùn)練學(xué)員正確判斷險(xiǎn)情并作相應(yīng)的處理。用戶可以讓學(xué)員指出一種險(xiǎn)情并選擇最佳的解決方案。用戶可以定義自己列表并創(chuàng)建一種險(xiǎn)情。用戶還可為每一類對(duì)象關(guān)聯(lián)聲音，聲音是根據(jù)情的存在與否而定的(如管道泄露時(shí)會(huì)發(fā)出“世噬”的響聲)。 使用鍵盤，鼠標(biāo)，或者操縱桿

8、操作，可用鼠標(biāo)或觸摸屏來排查險(xiǎn)情。系統(tǒng)提供培訓(xùn)課程的全面總結(jié)。學(xué)員可以看到所有他所遺漏的險(xiǎn)情，并可以讓程序給出它們的位置。對(duì)于每一個(gè)險(xiǎn)情，都有附加的文件與其相關(guān)聯(lián)。當(dāng)學(xué)員要求得到任險(xiǎn)情的其它信息時(shí)，不同的多媒體文件(聲音、錄像、文本等)，甚至其它的應(yīng)用程序，能夠自動(dòng)地顯示或打開。2.虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)在礦山安全培訓(xùn)方面的應(yīng)用 VROOM是AIMS的研究人員開發(fā)的另一個(gè)軟件，主要用于礦山機(jī)械設(shè)備的操作培訓(xùn)方面，如采掘機(jī)的使用，拖車的實(shí)時(shí)駕駛等。包含大量的虛擬礦山模型，如礦山表面紋理、卡車、托運(yùn)線路、鉆機(jī)、推土機(jī)、索斗鏟、維修車、礦山工人等，以便完成虛擬環(huán)境的創(chuàng)建。 VROO

9、M具有如下功能:可以導(dǎo)入數(shù)字高程模型或者地表和地下礦坑的線框模型用真實(shí)的地表紋理選擇性地繪制地表;從三維對(duì)象庫中添加植被或礦山地形;導(dǎo)入或者數(shù)字化道路，并可添加活動(dòng)物體，如拖車、推土機(jī)等;設(shè)置交通工具的屬性;為固定的視點(diǎn)位置設(shè)定坐標(biāo)。完成了虛擬環(huán)境建模，用戶便可進(jìn)入虛擬環(huán)境，在地表或地下飛行、行走或者駕駛車輛。用戶可以使用鍵、鼠標(biāo)或者操縱桿來操縱方向，在與其它車輛相遇時(shí)，還會(huì)有逼真的聲音效果。3.虛擬技術(shù)在煤礦中應(yīng)用的不足虛擬技術(shù)在煤礦中應(yīng)用的不足 （1）目前國內(nèi)外煤礦VR系統(tǒng)中，著重于虛擬環(huán)境圖形信息的幾何表達(dá)，基本未著重考慮虛擬環(huán)境的智能性問題； （2）大多數(shù)場景中的物體是靜態(tài)的、被動(dòng)的、無生命的，還缺少對(duì)井下作業(yè)人員、運(yùn)輸車輛等高級(jí)實(shí)體的行為建模與研究，不能表現(xiàn)高級(jí)實(shí)體在環(huán)境中的行為方式及其與虛擬環(huán)境的交互作用; （3）缺少對(duì)井下物理環(huán)境的逼真表達(dá)與模擬方法，或者使用了過于簡單的自然環(huán)境模型，造成虛擬環(huán)境與真實(shí)世界有較大差異，嚴(yán)重制約了VR系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。近期發(fā)展方向 嵌入式3D可視化操控平臺(tái) 以虛擬仿真技術(shù)為主要平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，采集工作面中相關(guān)設(shè)備的真實(shí)數(shù)據(jù)，真實(shí)再現(xiàn)井上井下設(shè)備的操作及控制; 替代傳統(tǒng)二維圖片設(shè)備控制，提升遠(yuǎn)程操作安全和準(zhǔn)確性。 智能化成套裝備仿真體