vr虛擬實訓室之VR煤礦仿真系統
時間：2019-05-20 00:00:00
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來源：
欄目：虛擬現實
導讀：國內在虛擬現實研究方面則是剛剛起步，在煤礦中虛擬現實技術主要應用在重大事故調查事故分析中。如陜西某礦發生的特別重大瓦斯爆炸事故，開發了煤礦瓦斯爆炸及火災事故虛擬現實系統，并成功應用于對該礦事故的調查分析，利用粒子系統和動...
國內在虛擬現實研究方面則是剛剛起步，在煤礦中虛擬現實技術主要應用在重大事故調查事故分析中。如陜西某礦發生的特別重大瓦斯爆炸事故，開發了煤礦瓦斯爆炸及火災事故虛擬現實系統，并成功應用于對該礦事故的調查分析，利用粒子系統和動態文理技術表現瓦斯爆炸、火災，形象地顯示了復雜的事故過程和發生原因。
1.簡介
利用VR虛擬現實技術模擬井下各種復雜的作業環境，供采礦工程專業的學生VR實習訓練，既降低實習費用，又縮短教學時間，讓更多的人接受高等教育;
VR煤礦仿真系統對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓，虛擬井下的各種工況及險情，使被訓練者身臨其境地去體驗，并學會采取有效的應急措施去處理各種險情，以提高人員素質，消除事故隱患。
2.應用領域
2.1 礦井開采模擬
采掘工作面是煤礦安全生產的比較前線，安全生產矛盾比較為集中、安全條件比較差、作業人員比較多、設備集中、空間狹窄、工作行走受限，是頂板、瓦斯、煤塵、火災等災害的多發地點，也是系統比較復雜的地方。采掘工作面的虛擬實現不僅包括靜態的虛擬環境（如頂板、巷道、地板等），還要包括動態的可交互的虛擬實體（如采煤機、掘進機、液壓支架等）。系統創造的這一三維環境與現實中的房柱式開采情況極為接近，無論是采礦作業過程，還是工藝設備的運行都如同是現場拍攝。更有意義的是操作人員可與這一系統進行交互作用，可以在任意時刻穿越任何空間進入系統模擬出的任何區域，通過計算機屏幕顯示出所視空間的采礦作業情況，如設備當前位置和運行狀況，設備運行的時間、產量、設備間的距離等動態信息。這種模擬超過之前以任何方法建立的模型所達到的效果。應用虛擬現實系統可以通過對不同型號設備、不同開采參數下的生產系統進行動態模擬，從而達到優化生產系統的目的。顯然，這類系統還可用于礦井開采計算機輔助設計、生產監控、管理和技術培訓等方面。
.2 煤礦人員技術培訓
在礦業領域可以借助虛擬現實系統虛擬井下各種復雜的作業環境，供采礦工程專業的學生實習訓練，這樣既可以降低實習費用，又可縮短教學時間，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。煤礦VR安全體驗如虛擬井下的各種工況及險情，使被訓練者身臨其境地去體驗，并學會采取有效的應急措施去處理各種險情，以提高人員素質，消除事故隱患。
諾丁漢大學AIMS研究室應用虛擬現實技術開發的房柱式開采模擬系統VR-MINE、蓄電池機車模型、露天礦單斗卡車工藝生產系統等可分別用于相應環境下工作人員的培訓。如用于露天礦卡車司機及相關人員的培訓的露天礦卡車模擬器，該模擬器除采用一般的VR模擬系統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。當受訓者操作這些硬件時，面對的計算機屏幕或投影大屏幕上呈現出一個三維的真實直觀的露天礦作業環境，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，無論是駕駛的卡車本身，還是環境中運行的其它設備，均按照受訓者的操作或依據系統間的動態關系運行。比如，受訓者操作出錯時，同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故。顯然，這種培訓手段使人與環境結合起來，通過人機交互使受訓者產生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它任何培訓形式所能產生的效果。
2.3 煤礦設備的虛擬設計和制造
虛擬現實技術用于大型設施、設備的設計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現實技術用于對煤礦新設備的設計方案進行可視化的性能評估，則更顯示出虛擬現實技術的優勢。由于井下場地狹窄，環境惡劣，因此對井下設備的設計、運行、維修都提出了很高的要求。煤礦設備的虛擬設計和制造，其意義不僅僅是節約資源和時間，而是完成在地面或在常規條件下無法進行的工作。例如采煤機虛擬設計中，設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，因為虛擬現實系統可以容納他們“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計進行觀察、討論和修改，從而大大縮短設備的研制周期，節省研制費用。
2.4 應用虛擬現實技術進行礦井事故調查和研究
應用計算機繪圖和虛擬現實技術可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現各種事故發生的過程，事故調查者可以從各種角度去觀測、分析事故發生的過程，找出事故原因，包括系統設計和現場人員的動作行為。同時通過交互式地改變這虛擬模型中環境的參數或狀態，從而防止其它與此相關的潛在事故的出現。
礦井火災和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災害。計算機技術的高速發展使得在災變條件下復雜的通風網絡快速解算成為可能，從而指導井下火災發生時正確地控制風流，確保井下工作人員安全撤出，防止火災和有害氣體、煙塵等的蔓延。
AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災VR系統的開發。該系統通過模擬某個真實的礦井作業環境，并結合網絡分析和CFD模擬的結果，可以逼真地展示出火災或爆炸發生的動態過程。除了模擬火煙彌漫狀況外，該系統還可通過人機交互作用顯示出人為因素，如反風、滅火措施等對整個通風網絡的影響。此類系統的開發，無疑可以廣泛地用于礦井火災的防治、救災和人員培訓等方面。
2.5 虛擬現實技術應用在煤礦防治水工作中
利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實的再現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。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善，能夠直接的將含水系統真實的展現出來。水文地質研究中的重要部分是地下水流的運動規律，利用虛擬現實系統可以研究的不僅是含水層的展布，同時利用虛擬現實系統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。
通過建立三維可視化的真實場景，實現覆蓋全生命周期的設備完整性管理：
(1)對井下主要的機電設備定位檢測、檢維修數據管理，形成與真實場景相吻合的井下排水系統、壓風系統、供電系統、通風系統、通訊系統的工藝流程再現;
(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”的信息系統有效共享綜合利用，是井下安全生產管理和應急指揮的支撐，是員工入井培訓和安全應急培訓的可視化教材。
基于虛擬現實技術在煤礦中的應用現狀、虛擬環境中多智能體技術建模方法研究，系統的主要結構是：
（1）控制與反饋系統。系統可通過傳感器進行控制并作用于虛擬環境和反饋來自虛擬世界的信息。
（2）主計算機系統。是進行計算、模擬的主要計算機設備。
（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系統以及礦井中一切需要移動的物體
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