虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

王光肇

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，太原 030006）

0 引言

在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，主要是進(jìn)行煤礦模擬或構(gòu)建虛擬煤礦，使用戶漫游在虛擬的礦井環(huán)境中實(shí)施一系列操作，再現(xiàn)或預(yù)見一些煤礦場景?；诩夹g(shù)優(yōu)勢作用，相關(guān)人員可有效優(yōu)化設(shè)備選型工作，高效實(shí)施培訓(xùn)教學(xué)以及事故調(diào)查等，并可真實(shí)地模擬礦井災(zāi)害發(fā)生過程，針對性地制定有關(guān)防范對策，促使煤礦生產(chǎn)更加安全與穩(wěn)定。為充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的突出優(yōu)勢，有必要對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入探究。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)近年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，它集聚了實(shí)時計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)等多個技術(shù)分支，屬于最新且層次最高的模擬仿真技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是指通過計(jì)算機(jī)建立人為虛擬環(huán)境，且計(jì)算機(jī)所構(gòu)虛擬環(huán)境屬于三維空間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境在計(jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行編制，以營造出和真實(shí)環(huán)境無限接近的虛擬環(huán)境，同時利用其他專用設(shè)備，使用戶置身于虛擬環(huán)境當(dāng)中，在觸覺、聽覺、視覺等方面獲得多種接近真實(shí)的感官體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)人機(jī)交互技術(shù)比較，其主要特征有構(gòu)想性、沉浸感與交互性。構(gòu)想性主要是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，能夠?qū)娛隆⑨t(yī)學(xué)、工程等相關(guān)行業(yè)遇到的各種實(shí)際問題加以解決，使用戶可定量、定性地在虛擬環(huán)境當(dāng)中獲得理性、感性認(rèn)知，在深化有關(guān)概念基礎(chǔ)上獲得新的構(gòu)想，同時可主動探索、搜尋與接受信息，而非被動接受信息。沉浸感主要指的是用戶能夠以主角身份存在于所構(gòu)設(shè)的虛擬環(huán)境當(dāng)中，其真實(shí)程度極高。交互性指的是用戶在專用設(shè)備應(yīng)用基礎(chǔ)上，通過人類自然技能對模擬環(huán)境當(dāng)中的物體進(jìn)行操作，并能夠從相應(yīng)環(huán)境當(dāng)中獲得自然反饋，用戶和環(huán)境之間的交互具有高度實(shí)時性。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要組成部分包含虛擬世界、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件以及計(jì)算機(jī)。用戶和虛擬世界進(jìn)行交互，要先激活話筒、手套、頭盔等輸入設(shè)備，將信號輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，跟蹤器、傳輸器將相應(yīng)信號輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件當(dāng)中，由軟件進(jìn)行解釋，同步更新虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫，對虛擬環(huán)境場景做出調(diào)整，立足新視點(diǎn)將三維視覺圖像和力反饋、觸覺、聲音等相關(guān)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)手套、耳機(jī)、頭盔、顯示器等相關(guān)輸出設(shè)備當(dāng)中，使用戶得到多種感官體驗(yàn)［1］。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 在煤礦培訓(xùn)教學(xué)方面的應(yīng)用

煤礦行業(yè)作為高危險性行業(yè)，需要高度重視對從業(yè)人員的安全教育，而在煤礦安全培訓(xùn)環(huán)節(jié)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具有突出的應(yīng)用價值。煤礦領(lǐng)域能夠在VR 系統(tǒng)支持下，對井下復(fù)雜、高危的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行虛擬，所虛擬的環(huán)境可以作為采礦工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，以此可以有效減少實(shí)習(xí)成本和教學(xué)時間，使更多人獲得高質(zhì)量教育培訓(xùn)［2］。所創(chuàng)設(shè)的虛擬作業(yè)環(huán)境還能應(yīng)用在井下工人的安全教育培訓(xùn)以及崗前操作培訓(xùn)當(dāng)中，比如通過VR 技術(shù)虛擬各種井下險情和工礦，受培訓(xùn)者可以身臨其境地感受并體驗(yàn)井下工作環(huán)境（如圖1），結(jié)合虛擬場景學(xué)習(xí)遇到各種險情的時候應(yīng)該采取怎樣的應(yīng)急措施加以處理，促使人員素質(zhì)全面提升，加強(qiáng)事故隱患識別和消除力度。比如，諾丁漢大學(xué)研究室基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所開發(fā)的露天礦單斗卡車工藝生產(chǎn)系統(tǒng)可以應(yīng)用到相關(guān)從業(yè)人員培訓(xùn)當(dāng)中，通過露天礦卡車模擬器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時還可利用剎車板、加速器以及方向盤對屏幕當(dāng)中卡車的運(yùn)行進(jìn)行控制，操作者就如同真正在駕駛卡車一般。從業(yè)人員在接受訓(xùn)練過程中，操作相關(guān)硬件并面對投影大屏幕或計(jì)算機(jī)屏幕當(dāng)中呈現(xiàn)出的直觀、真實(shí)的三維露天礦環(huán)境，環(huán)境中的煙霧、聲音等都如同真實(shí)存在一般，操作者在虛擬環(huán)境中就如同真正駕駛一輛卡車在露天礦坑當(dāng)中運(yùn)行一般。虛擬環(huán)境中的各項(xiàng)設(shè)備以及卡車都會按照操作者做出的操作或按照系統(tǒng)動態(tài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，如果操作者發(fā)生操作錯誤，虛擬環(huán)境當(dāng)中同樣會顯示出撞車或車輛滾落臺階等事故。

2.2 在采掘工作面中的應(yīng)用

煤礦采掘工作開展過程中，受到井下多種因素局限，很難詳細(xì)研究工作面設(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備作用范圍、設(shè)備相互之間的匹配度等。其間引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠通過VR 系統(tǒng)對液壓支架、膠帶運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)等實(shí)際操作過程和運(yùn)動軌跡進(jìn)行演示，使相關(guān)人員可以更全面地理解各項(xiàng)設(shè)備工作狀態(tài)以及發(fā)揮的作用，及時解決系統(tǒng)及設(shè)備存在的現(xiàn)實(shí)問題，不斷優(yōu)化設(shè)備性能，提升生產(chǎn)效率，并保證生產(chǎn)安全。虛擬工作面涉及掘進(jìn)工作面和采煤工作面，這兩方面分別列入不同系統(tǒng)當(dāng)中，并且兩系統(tǒng)除了包括底板、頂板、巷道等靜態(tài)虛擬環(huán)境，還包含刮板機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、液壓支架、采煤機(jī)等可交互動態(tài)虛擬實(shí)體。

2.3 在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及規(guī)劃方面的應(yīng)用

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要方面就是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及規(guī)劃。在技術(shù)人員設(shè)計(jì)煤礦礦井期間，以往都是通過二維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，包括井上下對照圖、工程平面圖、礦井開拓平面圖等，而若只依靠圖紙很難真實(shí)掌握煤礦井下實(shí)際運(yùn)行與生產(chǎn)狀況等。而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到礦井設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)所想即所見，設(shè)計(jì)者們礦井實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)的同時，能夠即時生成相應(yīng)的三維虛擬模型，包括壓排供、通風(fēng)、運(yùn)輸、開拓等系統(tǒng)，相應(yīng)模型和設(shè)計(jì)者之間可進(jìn)行自然交互，相應(yīng)漫游路徑也能自由選擇。

2.4 在礦井災(zāi)害模擬方面的應(yīng)用

在煤礦領(lǐng)域，井下作業(yè)人員主要會面臨礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害，一旦發(fā)生瓦斯爆炸或火災(zāi)，會造成巨大的財產(chǎn)損失和大量人員傷亡，所以，需要采取有效策略加大力度防范瓦斯爆炸及礦井火災(zāi)。因?yàn)橥咚贡ㄟ^程具有突出的隨機(jī)性，同時礦井開采期間井下場景非常復(fù)雜，有諸多因素會引起瓦斯爆炸，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M很難保證和井下環(huán)境條件一致。而在煤礦瓦斯爆炸防治研究方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具有可重復(fù)操作、安全可靠且投資少等優(yōu)勢。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)瓦斯爆炸以及礦井火災(zāi)相關(guān)系統(tǒng)，對礦井作業(yè)環(huán)境實(shí)現(xiàn)真實(shí)模擬，同時基于網(wǎng)絡(luò)分析以及計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬結(jié)果，能夠?qū)Ρɑ蚧馂?zāi)發(fā)生整個過程實(shí)現(xiàn)逼真的顯示，這對瓦斯爆炸以及礦井火災(zāi)防范意義重大。針對礦井火災(zāi)方面設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，能夠?qū)Σ蓞^(qū)火災(zāi)狀態(tài)下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，比如，若運(yùn)輸巷皮帶跑偏同時和機(jī)架因摩擦引發(fā)火災(zāi)，首先會啟動自動噴淋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴水滅火，若火災(zāi)進(jìn)一步蔓延，軟件可對火災(zāi)后續(xù)蔓延過程進(jìn)行模擬，另外還能模擬人員關(guān)閉風(fēng)門、礦工撤退等過程，通過模擬人員走在巷道過程中會受到煙流的具體影響等。

2.5 在煤礦事故調(diào)查和分析方面的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能夠通過計(jì)算機(jī)再現(xiàn)事故整個發(fā)生過程，相關(guān)調(diào)查者可從多種角度觀測并分析整個事故發(fā)生經(jīng)過，明確事故引發(fā)的根本原因，如人員動作行為、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因等。另外，通過對虛擬環(huán)境當(dāng)中各項(xiàng)模型狀態(tài)與參數(shù)進(jìn)行交互式的調(diào)整，能夠找到規(guī)避相關(guān)事故發(fā)生的方法，及時采取有效的預(yù)防策略。

3 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域，能夠構(gòu)建高度真實(shí)的虛擬煤礦礦井環(huán)境，在可視化場景支持下開展人員培訓(xùn)、生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、礦井災(zāi)害防范、設(shè)備性能優(yōu)化等工作，可促進(jìn)煤礦領(lǐng)域安全、科學(xué)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級階段，隨著對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的不斷深入，此項(xiàng)技術(shù)將在煤礦領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用空間。