虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

神文龍,張 松,孟慶武

1 問題的提出

我國的能源產(chǎn)出與消耗表見表 1。由表 1可知,現(xiàn)階段,以至于到將來某個階段,煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中都占有舉足輕重的地位。所以,越來越多的個人和企業(yè)都想涉足于煤炭行業(yè),但是,我國的煤炭類院校相對較少,這就導(dǎo)致我國的采煤技術(shù)人員較少,為了讓更多的人了解煤礦的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)技術(shù),通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬整個的礦井生產(chǎn)系統(tǒng),讓初始接觸煤礦的人員可以通過角色控制,以第一視角的方式,身臨其境的經(jīng)歷煤礦的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié),對他們?nèi)蘸蟾钊氲膶W(xué)習(xí),打下堅實的基礎(chǔ)。

同時,對于煤炭類高校的學(xué)生而言,由于采礦工程是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科,在進(jìn)行相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中,尤其是在《煤礦地質(zhì)學(xué)》及《礦山壓力與巖層控制》的學(xué)習(xí)過程中,對礦井的空間布局 (如上下山、開切眼、回采工作面等)不了解,導(dǎo)致學(xué)生很難理解相關(guān)的理論知識,這樣對采礦專業(yè)知識的掌握很不利。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)生可以在學(xué)校邊學(xué)習(xí),邊將理論應(yīng)用于實踐,在這個虛擬場景中深入的理解理論技術(shù)。更重要的是,學(xué)生可以學(xué)習(xí)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實軟件,來開發(fā)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)。

表 1 中國能源產(chǎn)出與消耗表

2 二交互控制與三維建模

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機(jī)、電子技術(shù)、多媒體技術(shù)等實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的可視化仿真性交互控制技術(shù)。本文是基于 Maya、V irtools和 Photoshop、AutoCad等軟件來實現(xiàn)煤礦虛擬現(xiàn)實技術(shù)的。

首先,根據(jù)已學(xué)專業(yè)知識和煤礦現(xiàn)場的實際情況,利用 AutoCad二維繪圖軟件,規(guī)劃出要實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實場景的三維結(jié)構(gòu),并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的確定;其次利用M aya等三維建模軟件來構(gòu)建整個三維場景的立體結(jié)構(gòu);再次用 Photoshop軟件來整理和修改場景中的貼圖和紋理已達(dá)到真實的效果;最后,將建好的三維立體模型導(dǎo)入到V irtools軟件中,在V irtools實現(xiàn)交互控制和可視化?？梢酝ㄟ^圖 1所示方式來開發(fā)虛擬礦井生產(chǎn)系統(tǒng)。

圖 1 開發(fā)虛擬礦井生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

2.2 三維建模

任何一個虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品,首先要有模型的支撐,其次才是交互控制。煤礦虛擬現(xiàn)實首先通過Maya等建模軟件,建立一個煤礦虛擬現(xiàn)實場景,該場景在最終產(chǎn)品里是靜態(tài)的。在構(gòu)成煤礦的各個生產(chǎn)系統(tǒng)后,還需要建立每個系統(tǒng)所需要的動態(tài)模型。這些模型可以在V irtools等軟件中進(jìn)行交互控制。立井開拓式走向長壁采煤方法的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖見圖 2,Maya建好的煤礦三維立體模型圖見圖 3,支撐式液壓支架示意圖見圖 4,雙滾筒采煤機(jī)示意圖見圖 5。圖 4,圖 5是可以動態(tài)控制的模型圖。

圖 5 雙滾筒采煤機(jī)示意圖

2.3 交互控制

所謂交互控制,就是將已經(jīng)建好的模型 (不論是做場景用的靜態(tài)模型,還是可以控制的動態(tài)模型)在V irtools等交互控制軟件中進(jìn)行合理的組合,使他們構(gòu)成一個整體。例如,將雙滾筒采煤機(jī),加上可彎曲刮板輸送機(jī)一起導(dǎo)入到三維礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中,在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中,實現(xiàn)滾筒割煤和輸送機(jī)運煤的過程,液壓支架,可以實現(xiàn)支護(hù)頂板和移架的過程。同時礦工人物模型可以在場景中行走,實時觀察礦井系統(tǒng)中的每個角落。各模型在V irtools中的組合情況示意圖見圖6。

圖 6 各模型在 Virtools中的組合情況示意圖

V irtools采用的是腳本控制,即圖形化編程語言,很容易學(xué)習(xí)和理解,也可以采用代碼語言編寫程序。最終作品生成.exe格式的文件,每一個想涉足采礦行業(yè)的個人和企業(yè)都可以通過鍵盤和鼠標(biāo)控制礦工人物模型在整個場景中行走,控制采煤機(jī)的割煤,液壓支架的移架等過程。

對于高校的學(xué)生而言,如果他們親自參與這個產(chǎn)品系統(tǒng)的制作,從開始的建模,到交互控制,到最后的產(chǎn)品發(fā)布。那么學(xué)生不僅能將專業(yè)知識應(yīng)用于實踐,同時鍛煉了學(xué)生的動手能力和編程的能力。

3 結(jié) 語

1)本文闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用,分析了構(gòu)建煤礦虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的一般方法和步驟。

2)介紹了Maya等三維建模軟件和相關(guān)繪圖軟件在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用。

3)通過 V irtools交互控制軟件來介紹了虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)。

4)對于高校采礦學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一種創(chuàng)新性的方法。

[1] 林在康,杜計平,許家林,等.煤炭開采方法[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2004：2-3.

[2] 杜計平,孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009：13-14.

[3] 王立群,李紅松.電腦游戲策劃與設(shè)計 -V irtools簡明教程[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社,2008：37-40.

[4] 劉 剛,王仁庭.井巷工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005：248-249.