虚拟现实技术在煤矿领域的应用

虚拟现实在煤矿领域中的应用河南理工大学计算机学院河南省高校矿山信息化重点实验室几种虚拟现实虚拟环境虚拟房间虚拟汽车虚拟人虚拟现实系统硬件配置示意图：几种常用的虚拟现实设备：高性能图形计算机环形屏幕头盔眼镜三维显示器三维鼠标手套虚拟现实技术在煤矿领域中的应用•虚拟现实技术在煤矿中的应用•虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用•虚拟现实技术在煤矿应用中的不足•近期发展方向•虚拟现实在矿山应用案例1.虚拟现实在煤矿领域的应用与其他领域相比，煤炭企由于资金等条件的限制，虚拟现实技术应用研究显得比较滞后，一直没有能够得到人们重视。直到20世纪90年代后期，随着煤炭行业信息化进程的日益加快，国内外的研究人员才逐渐认识到虚拟现实技术应用于煤炭行业的重要性，并在理论和实际应用方面做了探索性的研究。主要体现在：(l)矿井规划、设计与辅助决策普阳露天煤矿五期改建规划设计总平面布置图1.虚拟现实在煤矿领域的应用(2)井下作业模拟与设备操作训练VR创造出的矿山生产环境具有逼真、交互的特点，可以模拟采矿作业过程和空间环境，适于井下作业模拟与虚拟培训。系统提供了灵活的用户界面，可以设定设备型号及数量、作业参数，也可选择煤柱尺寸、回采巷道的数量和几何参数等，而且可动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。还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a.煤矿技能模拟操作实训台b.采煤机模拟实训1.虚拟现实在煤矿领域的应用(3)井下环境风险评估风险评估目前已成为现代矿山生产管理的重要工作，其主要内容是评价人员对生产过程安全状况的辨识。然而，识别井下复杂环境下的所有因素是困难的，常常会影响到风险分析的结果，甚至可能导致人为的失误，造成灾难性后果。虚拟现实技术的发展为风险评价提供了有效的手段。在计算机生成的虚拟环境中，可以交互式地对作业空间进行多角度观测，实现对生产过程更加科学的评估。1.虚拟现实在煤矿领域的应用(4)事故调查与分析在计算机里再现事故发生的过程，事故调查者可以从各种角度去观测、析事故发生的经过，找出事故发生的原因，包括系统设计原因和现场人员的动作行为；同时可以通过交互式地改变VR环境中模型的参数或状态，找到如何避免类似事故发生的途径，制定相关预防措施。1.虚拟现实在煤矿领域的应用(5)安全监察与危险识别通过基于VR的安全监察与危险识别训练系统，训练者在VR生成的虚拟作业现场导航，对各种动态目标和静态对象进行观察，以识别潜在的危险、风险和行为;一经发现危险源，使用者必须回答一系列相关问题，选择出正确的危险处理方法，实现训练目标。诺丁汉大学开发的SAEF-VR系统是虚拟现实在安全监察与危险识别中的典型应用之一。参加训练者可以在虚拟场景中按顶板支护规程监察顶板的状态，发现潜在的危险，如不正确安装的螺栓、不正确的支架间距、渗水等。参训者可在不同操作状态下对设备的各个部分和环境进行多种情形下的检验。当参加培训者进入不正确的位置或进行不正确操作时，危险就会发生1.虚拟现实在煤矿领域的应用(6)矿井火灾、瓦斯等事故仿真通过模拟真实的矿井作业环境，并结合通风网络分析和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烟火弥漫状况外，还可通过人机交互作用显示出人为因素，如反风、灭火措施等对整个通风网络的影响。在矿井的某些位置，可以对火灾或爆炸进行模拟，并随之产生有关环境参数的各种变化。巷道火灾跑车事故2.虚拟现实在矿山安全培训方面的应用VRCoal主要用于采煤机的操作培训。可构建较真实的采煤环境，为用户提供了采煤机、梭式矿车、采煤工作面、煤层、煤层顶底板的三维模型;另外，可为用户提供了声音效果，这些声音是在真实的采矿环境中录制的，并进行了混音处理。可使用户按照真的操作面板对采煤机进行虚拟控制，如采煤机的前进、后退、对齐煤层、装车等。当采煤机遇到不同岩性的岩石时，采煤速度会自动改变，如遇到焦变煤时会加速，遇到岩石时会减速等。VRCoal可以保存学员的培训日志，供教员在评估培训效果时参考，以决定该员是否达到培训要求。2.虚拟现实在矿山安全培训方面的应用SafeVR是英国诺丁汉大学AIMS研究所的研究人员开发的安全培训VR软件包。可训练学员正确判断险情并作相应的处理。用户可以让学员指出一种险情并选择最佳的解决方案。用户可以定义自己列表并创建一种险情。用户还可为每一类对象关联声音，声音是根据情的存在与否而定的(如管道泄露时会发出“世噬”的响声)。使用键盘，鼠标，或者操纵杆操作，可用鼠标或触摸屏来排查险情。系统提供培训课程的全面总结。学员可以看到所有他所遗漏的险情，并可以让程序给出它们的位置。对于每一个险情，都有附加的文件与其相关联。当学员要求得到任险情的其它信息时，不同的多媒体文件(声音、录像、文本等)，甚至其它的应用程序，能够自动地显示或打开。2.虚拟现实在矿山安全培训方面的应用VROOM是AIMS的研究人员开发的另一个软件，主要用于矿山机械设备的操作培训方面，如采掘机的使用，拖车的实时驾驶等。包含大量的虚拟矿山模型，如矿山表面纹理、卡车、托运线路、钻机、推土机、索斗铲、维修车、矿山工人等，以便完成虚拟环境的创建。VROOM具有如下功能:①可以导入数字高程模型或者地表和地下矿坑的线框模型②用真实的地表纹理选择性地绘制地表;③从三维对象库中添加植被或矿山地形;④导入或者数字化道路，并可添加活动物体，如拖车、推土机等;⑤设置交通工具的属性;⑥为固定的视点位置设定坐标。完成了虚拟环境建模，用户便可进入虚拟环境，在地表或地下飞行、行走或者驾驶车辆。用户可以使用键、鼠标或者操纵杆来操纵方向，在与其它车辆相遇时，还会有逼真的声音效果。3.虚拟技术在煤矿中应用的不足（1）目前国内外煤矿VR系统中，着重于虚拟环境图形信息的几何表达，基本未着重考虑虚拟环境的智能性问题；（2）大多数场景中的物体是静态的、被动的、无生命的，还缺少对井下作业人员、运输车辆等高级实体的行为建模与研究，不能表现高级实体在环境中的行为方式及其与虚拟环境的交互作用;（3）缺少对井下物理环境的逼真表达与模拟方法，或者使用了过于简单的自然环境模型，造成虚拟环境与真实世界有较大差异，严重制约了VR系统的应用价值。近期发展方向•嵌入式3D可视化操控平台以虚拟仿真技术为主要平台进行开发，采集工作面中相关设备的真实数据，真实再现井上井下设备的操作及控制;替代传统二维图片设备控制，提升远程操作安全和准确性。•智能化成套装备仿真体验培训（可用ipad控制电脑端的虚拟机器）矿井工作面地面集控中心顺槽监控联动嵌入式仿真控制平台嵌入式3D可视化操控平台虚拟仿真实训身临其境，视觉和触觉的完美结合。虚拟现实技术在矿山的应用案例•1.煤矿事故仿真救援（VRP，2012）•2.中国矿大采煤平台（VRP，2010）