虚拟现实技术在煤矿通风仿真中的应用.docx

虚拟现实（VR）技术，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体变化与相互作用的三维世界，并通过头 盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供给用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可以直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变 化。它具有多煤体信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特点。 目前，在矿井通风作业中普遍存在着一些有待解决的问题，例如测量工作繁重、实际运作成本高、反馈信息数据存在着滞后性、通风系统的效率及精确度低、 实现系统局部或整体的可控性和可视化有一定困难等。应用虚拟现实技术能很好地解决上述问题，依靠现代科学技术和系统工程的方法理论，运用计算机科学技术中 的相关高新技术手段，科学地创建矿井的三维虚拟场景。系统地调整巷道数据以精确生成矿井的通风网络图。用户可以任意调节（添加或删除、改变形状等）通风设 施（风窗、风门、风桥等）或设备（主要通风机、局部通风机等）的参数来快速真实地反映矿井的通风系统变化，给决策者或管理人员提供调整或改造的参考依据。 用户可以在虚拟场景中漫游以逼真显现井下设施和生产或通风状况，带给人以身临其境的感觉。对三维图形进行旋转以满足从不同角度的视图以及缩放图形来满足对 系统整体或局部的不同要求，从而实现矿井通风系统的可视化。而且，用户还能以自然的方式（显示装置、语音设备等）与井下虚拟通风系统交互，达到对系统的可 控性。在此基础上，启发用户的构思决断能力，以强化管理决策。另外，IVE有潜力使矿山人员以安全、良好的视觉和交互的方式置身于危险境地，并能建立总体 的布局、动态的作业和开采环境下的模拟。这一虚拟矿井能允许采矿人员在其中自由走动，在关键的地方作出决策。同时，不论决策的正确与否，其结果都会立即反 馈给受训者。 利用虚拟现实技术进行矿井通风规划和设计是一种新的尝试，其目的是在规划、设计阶段，就使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态和交互式方式对未来 的矿井通风系统进行全方位的审视。这是传统的矿井通风系统图所无法达到的效果。因此，这一技术有可能继计算机三维动画之后，成为矿井通风规划和设计方案投 标、论证及评审的有力手段。利用虚拟现实技术可实现矿井中的计算机通风管理、通风网络解算以及矿井巷道的三维立体显示的维护。这样，我们不仅能够进行定性 分析，而且还能进行定量分析，达到安全可靠、技术可行、经济合理的目的。 1.虚拟环境建模 根据虚拟环境建模所采用的对象、工具不同，生成虚拟环境的目的不同，虚拟环境建模方法大体可分为基于图像和基于景物几何两大类。基于图像的虚拟环境建 模方法是以虚拟景观浏览为目的，针对现实世界已经存在的客观对象，用专用用景摄影机或者普通照相机拍摄的照片等为素材，利用图像数字化变形技术，在计算机 上生成与实际视觉效果相一致的虚拟世界，简言之即实物虚化。该方法须采用图像透视变换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁剪等技术，用二维图像锚述三维世 界。与几何模型场景的真实感图形生成算法相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及几何建模那样高，还可以在微机上实现。 在建模之初，根据在虚拟环境中模型的地位、功能，将模型分为图像模型和景物几何模型两大块。应用基一图像的虚拟环境建模方法的建模对象必须是不强调 交互性，模型数据量小，模型在虚拟中环境中的作用主要是以浏览和布景为主要目的的真实感静态图形。基于景物几何的虚拟环境生成方法的建模对象主要是强调可 操作性、可交互性的三维几何模型，模型数据量大，在实际工作中通常是来自于三维CAD软件的模型。分析两种模方法的适用对象，根据具体模型在虚拟环境中的 作用，做出正确的建模决策。为增加场景的真实性，矿井虚拟环境采用图像与景物几何相结合的虚拟环境建模方法来完成。 1． 1巷道建模 在明确了基于图像和几何建模型特点后，对巷道建模采取基于图像模型的方法。巷道模型应根据矿井通风系统图、巷道断面形状图、巷道照片数字化建模，以便 表现矿井巷道的整个概貌。虚拟环境中的巷道模型主要包括巷道信息数据的获取和预处理。建立一个真实感巷道模型，首先应该根据系统仿真的需求确定该模型的位 置和范围，采集该区域内和适当比例、多种类形数据。 创建一个基于图像的虚拟现实环境通常包括以下4个环节全景图模型选择；图像投影及变形、组合；全景图创建和实时浏览等。由于图像本身包含着丰富的场 景信息，自然容易从图像获得照片般逼真的场景模型。基于图像的绘制是实时地生成照片般逼真的计算机图形的一种新方法，该方法不用建立几何模型就可提供逼真 的场景和动画。 1． 2设备建模 井下设备采用几何建模，对于外形轮廊接近矩型的建筑物和设备，可以用事先拍摄的该建筑物及设备各个立面的照片作材质贴图，贴在矩形简易建模的外表面。 这样做有助于减小视景模型的总尺寸，但效果不如真实的三维模型。具体建模方法为首先根据设备的结构特点选择基本的几何体，比如风窗选择Box，液压支柱 选择CyIin-der；对基本几何体的点、面、边界进行详细加工；根据实际情况对设备表面材质设定。需要说明的是，为了减少实体的面数，在进行点、线、 面的详细修改时，应删除两两有叠加关系的实体中相对较小的面。 建好的设备模型加入场景中还需要把它放置到合适的位置，有时还需要改变它的朝向、相对大小，这个过程可能要参考实际场景的工程图纸。在场景编辑器中， 这个功能可以通过鼠标直接选中模型，在场景中通过拖放、拉伸和旋转模型的包围盒来实现。另外，模型的表面材料也可以改变，场景编辑器有一个材料库，提供了 500多种常用的材料，用户还可以定义新的材料。 2.通风系统仿真 目前通风网络解算用得最多的Cross迭代法。该方法以风流运动的风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律为依据利用高斯塞得尔迭代法逐次求解回路 修正风量，直到其值不大于一个事先给定的精度为止，从而获得方程组解的近似解，通过风网解算可得各分支风量。但矿井中通风设备及影响通风的相关参数非常 多，若用迭代法计算是很费时间的。通常风网解算都是隔一时期进行一次，由于通风系统是一个动态的系统，解算结果不能真正地反映实际的动态变化情况。为了提 高矿井通风管理的质量和通风网络解算的速度，可采取MuIti-agent系统的通风仿真系统，该系统能够及时进行解算。在通风系统中，某一些地方风量发 生改变就会影响到其它地方的风量，甚至会发生方向逆转。但在大多数实际情况中，某处风量的改变仅对它附近巷道风量有较大的影响，只要新的通风方案能满足附 近大多数巷道的通风要求，则该方案就是可行的。因此，我们提出了一种“投票”式的协同策略，既Agents对新方案进行投票，以满足大多数Agents。 以多Agents系统构筑的矿井通风仿真系统能够对预期的通风方案进行仿真，并将结果与现有的方案比较，检查新方案是否满足要求，或比原方案更好。实际通 风系统中主要组成有通风网络，包括矿井巷道的拓朴结构及巷道的风阻系数等；通风设备及通风设施，包括风机、风窗、风门等。在仿真系统中，Agents根 据功能可被分为四类设备Agents、网络Agents、接口Agents和学习Agents。Agents自己决定对哪些事件响应以及如何进行处 理，Agents不断学习和适应环境，同时不断发展和提高自己和能力。根据历史数据，设备Agents通过神经网络的训练和学习，得到在不同时期相应方向 风量，决定对新方案的选择。 3结束语 虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性，它在矿井通风领域具有良好的发展前景，可让决策者提前看到决策的仿真结果，肯定设计中的成功之 处，改正设计中的缺点，避免因设计不合理造成巨大的损失。通过在山西省某大型煤矿近一年的应用实践证明，该成果能较好地适应矿井通风系统安全可靠性的动态 管理，能及时给出定量评价结果，准确及时发现问题，提出整改措施，使管理决策由经验化迈向科学化。在很大程度上提高了矿井通风系统安全可靠性管理的技术水 平，对煤矿安全生产发挥了重大作用，取得了很好的社会效益和经济效益。