煤矿井下生产作业流程模拟系统构建.pdf

中图分类号TD82 论文编号2017301109 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 煤矿井下生产作业流程模拟系统构建煤矿井下生产作业流程模拟系统构建 作者姓名作者姓名朱晓亮朱晓亮 学科名称学科名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向采矿工艺与技术采矿工艺与技术 学习单位学习单位华华北理工大学北理工大学 学制学制 3 年年 提交日期提交日期2017 年年 12 月月 2 日日 申请学位类别申请学位类别工程硕士工程硕士 导师导师 姓名姓名刘亚静刘亚静 教授教授 单位单位华北理工大学矿业工程学院华北理工大学矿业工程学院 佟占生佟占生 高工高工 单位单位开滦股份吕家坨矿业分公司开滦股份吕家坨矿业分公司 论文评阅人论文评阅人匿名匿名 单位单位 匿名匿名 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 01 月月 22 日日 答辩委员会主席答辩委员会主席赵红蕊赵红蕊 教授教授 关关 键键 词词 虚拟现实；采矿模拟；矿山灾害模拟；矿山安全；虚拟现实；采矿模拟；矿山灾害模拟；矿山安全；VRP 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2018 年年 3 月月 万方数据 Construction of Coal Mine Underground Production Process Simulation System Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Zhu Xiaoliang Mineral Engineering Supervisor Professor Liu Yajing Tong Zhansheng March, 2018 万方数据 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名 日期2018 年 3 月 4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自 年 月 日起 作者签名 导师签名 签字日期2018 年 3 月 4 日 签字日期2018 年 3 月 4 日 √ 万方数据 摘 要 - I - 摘 要 煤矿井下生产作业是我国煤炭能源开采利用的一个重要环节。由于我国是煤矿 能源利用大国，煤矿产业是我国发展的经济支柱，因此我国的煤矿开采场地众多， 煤矿企业林立。而目前我国煤矿开采的员工大多以本科毕业生为主，学生毕业前去 井下实习时间短暂，而学生们的接受能力又不能及时掌握作业流程与安全法规。另 外，许多突发因素和不规范操作并不能及时发现纠正，加之许多采矿工人都没有遇 到过的诸如瓦斯爆炸、冒顶等灾难更是学生不能理解的，这就导致了所学所用不能 对接，矿山开采安全隐患严重的问题。 结合上述特点，系统将虚拟现实技术引入到井下煤矿开采作业过程中来。用三 维建模虚拟实现的方式实现开采作业流程，并加入开采作业过程中可能发生的灾害 事故模拟，以尽可能的逼真还原真实井下煤矿的开采过程，以供使用者在无法到实 地学习的情况下也可以对采矿流程有一个形象的概念，对煤矿灾难的触发原因以及 灾害结果有一个切身的感受。 通过对我国现阶段煤矿开采流程进行的探讨研究，在实地进行调查获取真实情 况的基础上，将现在较为火热的虚拟现实技术融入其中，对煤矿井下生产作业流程 进行建模模拟，并创造性地将工作流程与矿山事故模拟、矿山安全知识呈现融为一 体，构建了煤矿井下生产作业流程模拟系统。虚拟矿山模型及井巷模型在实地勘察 的基础上，以 3DS Max 为工具进行建模，以 VRP 虚拟现实平台为工具进行场景搭 建，从而达到逼真还原现实的目的。 图 31 幅；表 0 个；参 43 篇。 关键词关键词虚拟现实；采矿模拟；矿山灾害模拟；矿山安全；虚拟现实；采矿模拟；矿山灾害模拟；矿山安全；VRP 分类号分类号TD82 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract Underground production of coal mine is an important link of coal energy exploitation and utilization in China. Since China is an energy consumption power country with coal mine industry as its pillar of economic development, China has numerous collieries and coal mine enterprises. At present, most of the employees of coal mining in China are mainly university graduates, and the time that students go underground to study in the field is short. In consideration of students’ receptivity, it is difficult for them to master the operation procedure and safety rules. In addition, unexpected factors and nonstandard operations cant be corrected in time, and some disasters such as gas explosions, roof caving and other disasters cant be understood, which adds to the difficulty for students to apply what they have learned to avoid potential safety hazard in the process of coal mine. In view of the problems mentioned above, system will introduce the virtual reality technology into the process of underground coal mining. In order to reappear the underground mining process as realistically as possible, the system will use three- dimensional modeling and virtual realization and add the disaster accident simulation that may occur in this system. Users can also have an image of the mining process without being able to study in the field, and have a personal feeling about the cause of the coal mine disaster and the result of the disaster. On the basis of discussion and research of Chinas mining process at present stage and field work for obtaining true ination, the popular virtual reality technology will be integrated into the system so that the system can simulate the underground production process in coal mine. Moreover, the system creatively combines mining process, mine accident stimulation and mine safety knowledge, all of which the system. On the basis of field investigation, virtual mine model and well lane model use 3DS Max as tool to model and take advantage of VRP virtual reality plat to set up the scene, thus achieving the goal of representing real scene. Figure 31; Table 0; Reference 43 Keywords virtual reality, mining simulation, mine disaster simulation, mine safety,VRP Chinese books catalog TD82 万方数据 目 次 - III - 目 次 引 言 ................................................................................................................... 1 第 1 章 绪论 ............................................................................................................. 2 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................... 2 1.1.1 研究背景 ............................................................................................ 2 1.1.2 研究意义 ............................................................................................ 3 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................... 4 1.2.1 国内研究现状 .................................................................................... 4 1.2.2 国外研究现状 .................................................................................... 6 1.3 研究思路及研究方法 .................................................................................. 7 1.4 本章小结 ...................................................................................................... 8 第 2 章 相关概念及理论 .......................................................................................... 9 2.1 虚拟现实技术及可视化理论 ....................................................................... 9 2.1.1 虚拟现实技术定义 ............................................................................. 9 2.1.2 虚拟实现技术特征 ............................................................................. 9 2.1.3 煤矿井下生产作业流程模拟系统总体框架设计............................. 11 2.2 煤矿井下生产作业流程三维虚拟建模软件 3DS Max .............................. 13 2.2.1 3DS Max 优点 ................................................................................... 13 2.2.2 3DS Max 建模方法 ........................................................................... 13 2.3 井下实体三维建模理论研究 ..................................................................... 14 2.3.1 静态实体模型构建 ........................................................................... 14 2.3.2 动态实体模型构建 ........................................................................... 15 2.4 本章小结 .................................................................................................... 15 第 3 章 三维矿山虚拟建模技术研究 ..................................................................... 16 3.1 VRP 平台 .................................................................................................... 16 3.1.1 VRP-Builder ...................................................................................... 16 3.2 建模流程及技术 ........................................................................................ 17 3.3 主要场景模型建模设计 ............................................................................. 17 3.3.1 地表模型设计 .................................................................................. 18 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 3.3.2 巷道及井下模型设计 ...................................................................... 19 3.3.3 人物模型及角色创建设计 ............................................................... 19 3.4 动画展示模型设计 .................................................................................... 20 3.5 粒子系统模型设计 .................................................................................... 22 3.6 本章小结 ................................................................................................... 24 第 4 章 系统需求分析和设计 ................................................................................ 25 4.1 系统设计概念 ............................................................................................ 25 4.2 系统需求分析 ............................................................................................ 26 4.2.1 系统功能分析 .................................................................................. 27 4.2.2 采矿过程分析 .................................................................................. 28 4.3 系统概要设计 ............................................................................................ 28 4.3.1 系统功能模块的划分 ...................................................................... 28 4.3.2 系统的主流程图 .............................................................................. 30 4.4 UML 图构建............................................................................................... 32 4.5 本章小结 ................................................................................................... 33 第 5 章 基于 VRP 平台的井下作业虚拟仿真系统实现 ........................................ 34 5.1 三维虚拟模型实现 .................................................................................... 34 5.1.1 三维虚拟模型实现 .......................................................................... 34 5.1.2 VRP 中模型实现 .............................................................................. 36 5.2 虚拟仿真系统界面实现 ............................................................................ 37 5.2.1 界面布局 .......................................................................................... 37 5.2.2 系统操作按键 .................................................................................. 38 5.3 虚拟仿真系统功能实现 ............................................................................ 39 5.3.1 煤矿井下生产作业流程模拟实现 ................................................... 39 5.3.2 瓦斯爆炸效果实现 .......................................................................... 40 5.3.3 冒顶效果实现 .................................................................................. 41 5.3.4 其他 VRP 场景效果实现例举 ......................................................... 43 5.4 虚拟仿真系统作业流程 ............................................................................ 45 5.5 本章小结 ................................................................................................... 46 万方数据 目 次 - V - 第 6 章 总结和展望 ................................................................................................ 47 参考文献 ................................................................................................................. 49 致 谢 ..................................................................................................................... 52 导师简介 ................................................................................................................. 53 作者简介 ................................................................................................................. 54 学位论文数据集 ...................................................................................................... 55 万方数据 引 言 - 1 - 引 言 井下煤矿作业是我国矿山开采的重要环节，作为煤矿开采的直接过程，一直被 高度关注。国家相关部门更是制订了详尽的操作规范和安全法律来保障井下煤矿开 采的有序进行。然而由于其作业场地位于地下，环境较为复杂，不仅要考虑煤矿体 开采过程中的巷道稳固，还要考虑地质结构以及煤矿周围的储水储气通风问题，安 全问题极为严重；也是因为特殊的工作场地，对员工规范化施工操作不能进行及时 的监管，而新人又很少有机会去井下实地采掘，这就导致了操作流程重要却无法及 时高效的向新人传播的严肃问题。 进入 21 世纪以来，虚拟现实技术已经广泛应用于民用。特别是在近几年，随 着相应技术的不断探索，虚拟现实技术更是实现了突飞猛进的发展，该技术在医 疗、三维打印等领域的运用越发成熟。将虚拟现实技术在各行各业的应用也成为了 各领域进行创新与技术更迭的关键一步。通过利用三维构建软件形成的三维模型， 拼接成一个较为逼真的场景，使用户在操控虚拟人物进行操作时可以有身临其境的 感觉，因此虚拟现实在采矿领域有非常好的前景。 本系统结合现实情况与技术特点，将虚拟现实技术引入到井下煤矿开采作业过 程中来，将开采作业的流程用三维建模虚拟实现的方式制作出来，并将在开采作业 过程中可能发生的灾害事故以模拟演示的方式加入其中，以尽可能的逼真还原真实 井下煤矿的开采过程，供使用者在无法到实地学习的情况下也可以对采矿流程有一 个形象的概念，对煤矿灾难的触发原因以及灾害结果有一个切身的感受。论文对煤 矿井下生产作业流程进行建模模拟，并创造性地将工作流程与矿山事故模拟、矿山 安全知识传播融入为一体，构建了煤矿井下生产作业流程模拟系统。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 煤矿作为我国重要的能源之一，是带动我国经济发展的主要支撑动力。在改革 开放初期，煤矿开采对我国经济的飞速增长起到了拉动作用，也正因如此，我国对 煤矿的开采技术较为成熟。而我国地域广阔，煤矿散落各地，矿厂横生，煤矿成为 财富的象征。然而煤矿开采行业其工作地点却是一个极为特殊的场所，由于我国煤 矿大多存在于地下几十米深处，其开采环境极为恶劣，开采难度很大。虽然我国已 经拥有较为成熟的技术，但是地下环境的多变仍然使该行业成为一个高危行业。 由于井下环境光线昏暗，巷道布置的层位交叉错综复杂，井下作业空间狭小及 危险的多变性、隐蔽性和受各种突发情况影响等给安检人员的巡查工作和对矿工进 行安全教育与培训带来难度[1]。从事煤炭行业的工作人员和科研人员一般靠文字、 工程图纸等来了解和熟悉煤矿生产作业流程和生产状况。用文字和图纸来讲授和学 习，很难形象直观地反映出井下设备运转和巷道布置与支护等真实情况，对井下生 产作业流程进行培训的效果也并不理想；深入矿井现场认识井下生产状况和井下生 产作业流程虽然是最基本最可靠的一种方法，但是费时费力。这就迫切的需要利用 现代化的信息技术对煤矿井下生产状况和煤矿井下生产作业流程进行再现和重构。 同时，为减少煤矿安全事故造成损失，各级煤矿生产主管部门和生产企业均建立了 事故应急救援预案，事故应急救援演练或者演习是其中重要的一项工作。应急救援 演练需要消耗大量人力和财力，对正常的生产和生活持续造成一定影响，因此需要 建立智能化煤矿虚拟仿真平台，实现各部门应急救援演练和评估，充分体现安全事 故损失控制、预防为主、常备不懈、统一指挥、高效协调以及持续改进的思想[2]。 虚拟现实技术作为 21 世纪新兴的一门技术已经被广泛的应用于航空、航天、 船舶、铁道、建筑、土木、科学可视化、医疗、军事、教育、娱乐、艺术、体育等 领域。它具有多媒体信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特点[3]。利用虚拟现 实技术进行煤矿井下生产作业流程系统模拟和应急救援演练是一种新的尝试，利用 计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维空 间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用 万方数据 第 1 章 绪论 - 3 - 户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，改进人们利用计算机进行多工程数据 处理的方式。因此，虚拟现实技术的应用已成为将来的必然趋势。但目前虚拟现实 技术在煤炭工业方面的研究属于起步阶段[3]。 本文根据现实中井下巷道开采的实际情况加之现阶段对虚拟实现采矿场景的需 求，通过对虚拟现实系统构建的基础理论及技术流程进行探讨，在掌握基础技术及 概念的基础上模拟井下生产作业流程，并通过对矿山灾害资料的整理分析，添加矿 山开采过程中矿山灾害模块，构造一个集井下煤矿开采作业、矿山灾害、安全知识 传播于一体的模拟系统。 1.1.2 研究意义 随着我国高产高效矿井的建设与发展，加快煤矿工业的改革与技术创新，使得 产业结构得到调整，产品的系列化不断完善，形成采煤、掘进、通风、提升、运 输、供电、排水等不同生产系统，为满足煤炭工业的综合机械化发展需求提供可靠 保证。因此，对煤矿技术人员、煤矿工人和在校老师、学生来说，通过文字或者图 纸的讲授进行熟悉煤矿井下生产作业流程的时候，效果很不理想。即使通过井下实 习，由于矿井生产系统庞大，井下工作环境和井下生产作业流程复杂，在短时间内 根本不可能非常熟悉整个矿井的空间结构、层位关系、生产系统、生产作业流程和 运营状况等，严重制约煤矿的安全高效生产。虚拟现实技术具有逼真的三维视、 听、嗅觉的特点，在医疗、娱乐艺术、军事航空、制造领域等得到了广泛应用。将 虚拟现实技术应用于煤矿行业，模拟井下生产作业流程，满足了对工作人员进行培 训的需求，也为煤矿安全生产提供了保障[2-4]。基于虚拟现实技术的煤矿井下生产 作业流程模拟系统就是在这样的背景下提出的，根据巷道数据、设备数据等构建巷 道、设备三维模型，生动地展示煤矿井下工作环境和生产作业流程。 构建煤矿井下生产作业流程模拟系统具有以下几个方面的重要意义 （1）现实生活中的井下煤矿开采作业属于危险性较高的工作，因其工作场地 位于地表之下，受内在破坏和外在地质体构造的影响，极易在工作之中发生危险事 故，因此对于新手矿工在实际下井前进行相关知识技能的培训以及相关安全知识的 传授很有必要。虚拟现实技术在煤矿开采中的应用很好地解决了这一问题。因为虚 拟现实技术可以使员工在一个相对安全的地方体验真实的矿山开采流程，获得更加 切身的体验感受。虚拟现实技术通过对现实实体进行建模，构造出一个几近接近现 实的三维虚拟环境，并附之以音效动画等实现身临其境的效果，这相对与以往的教 科书式的文字较少和口耳相传死记硬背的安全知识的传播更具有实际效果，也能让 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 用户更好地接受这些知识也能让用户在之后实际工作中有熟悉感，尽快投入到工作 中去。 （2）目前国内矿业领域的虚拟现实系统研究刚刚起步，国外在矿业领域已有 不少矿山虚拟现实系统，但这些软件不仅在价格上比较昂贵，而且使用范围有一定 的局限，另外，高额的培训、维护费用对于那些效益不佳的企业是无法承受的。因 此，开发一套使用方便、价格低廉、易于掌握、适合于中国煤矿企业的虚拟现实系 统是非常必要的。论文正是在此基础上进行井下生产作业流程和虚拟现实系统理论 与关键技术研究，模拟煤矿井下生产三维环境，构建煤矿井下生产作业流程模拟系 统，既能使煤矿工作人员熟悉井下生产环境和作业流程，满足煤矿的安全教育培训 需求，也为煤矿企业的矿井应急救援工作提供一定的帮助信息，为煤矿防灾减灾提 供有效预防及控制措施[4]。 1.2 国内外研究现状 虚拟现实技术在 21 世纪来临之际已经开始广泛应用于军用和商用。在近几年 随着相应技术的不断探索，虚拟现实技术更是实现了突飞猛进的发展，该技术在医 疗、三维打印等领域的运用越发成熟。虚拟现实技术在各行各业的应用也成为了各 领域进行创新与技术更迭的关键一步。通过利用三维建模软件构建逼真的三维模型 并将模型融合成为虚拟场景，使用户可以有身临其境的感觉，因此虚拟现实在采矿 领域有非常好的前景。 1.2.1 国内研究现状 相对于国外所取得的大量成果，国内关于虚拟现实技术在煤矿生产方面的应用 起步较晚，无论从理论上还是实践应用上都存在比较大的差距，尚处于初级阶段。 西安科技大学的刘洋以 Vega 作为二次开发平台，开发了综掘工作面仿真系 统，针对综掘工作面的特点对掘进工艺流程进行模拟仿真，对于改进传统的矿山安 全等学习和教学具有重要的意义[1]。 东北大学的张鹏海基于东北大学虚拟现实系统，建立起包括露天坑地表、矿 体、巷道、采场、矿山机械等三维场景，带有虚拟漫游、数据库查询和交互控制功 能的一整套虚拟矿山系统[5,6]。 中南大学学的苏诺将虚拟现实技术应用于实时碰撞检测，因碰撞检测要考虑瞬 发性和速度等较难控制的变量，而现实生活中的碰撞检测又需要较大成本，且误差 不可控，因此研究者用虚拟现实技术实现碰撞检测，通过在虚拟环境中构建新的算 万方数据 第 1 章 绪论 - 5 - 法实现了提高碰撞检测速度的效果[7]。 中国矿业大学的张辉、聂百胜、许滕等人对虚拟现实技术的应用进行研究，分 析了 VR 技术应用方向，并结合国内现有产品的应用情况提出了沉浸自然式虚拟现 实技术可作为我国未来虚拟现实技术研发的主要方面[8]。 东北大学的郭甲腾对地矿工程的工作需求进行研究，在整合地