增强现实技术在矿井通风系统中的应用前景分析.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 ; 分析研究言 文章编号671-251X201808-0010-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018010021 増 强 现 实 技F在 矿 并 通 风 系 统 中 的 应 用 前 景 分 析 成董浩S 浑宝炬1 靳凯34 1.华北理工大学矿业工程学院， 河 北 唐 山 063210; 2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河 北 唐 山 063210; 3.黑龙江科技大学安全工程学院， 黑 龙 江 哈 尔 滨 150022 VR 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180718. 1747. 005. html Application prospect analysis of augmented reality technology in mine ventilation system CHENG Donghao1, HUN Baoju12, JIN Kai3, 4 1. College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China; 2. Hebei Key Lab of Mining Development and Safety Technique, Tangshan 063210, China; 3. School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science 4. National Central Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science mine ventilation ； augmented reality technology ； data visualization ； orientation recognition； orientation guidance; AR; VR 收稿日期 2018-01-10;修回日期 2018-06-20;责任编辑 张强。 基金项目 河北省教育厅科研项目（ ZD20131063。 作者筒介成董浩（ 1990 ，男，河北邯郸人，硕士研究生， 主要研究方向为矿井通风信息化， E-mailhengdonghaosir163. com。 引用格式成董浩， 浑宝炬， 靳凯. 增强现实技术在矿井通风系统中的应用前景分析工矿自动化， 2018,4480-14. CHENG Donghao, HUN BaojuJIN Kai. Application prospect analysis of augmented reality technology in mine ventilation system [J]. Industry and Mine Automation,2018,448 ； 10-14. 2 0 1 8 年 第 8 期成 董 浩 等 增 强 现 实 技 术 在 矿 井 通 风 系 统 中 的 应 用 前 景 分 析 11 〇 引言 随着可穿戴设备和移动通信的发展及相关技术 的突破， 增强现实（ 21191116\631-， 2\技术作 为一项新的人机接口和仿真工具引起了各个领域的 关注， 并且已经应用在诸多生产、 生活领域1 ， 例如， 在飞行器的开发与研制中， 研发人员利用A R 技术 更新飞行场景， 实现全过程的模拟飞行测试2 ;地图 导航中， 用 户 利 用 A R 技术可以实现虚拟指引导航 和全景实时导航[3];古迹修复和数字文化遗产保护 中， 参观者通过A R 技术不仅可以看到图文解说， 还 可以看到残缺部分的虚拟重构； 图书馆通过A R 技 术能 够 为 用 户 在 寻 找 书 籍 时 提 供 实 时 的 路 径 指 向[4]。这些应用有一个共同的特征， 就是采用传统 的方法需要耗费大量的人力物力， 实现效果也不佳， 并且现实中多不可以实现。矿业属于高危行业， 由 于其特殊的工作环境， 需要借助能够有效改善安全 生产的技术进行发展， 因此， 笔者提出了将A R 技术 应用于矿山通风管理。 目前， 国内外矿山对A R 技术的关注度远低于 虚拟现实（ VirtualReality，VR技术[5]， 不少矿山 企业对V R 技术进行了研究。如在国外， 宾西法尼 亚大学开发了矿井人员培训系统， 该系统支持同步 检查所在工作面存在的安全隐患并指导如何正确排 除 及 应 该 采 取 相 应 的 措 施 来 确 保 安 全 [6]。美国 NIOSH Nation Institute of Occupational Safety and Health Pittsburgh 和 Spokane 研究所利用游 戏引擎开发了矿工培训游戏， 用来培训矿工识别井 下地图的能力和遇到火灾情况下的逃生能力[;]。在 国内， 淮南矿业集团潘三矿利用V R 技术开发综采 工作面虚拟仿真系统来激发培训人员的兴趣， 并降 低了培训成本8 。河北冀中能源峰峰集团研制的虚 拟现实仿真培训系统使培训者置身于与本矿山现实 条件一样的虚拟综采工作面中模拟训练开采[9]。山 东能源新矿集团新巨龙公司构建了真实感较强的虚 拟场景增强现实体验， 服务矿井安全生产[10]。从以 上分析可看出， V R 技术在矿山的应用多在模拟演 练、 安全培训和3D 建模上， 很少作为技术和手段应 用到一线生产， 这是因为以现在的V R 技术虚拟现 实环境成本昂贵， 同时在虚拟环境中只能进行体验 和演练， 不能进行真正的生产。 而 A R 技术具有较强的实时交互性及趣味性， 可集成真实世界和虚拟世界的信息， 相 比 V R 技术， AR 技术 实 为 ， 生 ， 其 实 感更强、 价格更加低廉、 应用 领 域 更 广 ， 且应用门 槛低。 目前我国矿山大多进人了深部开采， 通风系统 网络越加复杂， 且通风信息具有显著的时间、 空间变 化特征， 选 用 A R 技术可以用以指导和辅导矿井通 风现场工作， 从而提高矿井通风系统的智能化管理 水平。本文以矿井通风系统管理为切人点， 提出了 将 A R 技术应用到矿井通风系统中的理念， 从数据 模型的3D 可视化、 方位识别和引导、 通风巷道的现 实增 3 方 分 增 实技术 矿井通风系 统中的应用前景。 1增强现实技术概念及其特征 A R 技术， 也称混合现实技术， 简单说就是在真 实现实环境中增加一些虚拟信息的技术， 将现实世 界信息和虚拟世界信息“ 无缝” 焊接， 把现实世界难 以实现的辅助信息， 通过计算机技术和眼镜设备显 现出来， 从而达到超越现实的感官体验[1113]。 AR 技术是通过计算机技术将虚拟的信息应用到真实世 界 ， 实 虚拟 实 地 到 一个画面或空间， 同时存在， 更多使用手机和A R 眼 镜 等 设 备 实 现 [1415]。A R 技 术 具 有 以 下 特 点 和 优势 1 A R 技术成本不高。一套完整的V R 设备 接 近 10万元， 而一个简单的A R 设备仅为一部手机 或一副数字眼镜。 2 实 性及 性 ， 虚拟 实 地叠加到现实画面中， 完美融合， 形成独特的体验。 3 可以在三维尺度空间中增添定位虚拟物 体 。以微软Hololens全息眼镜A R 设备为例， 用户 可 以 通 过 Hololens， 以实际周围环境作为载体， 在 图像上添加各种虚拟信息， 可以完全独立使用， 无需 线缆连接， 也无需同步计算机或智能手机。 2增强现实技术在矿井通风系统中的应用分析 A R 技 术 于 2 0 世 纪 6 0 年代提出， 但智能装备 制造等相关技术亟待突破， 因此， A R 技术一直停留 在理论层面， 未能进行普及和应用。随着信息现代 化和“ 智慧地球” [16]的提出， 智能移动终端（ 智能手 机和平板电脑） 和智能穿戴产品（ A R 眼镜、 智能手 环得到了极大发展与普及， 这 为 A R 技术近几年的 井喷式发展提供了必要条件。近 2 年 ， A R 市场化 12 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 比 V R 步伐更快。谷歌、微软、HTC、联想、 百度等 公司陆续进人增强现实领域。在国外， 美国、 澳大利 亚、 加拿大等国已经尝试将A R 技术应用于煤矿安 全、 事故调查、 教育培训等领域。随着我国矿山企业 的转型升级， 智慧矿山[1718]已经成为矿山企业发展 的必然趋势， 增强现实所能带来诸多解决方案正是 当今矿山企业和高校研究的重点和热点。考虑到矿 井通风系统管理所存在的现实难题， 利 用 A R 技术 自身特点解决最为合适。 矿井通风系统的特点是用风地点分散、 信息量 大、 影响因素多， 巷道通风参数、 通风网络结构等具 有动态特性[19]。目前， 矿井通风系统存在的主要问 题如下 1如何深度挖掘其庞大数据和高效利用矿井 通风监测系统所监测的风压、 风阻、 温度、 CO 浓度 等数据， 解决“ 信息孤岛” 问题。A R 数据模型的3D 可视化可以实现矿井通风系统管理和决策智能化。 “ 现在的矿山基本都进人深部开采阶段， 其 中绝大部分矿井开采时间较长， 通风巷道往往错综 复杂， 很容易迷失方向， 再加上矿井内部巷道不像地 表建筑物容易辨识参照， 而且处在密闭灰暗潮湿的 环境下， 迫切需要提供一种全新的方位识别和引导 技术。 “ 矿井通风系统的基本任务是为井下提供足 够的新鲜空气， 降低井下有毒有害气体和粉尘浓度， 从而调节井下气候， 创造良好的工作环境。同时巷 道又是人员工作活动场所， 人在井下工作需要一个 安全、 健康、 舒适的工作环境， 因此， 对于井下工作人 员来说， 能够实时获取井下当前位置的环境信息显 得尤为重要。 利 用 A R 技术对通风巷道进行现实增强， 可以 让井下工作人员获取当前位置及所处环境的温度、 湿度、 风速、 CO浓度、 含尘浓度等相关信息， 对于异 常情况可以早发现、 早处理， 当情况紧急时可以及时 撤离， 减少事故的发生。 3增强现实技术在矿井通风系统中的应用前景 3.1 数据模型的3D 可视化 通过真实数据的采集， 对巷道、 通风机及风硐、 风桥、 挡风墙、 防爆风门等设施进行三维建模， 建立 A R 设备信息库， 优化矿井传感器和调控设施布置 方案， 利用气压、 风速、 温度、 湿度、 粉尘、 有害气体浓 度传感器以及矿井通风系统状态估计软件， 实现各 风道风阻、 自然风压、 热力风压、 设施状态及环境的 在线感知检测信息收集， 使用终端平台集中处理并 借 助 CalC Fl〇 w、 Kineviz等 3D 数据可视化工具将巷 道的基本信息、 通风建筑物、 通风机属性、 氧气浓度、 瓦斯含量、 风量风压等信息进行3D 可视化） 0]。通 过 A R 技术增强CAD绘制的矿井通风系统图， 这些 矿井通风系统图看上去跟普通的CAD图纸没有差 别 ， 但 是 通 过 手 机 或 数 字 眼 镜 可 以 看 出 不 同 。在 CAD图纸上方会出现一个可以旋转的立体矿井通 风系统， 这个通风系统可以被操作， 用户点击放大该 矿井通风系统， 在旁边会出现各种信息的选项按钮， 点击选项按钮， 可以查询矿山通风网络关键位置和 节点的安全监控、 巷道基本信息、 空气组成成分、 瓦 斯量、 途径风量、 温度和湿度等信息， 信息显现方式 多为文字、 表格、 图片和视频， 操作简单， 生动形象。 用 A R 技术可视化的CAD图纸不仅可以直观、形象 地获取矿井内的实时信息， 还可以把获取信息的过 程自动变成一种体验， 让使用者可以根据自己的意 愿来探索矿井信息， 犹如漫游在矿井之中。 3.2 方位识别和引导 结 合 A R 技术与井下定位技术可以设计定位罗 盘 ， 该罗盘能够为用户提供当前的位置和虚拟路标、 指示杆、 平 面 图 等 ， 可以实现井下方位识别和引 导） 1]。目前， 井下的方位识别和引导方式包括罗 盘、 基 于 RFID、 WiFi、 UWB等外部信号进行定位、 指引标识、 人工指 引 等 ） 223]。A R 技术定位识别和 引导对精度有一定的要求， 在井下大面积布设相应 的基站基本能满足A R 定位识别和引导的要求。考 虑到煤矿井下光照强度低和井下巷道狭长、 位置信 息可能不准确等问题， 除了基于RFID、 WiFi、 UWB 等外部信号进行定位外， 还可以引人一种辅助定位。 在光照强度低的井下巷道， 将矿灯作为井下人员的 特征识别物， 建立摄像机与矿灯在巷道地面上映射 点所构成的三维空间直线， 通过计算摄像机与映射 点所 成 三维 直线 矿 巷 地 所在平面的交叉点， 获得井下人员的位置坐标， 实现 在光照强度低的带状结构巷道场景中的井下人员定 位） 4]。运 用 A R 技术后， 在矿井移动过程中， 井下 工作人员所在的位置不再是无关变量， 而是与所在 环境产生相关性， 通过用户位置信息计算生成指引 信息。井下工作人员佩戴A R 眼镜后， 其所在位置 的方位信息便会被叠加到现实的巷道中， 输人目的 地 ， 会在现实巷道中出现一条虚拟的指引路线， 从而 2 0 1 8 年 第 8 期成 董 浩 等 增 强 现 实 技 术 在 矿 井 通 风 系 统 中 的 应 用 前 景 分 析 13 可得到准确指引。 3.3 通风巷道的现实增强 对通风巷道进行现实增强， 就是对通风巷道环 境进行增强， 在真实现场构建虚拟模型。根据矿井 的实际情况， 建立煤矿巷道基本参数数据库、 通风测 定仪器数据库、 煤矿瓦斯数据库、 防尘数据库、 井下 水情数据库、 特殊区域（ 采空区、 冒顶区域） 数据库 等 。对通风巷道进行现实增强需要建立信息一体化 监控平台， 对所有的监测子系统进行数据实时采集、 处理、 存 储 、 显 示 。同时， 需要建立与之相匹配的 A R 数据模型库， 如虚拟警示牌、 虚拟信息显示框 架、 警示音等。 A R 终端设备会自动对A R 数据库和 一体化监测平台进行匹配， 生成虚拟模型。因为井 下环境复杂， 采集现场图像时摄像角度与计算机模 型会存在误差， 可以在一些巷道空间中增添定位虚 拟物体， 支持现场输人和更改， 佩戴眼镜不需要联网 和计算机处理， 即在不需要实时信息更新的区域（ 采 空区、 冒顶区域、 避难硐室） 建立定点虚拟模型， 利用 辅助定位和周围环境来定位虚拟模型成像。 通风巷道的现实增强具体思路如下 当对通风 设备检测维修时， 通风人员通过数字眼镜查看到故 障的机器时， 不需要亲自去检查机器， 终端设备会处 理数据， 并给出非常详细的、 有动画演示的维修步 骤;佩戴数字眼镜的矿工在井下行走时， 眼前会出现 温度、 风量、 CO含量等相关信息， 并且显示安全出 口所在位置和车辆是否通行等相关信息； 当行走在 危险区域， 比如采空区、 冒顶区域， 会出现虚拟警示 牌、 警示音等， 提高员工的警惕性； 在遇到紧急事故 时， A R 技术通过终端设备为逃生者规划最优逃生 路线和显示最近的避难硐室， 会在使用者的眼前生 成具体的虚拟逃生路线， 逃生路线会根据逃生者的 移动随时进行最优化指引， 避免因慌乱而措手不及。 4结论 1 A R 技术在我国矿井通风中的应用还处于 初步探索阶段， 有许多方面还不完善， 比如井下高精 度定位， 但 随 着 A R 技术的深人研究和矿山相关技 术的发展， A R 技术势必会成为矿井通风管理中数 据 3D 可视化、 方位识别和引导、 通风巷道现实增 强、 救灾救援等方面的新型技术手段， 为我国矿山智 能化提供科技前沿技术支持。 “ 作为新兴的信息技术， A R 技术在矿井通风 系统管理中的作用还需要进一步的探讨， 但从近 2 年的实际应用来看， 前景是十分乐观的。不久的 将来， A R 技术和V R 技术将会结合， 并且会结合更 多高新科技元素， 如物联网、 云计算、 大数据、 人工智 能等， 其在矿井通风领域的发展前景也会越来越 广泛。 参 考 文 献 （ References 1 *王 培 霖 ， 梁 奥 龄 ， 罗 柯 ， 等 . 增 强 现 实 （ A R 现 状 、 挑战 及 产 学 研 一 体 化 展 望 [R ].中 国 电 化 教 育 ， 20173 16-23. 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