國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實研究方面則是剛剛起步,在煤礦中虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用在重大事故調(diào)查事故分析中。如陜西某礦發(fā)生的特別重大瓦斯爆炸事故,開發(fā)了煤礦瓦斯爆炸及火災(zāi)事故虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),并成功應(yīng)用于對該礦事故的調(diào)查分析,利用粒子系統(tǒng)和動態(tài)文理技術(shù)表現(xiàn)瓦斯爆炸、火災(zāi),形象地顯示了復(fù)雜的事故過程和發(fā)生原因。
1.簡介
利用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬井下各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,供采礦工程專業(yè)的學(xué)生VR實習(xí)訓(xùn)練,既降低實習(xí)費用,又縮短教學(xué)時間,讓更多的人接受高等教育;
VR煤礦仿真系統(tǒng)對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓(xùn),虛擬井下的各種工況及險情,使被訓(xùn)練者身臨其境地去體驗,并學(xué)會采取有效的應(yīng)急措施去處理各種險情,以提高人員素質(zhì),消除事故隱患。
2.應(yīng)用領(lǐng)域
2.1 礦井開采模擬
采掘工作面是煤礦安全生產(chǎn)的比較前線,安全生產(chǎn)矛盾比較為集中、安全條件比較差、作業(yè)人員比較多、設(shè)備集中、空間狹窄、工作行走受限,是頂板、瓦斯、煤塵、火災(zāi)等災(zāi)害的多發(fā)地點,也是系統(tǒng)比較復(fù)雜的地方。采掘工作面的虛擬實現(xiàn)不僅包括靜態(tài)的虛擬環(huán)境(如頂板、巷道、地板等),還要包括動態(tài)的可交互的虛擬實體(如采煤機、掘進機、液壓支架等)。系統(tǒng)創(chuàng)造的這一三維環(huán)境與現(xiàn)實中的房柱式開采情況極為接近,無論是采礦作業(yè)過程,還是工藝設(shè)備的運行都如同是現(xiàn)場拍攝。更有意義的是操作人員可與這一系統(tǒng)進行交互作用,可以在任意時刻穿越任何空間進入系統(tǒng)模擬出的任何區(qū)域,通過計算機屏幕顯示出所視空間的采礦作業(yè)情況,如設(shè)備當(dāng)前位置和運行狀況,設(shè)備運行的時間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動態(tài)信息。這種模擬超過之前以任何方法建立的模型所達到的效果。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以通過對不同型號設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進行動態(tài)模擬,從而達到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的。顯然,這類系統(tǒng)還可用于礦井開采計算機輔助設(shè)計、生產(chǎn)監(jiān)控、管理和技術(shù)培訓(xùn)等方面。
.2 煤礦人員技術(shù)培訓(xùn)
在礦業(yè)領(lǐng)域可以借助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬井下各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,供采礦工程專業(yè)的學(xué)生實習(xí)訓(xùn)練,這樣既可以降低實習(xí)費用,又可縮短教學(xué)時間,讓更多的人接受高等教育,同時還可對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓(xùn)。煤礦VR安全體驗如虛擬井下的各種工況及險情,使被訓(xùn)練者身臨其境地去體驗,并學(xué)會采取有效的應(yīng)急措施去處理各種險情,以提高人員素質(zhì),消除事故隱患。
諾丁漢大學(xué)AIMS研究室應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的房柱式開采模擬系統(tǒng)VR-MINE、蓄電池機車模型、露天礦單斗卡車工藝生產(chǎn)系統(tǒng)等可分別用于相應(yīng)環(huán)境下工作人員的培訓(xùn)。如用于露天礦卡車司機及相關(guān)人員的培訓(xùn)的露天礦卡車模擬器,該模擬器除采用一般的VR模擬系統(tǒng)硬件及軟件進行人機交互外,還可通過方向盤、加速器和剎車板控制屏幕上卡車的運行,猶如駕駛真正的卡車一般。當(dāng)受訓(xùn)者操作這些硬件時,面對的計算機屏幕或投影大屏幕上呈現(xiàn)出一個三維的真實直觀的露天礦作業(yè)環(huán)境,包括聲音、甚至煙霧,如同駕駛著一輛真實的卡車運行在露天礦的礦坑內(nèi),無論是駕駛的卡車本身,還是環(huán)境中運行的其它設(shè)備,均按照受訓(xùn)者的操作或依據(jù)系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系運行。比如,受訓(xùn)者操作出錯時,同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故。顯然,這種培訓(xùn)手段使人與環(huán)境結(jié)合起來,通過人機交互使受訓(xùn)者產(chǎn)生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它任何培訓(xùn)形式所能產(chǎn)生的效果。
2.3 煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計和制造
虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于大型設(shè)施、設(shè)備的設(shè)計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于對煤礦新設(shè)備的設(shè)計方案進行可視化的性能評估,則更顯示出虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢。由于井下場地狹窄,環(huán)境惡劣,因此對井下設(shè)備的設(shè)計、運行、維修都提出了很高的要求。煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計和制造,其意義不僅僅是節(jié)約資源和時間,而是完成在地面或在常規(guī)條件下無法進行的工作。例如采煤機虛擬設(shè)計中,設(shè)計人員不必等到樣機制造出來,再去修改其中不理想、不合理的部分,因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以容納他們“進入”計算機中的三維空間圖像,借助多種交互手段直接對采煤機的設(shè)計進行觀察、討論和修改,從而大大縮短設(shè)備的研制周期,節(jié)省研制費用。
2.4 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行礦井事故調(diào)查和研究
應(yīng)用計算機繪圖和虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現(xiàn)各種事故發(fā)生的過程,事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測、分析事故發(fā)生的過程,找出事故原因,包括系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場人員的動作行為。同時通過交互式地改變這虛擬模型中環(huán)境的參數(shù)或狀態(tài),從而防止其它與此相關(guān)的潛在事故的出現(xiàn)。
礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災(zāi)害。計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得在災(zāi)變條件下復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)快速解算成為可能,從而指導(dǎo)井下火災(zāi)發(fā)生時正確地控制風(fēng)流,確保井下工作人員安全撤出,防止火災(zāi)和有害氣體、煙塵等的蔓延。
AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災(zāi)VR系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)通過模擬某個真實的礦井作業(yè)環(huán)境,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析和CFD模擬的結(jié)果,可以逼真地展示出火災(zāi)或爆炸發(fā)生的動態(tài)過程。除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統(tǒng)還可通過人機交互作用顯示出人為因素,如反風(fēng)、滅火措施等對整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響。此類系統(tǒng)的開發(fā),無疑可以廣泛地用于礦井火災(zāi)的防治、救災(zāi)和人員培訓(xùn)等方面。
2.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在煤礦防治水工作中
利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維可視化功能可以真實的再現(xiàn)地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度空間的變化情況。以往工作中,通過剖面圖展示含水層、隔水層的分布特點,在平面圖中通過含水層厚度等表現(xiàn)含水層的空間分布狀況,總的來說不直觀也不全面。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中隨著資料的進一步完善,能夠直接的將含水系統(tǒng)真實的展現(xiàn)出來。水文地質(zhì)研究中的重要部分是地下水流的運動規(guī)律,利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以研究的不僅是含水層的展布,同時利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實時變化功能也可以對地下水流的運動變化特征進行虛擬表達,充分展現(xiàn)地下水流的特點:其流向、流速和流量乃至儲存量的變化等,為礦井防治水提供可靠的依據(jù)。
通過建立三維可視化的真實場景,實現(xiàn)覆蓋全生命周期的設(shè)備完整性管理:
(1)對井下主要的機電設(shè)備定位檢測、檢維修數(shù)據(jù)管理,形成與真實場景相吻合的井下排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)的工藝流程再現(xiàn);
(2)全面管理礦山各類信息,反映比較新井下真實狀況,將“各自為政”的信息系統(tǒng)有效共享綜合利用,是井下安全生產(chǎn)管理和應(yīng)急指揮的支撐,是員工入井培訓(xùn)和安全應(yīng)急培訓(xùn)的可視化教材。
基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀、虛擬環(huán)境中多智能體技術(shù)建模方法研究,系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是:
(1)控制與反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過傳感器進行控制并作用于虛擬環(huán)境和反饋來自虛擬世界的信息。
(2)主計算機系統(tǒng)。是進行計算、模擬的主要計算機設(shè)備。
(3)三維模型。通過建模軟件形成的礦井中物體的三維模型。
(4)三維模型運動控制接口。三維模型運動控制接口程序控制礦井生產(chǎn)系統(tǒng)以及礦井中一切需要移動的物體
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