虛擬現實(shí)技術(shù)在采煤工藝仿真中的應用

　　摘要：采煤生產(chǎn)工藝過(guò)程循環(huán)框圖礦山天地摘要：井下煤礦開(kāi)采是一個(gè)非常復雜的系統，作業(yè)環(huán)境惡劣，人、機、環(huán)境多種因素共同起作用。虛擬現實(shí)技術(shù)(VR)技術(shù)的發(fā)展，為井下的工作者提供一種新的、更容易接受的方式來(lái)真正了解采煤工藝，對解決當前煤礦安全、高效生產(chǎn)有著(zhù)重要的意義。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)技術(shù)采煤工藝仿真

　　虛擬現實(shí)技術(shù)就是利用虛擬現實(shí)的手法將采煤工藝中最為復雜、最為重要的綜采工作面的生產(chǎn)場(chǎng)景生動(dòng)形象的顯示出來(lái)，實(shí)現整個(gè)綜采工藝過(guò)程的模擬，實(shí)現人機交互操作。新、老員工都可以在模擬的常規作業(yè)環(huán)境中到適合自己的工作方法，使自己的工作技巧可以不受地點(diǎn)的限制而得到很好的磨練或改進(jìn)。同樣可以在模擬的搶險救災場(chǎng)景中尋找逃生自救的方法及必需的救護設施，并作為安全經(jīng)驗積累下來(lái)。

　　1、虛擬現實(shí)建模技術(shù)

　　1.1建模技術(shù)簡(jiǎn)介及評述。目前，國內外虛擬現實(shí)仿真的建模方案有很多種，鑒于其主要的應用功能，我們常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)的虛擬環(huán)境較少涉及利用外接設備進(jìn)行觸感和行為反應的真實(shí)感覺(jué)，而是更加注重于模型，在這里介紹幾種常見(jiàn)的方案：1.1.1第一種方案主要是利用SGI公司開(kāi)發(fā)的獨立于操作系統和硬件系統的圖形開(kāi)發(fā)系統OpenGL開(kāi)發(fā)平臺的通用接口，這是一種完全從底層進(jìn)行開(kāi)發(fā)的系統，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要采用編程語(yǔ)言如C/C++。由于這種系統已經(jīng)具有完整的繪圖命令和函數庫(基本庫、實(shí)用庫和輔助庫)，開(kāi)發(fā)人員可以直接進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用數據庫中的各種命令和函數，將各種幾何形體轉述為數學(xué)模型并加以控制，從而實(shí)現虛擬現實(shí)的實(shí)現。

　　1.1.2第二種開(kāi)發(fā)方案是以一些商業(yè)虛擬現實(shí)引擎為基礎進(jìn)行虛擬現實(shí)系統的仿真開(kāi)發(fā)，這樣就避免了需進(jìn)行大規模底層編程，不僅簡(jiǎn)化了代碼的編寫(xiě)過(guò)程，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。其達到的虛擬效果能夠包含透明、動(dòng)畫(huà)和反射貼圖紋理，可以直接可以執行3D內容回放，為復雜界面提供場(chǎng)景的多層次的有效設置。

　　1.2設備建模技術(shù)。采煤工藝采涉及的設備很多，包括采煤機，刮板輸送機，液壓支架，順槽里的轉載機，破碎機，轉載機自移裝置，皮帶機自移機尾，皮帶機，乳化液泵站，噴霧泵站，移動(dòng)變電站等。設備多并且造型復雜。而且，很多機械設備還在實(shí)時(shí)運轉，還需考慮到動(dòng)畫(huà)效果。因此，設備建模時(shí)，編程實(shí)現起來(lái)難度太大，本文擬采用前面提到的第三方建模軟件來(lái)實(shí)現。目前，三維建模軟件比較多，常用到的有以下幾類(lèi)：1.2.1 3DS MAX建模軟件。3DS MAX被廣泛地應用于建筑、機械電視及娛樂(lè )業(yè)中，比如實(shí)現建筑工程的效果圖像，影視作品中片頭動(dòng)畫(huà)和視頻游戲的制作及影視特效等方面。今年隨著(zhù)國內房地產(chǎn)發(fā)展，3DS MAX在國內發(fā)建筑效果圖和建筑動(dòng)畫(huà)制作中的應用越來(lái)越成熟。

　　1.2.2 MAYA建模軟件。這種建模軟件具有許多突出的功能，目前許多國內的影視公司也在使用MAYA制作項目，其特點(diǎn)是具有完整的建模系統、強大的程序紋理材質(zhì)和粒子系統、出色的角色動(dòng)畫(huà)系統以及MEL腳本語(yǔ)言。

　　1.2.3 Sumatra建模軟件。它的功能與MAYA不相上下，擁有真實(shí)的程序紋理材質(zhì)，出色的角色動(dòng)畫(huà)系統，強大的動(dòng)畫(huà)編輯能力。但由于國內應用的較少，導致在后期制作應用交流起來(lái)的不方便，同時(shí)其最大的缺點(diǎn)就且它對硬件的要求過(guò)高。

　　2、采煤工藝過(guò)程系統分析

　　綜采工作面采煤工藝過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真其實(shí)就是將各個(gè)工序按照時(shí)間的配合，一個(gè)工序或幾個(gè)工序在某一時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行，形成連續的動(dòng)畫(huà)過(guò)程。

　　前面提到的采煤工藝，首先是端部斜切進(jìn)刀，這一過(guò)程包括割三角煤的各個(gè)步驟;采煤機正常割煤15m后開(kāi)始推移刮板輸送機，推刮板輸送機后開(kāi)始移架，采取單架依次順序移動(dòng)的方式，包括降架、移架、升架三個(gè)步驟;在采煤機割至下端頭之前，刮板運輸機和液壓支架互為支點(diǎn)依次前移。采煤機割至下端頭后，工作面前進(jìn)一刀煤的距離0.75m，完成一個(gè)循環(huán)，然后又從端部進(jìn)刀開(kāi)始重復上述過(guò)程。生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)易循環(huán)圖如右所示：整個(gè)工藝循環(huán)，采煤機的運動(dòng)是主線(xiàn)，液壓支架、刮板輸送機的運動(dòng)都是配合采煤機運動(dòng)的。在配合過(guò)程中，液壓支架的升降，時(shí)間是運動(dòng)進(jìn)行或終止的決定因素。對液壓支架的控制是通過(guò)控制時(shí)鐘來(lái)實(shí)現的，當系統時(shí)間到達某一點(diǎn)時(shí)時(shí)鐘激活，這時(shí)液壓支架開(kāi)始動(dòng)作，而采煤機和刮板運輸機也在同時(shí)運動(dòng)。時(shí)鐘是設備實(shí)現自動(dòng)控制的主要途徑，設備每一個(gè)部件如每一個(gè)液壓支架的降架、移架和升架過(guò)程都有其始點(diǎn)和終點(diǎn)，這一過(guò)程必須由時(shí)鐘來(lái)對其進(jìn)行控制。

　　3、虛擬現實(shí)技術(shù)在采煤工藝應用發(fā)展趨勢分析

　　隨著(zhù)整個(gè)信息行業(yè)的不斷發(fā)展，與虛擬現實(shí)技術(shù)相關(guān)硬件、軟件成本的逐漸降低，技術(shù)也有很大提高。虛擬現實(shí)技術(shù)在礦山優(yōu)化設計、礦產(chǎn)資源普查，環(huán)境保護、礦山安全與救災等方面都有廣闊的應用前景。筆者認為，目前和今后一段時(shí)間內以下幾方面還有很大的發(fā)展空間：

　　3.1 礦山系統虛擬設計。目前的國內外工程技術(shù)人員在進(jìn)行礦山設計時(shí)，應用較多的都是在二維坐標系下進(jìn)行設計的，如礦井開(kāi)拓平面圖、工程平面圖、井上下對照圖等。如澳大利亞CSIRO MineEngineering GROUP研究開(kāi)發(fā)了Virtual Mine虛擬煤礦環(huán)境系統。但是基于虛擬現實(shí)技術(shù)的礦山設計應用系統可以使設計者“所想即所見(jiàn)”，用戶(hù)可以將自己置身于虛擬礦山中，身臨其境、多視角的觀(guān)察目標對象，并可進(jìn)行交互操作和單通道立體現實(shí)。形象直觀(guān)表現了礦山開(kāi)采的整個(gè)工藝過(guò)程，對礦山開(kāi)采提供決策支持，具有重要的現實(shí)意義和應用價(jià)值。

　　3.2礦井重大災害模擬。南非(Centre of Scientific and In-dus trial Res earch，CSIR)公司礦業(yè)分公司用區域3D沉積模型來(lái)模擬各種斷裂構造，通過(guò)該模型可以看到斷裂面之間復雜的內部關(guān)系，預測斷裂構造在時(shí)間和空間上的分布，加深對地質(zhì)條件的了解和掌握，從而能更有效地采取防災、減災和救災措施。煤礦常見(jiàn)五大自然災害中，瓦斯、水、火和煤塵引發(fā)的災害后果是煤礦五大自然災害中最常見(jiàn)的，也是產(chǎn)生后果最嚴重的造成了重大的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。而虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應用為礦井災害機理研究及重大災害的模擬預測提供有力的工具和手段。

　　3.3礦山工作人員技能及安全培訓。虛擬軟件的應用通，使礦山工作人員能夠身臨其境，多視角的觀(guān)察目標對象增強其安全意識，提高管理水平，安全有效，同時(shí)還能節省大量的培訓費用。

　　實(shí)踐表明，虛擬現實(shí)技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)發(fā)展應用，無(wú)疑必將徹底改變傳統礦業(yè)低效，粗曠的面貌，為礦業(yè)發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路，有效的促進(jìn)礦業(yè)結構的調整，同時(shí)也會(huì )為今后礦山實(shí)現無(wú)人化開(kāi)采奠定基礎。

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