仿真術(shù)在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用分析

　　一、概述
　　
　　通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，為保證通風(fēng)系統(tǒng)正常工作，必須科學(xué)地設(shè)計和管理。目前，在礦井通風(fēng)作業(yè)中普遍存在一些問題，例如：測量工作繁重、實際運(yùn)作成本高、反饋信息數(shù)據(jù)的滯后性、通風(fēng)系統(tǒng)效率精確度低、實現(xiàn)系統(tǒng)局部或整體的可控性和可視化困難等。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決上述問題依靠的是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)工程的方法理論，運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)技術(shù)中的相關(guān)高新技術(shù)手段，科學(xué)地創(chuàng)建礦井的三維虛擬場景，系統(tǒng)地調(diào)配巷道數(shù)據(jù)以精確生成礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。用戶可以任意調(diào)節(jié)（添加或刪除、改變形狀等）通風(fēng)設(shè)施（風(fēng)窗、風(fēng)門、風(fēng)橋等）或設(shè)備（通風(fēng)機(jī)等）的參數(shù)來高效逼真顯現(xiàn)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)變化，給決策者提供調(diào)整或革新的參考依據(jù)。用戶可以在虛擬場景中漫游，以逼真顯現(xiàn)井下設(shè)施和生產(chǎn)或通風(fēng)狀況，給人身臨其境的感覺，對三維圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以滿足從不同角度的視圖，以及縮放圖形以滿足對系統(tǒng)整體或局部的不同要求，實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可視化。而且，用戶還能以自然的方式（顯示裝置、語音設(shè)備等）與井下虛擬通風(fēng)系統(tǒng)交互，達(dá)到對系統(tǒng)的可控性。在此基礎(chǔ)上，啟發(fā)用戶的構(gòu)思決斷能力，強(qiáng)化管理決策。
　　
　　二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
　　
　　近年來，基于OPenGL的高層開發(fā)包如OpenInventor等極大地方便了VR系統(tǒng)的開發(fā)。考慮到動態(tài)建模和虛擬現(xiàn)實的特點，將二者很好地結(jié)合起來，要做到界面友好、模型參數(shù)修改方便、顯示數(shù)據(jù)自然直接等，軟件應(yīng)該是高度模塊化和可擴(kuò)展的，并且具有良好的開放性。為了達(dá)到這一目的，系統(tǒng)采用基于組件的軟件開發(fā)模式，組件之間僅僅通過接口進(jìn)行交互，采用客戶/服務(wù)器模式。接口根據(jù)是提供服務(wù)還是請求服務(wù)分為調(diào)出接口和調(diào)入接口兩類。組件動態(tài)存在于系統(tǒng)中，相互之間提供控制和狀態(tài)消息，實現(xiàn)組件的即插即用，無縫集成。根據(jù)動態(tài)設(shè)計的特點，該系統(tǒng)被劃分為事務(wù)控制、虛擬環(huán)境建模、風(fēng)網(wǎng)解算、虛擬環(huán)境漫游與交互等幾個部分。
　　
　　三、通風(fēng)系統(tǒng)仿真
　　
　　目前，風(fēng)網(wǎng)解算用得最多的Cross迭代法。該法以風(fēng)流運(yùn)動的風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力定律為依據(jù)，利用高斯—塞得爾迭代法逐次求解回路修正風(fēng)量，直到其值不大于一個事先給定的精度為止，從而獲得方程組解的近似解，通過風(fēng)網(wǎng)解算可得各分支風(fēng)量。但風(fēng)網(wǎng)解算都是隔一時期進(jìn)行一次。由于通風(fēng)系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，解算結(jié)果不能真正地反映實際的動態(tài)變化情況。為了提高礦井通風(fēng)管理的質(zhì)量和風(fēng)網(wǎng)解算的速度，可采取基于Multi—agent系統(tǒng)的通風(fēng)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時進(jìn)行解算。在通風(fēng)系統(tǒng)中，某一地方風(fēng)量發(fā)生改變就會影響到其它地方的風(fēng)量，甚至?xí)l(fā)生方向逆轉(zhuǎn)。但在大多數(shù)實際情況中，某地風(fēng)量的改變僅對它附近巷道風(fēng)量有較大的影響，只要新的通風(fēng)方案能滿足附近大多數(shù)巷道的通風(fēng)要求，則該方案就是可行的。因此，提出了一種“投票”式的協(xié)同策略，即Agents對新方案進(jìn)行投票，以滿足大多數(shù)Agent。以多Agent系統(tǒng)構(gòu)筑的礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)能夠?qū)︻A(yù)期的通風(fēng)方案進(jìn)行仿真，并將結(jié)果與現(xiàn)有的方案比較，檢查新方案是否滿足要求，或比原方案更好。實際通風(fēng)系統(tǒng)中主要組成有：通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，包括礦井巷道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及巷道的風(fēng)阻系數(shù)等；通風(fēng)設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗、風(fēng)門等。在仿真系統(tǒng)中，Agent根據(jù)功能可分為設(shè)備Agent、網(wǎng)絡(luò)Agent、接口Agent和學(xué)習(xí)Agent四類。Agent自己決定對哪些事件響應(yīng)以及如何進(jìn)行處理，Agent不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境，同時不斷發(fā)展和提高自己的能力。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，設(shè)備Agent通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到在不同時期相應(yīng)方向風(fēng)量，決定新方案的選擇。
　　
　　四、虛擬環(huán)境漫游與交互
　　
　　對虛擬環(huán)境進(jìn)行漫游實際上就是在場景中設(shè)置一個照相機(jī)（或視點），用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)改變照相機(jī)的各種參數(shù)（如位置、方向和焦距等），系統(tǒng)繪制在當(dāng)前照相機(jī)參數(shù)下所成的圖像。漫游過程要用到常用的技術(shù)，如視見體裁減、可見性刪除和背面多邊形刪除等等。雖然很多成熟的圖形系統(tǒng)（如OpenGL）都支持這些技術(shù)，但在執(zhí)行這些操作之前往往要執(zhí)行圖形繪制流水線前面的一些操作，才能直接實現(xiàn)這些操作以加快繪制速度。
　　虛擬通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)了3種漫游方式：①自動漫游，即按設(shè)計者事先精心規(guī)劃的最佳路徑與最佳視角，對虛擬環(huán)境進(jìn)行淋漓盡致的表現(xiàn)；②查詢式漫游，即由用戶自行設(shè)定一條漫游路徑，然后沿該路徑完成漫游；③交互式漫游，即漫游路徑由鼠標(biāo)或鍵盤實時控制，在此過程中記錄中實時路徑，并可根據(jù)用戶的選擇連續(xù)的回放。在漫游過程中進(jìn)行的碰撞檢測，其一是根據(jù)巷道的四壁對攝像機(jī)高度進(jìn)行監(jiān)測，避免在交互式漫游過程中發(fā)生鉆入煤層的現(xiàn)象。其二是根據(jù)建筑物和設(shè)備的輪廓進(jìn)行監(jiān)測，防止“穿墻”而過的現(xiàn)象。
　　為避免用戶在虛擬環(huán)境中“迷路”，可采用兩種措施：①可根據(jù)用戶要求，打開輔助的平面地圖，使用戶能明白身處何處；②設(shè)置攝影機(jī)復(fù)位功能，以便用戶迅速返回缺省位置。
　　場景中的光照效果也可以改變，系統(tǒng)缺省提供了一個點光源、一個平行光源和一個錐光源。用戶可以改變這些光源的屬性（包括位置、方向和顏色），還可以增加新光源或減少光源，所以對光源的交互過程也是可視的。
　　
　　五、結(jié)束語
　　
　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用具有巨大實用性、真實性和靈活性，它在礦井通風(fēng)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，可讓決策者提前看到?jīng)Q策的仿真結(jié)果，肯定設(shè)計中的成功之處，改正設(shè)計中的缺點，避免設(shè)計的不合理造成巨大的損失。通過在某大型煤礦近一年的應(yīng)用實踐證明，該成果能較好地適應(yīng)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的動態(tài)管理，能及時給出定量評價結(jié)果，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題，提出整改措施，使管理決策由經(jīng)驗化邁向科學(xué)化。在很大程度上提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性管理的技術(shù)水平，對煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重大作用，取得了較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
　　（作者單位：雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)東保衛(wèi)礦監(jiān)測科）