基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真系統(tǒng)

張光磊，張登崤，程海星

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 陜西 西安 710054)

礦井工作面為煤炭開(kāi)采的第一現(xiàn)場(chǎng)，位于地下深處，由于礦道狹窄、作業(yè)設(shè)備多且環(huán)境溫度高，極易發(fā)生安全事故，其中在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，從煤炭本身和礦井壁散發(fā)的瓦斯在礦壓環(huán)境不佳且溫度過(guò)高環(huán)境中，易發(fā)生瓦斯爆炸情況[1-2]。因此，礦井工作面的礦壓處理極其重要，是煤礦企業(yè)管理環(huán)節(jié)的重中之重。為解決礦井工作面礦壓過(guò)程中存在的問(wèn)題，楊帥等[3]通過(guò)監(jiān)測(cè)和解算礦井內(nèi)礦壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真，該方法雖然可實(shí)現(xiàn)礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真，但受礦井內(nèi)環(huán)境因素影響，無(wú)法做到實(shí)時(shí)解算監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，存在一定程度延遲，故此應(yīng)用效果不理想；李曼等[4]通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)礦井工作面礦壓進(jìn)行仿真，建立礦井顯現(xiàn)仿真模型，從傳感器獲取到的礦壓分布云圖內(nèi)分析礦井礦壓值，但由于礦井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)到礦壓據(jù)摻雜不同程度噪聲，而該方法并未對(duì)噪聲進(jìn)行處理，因此應(yīng)用性較差。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)等結(jié)合在一起通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境，使用戶(hù)仿佛置身于真實(shí)環(huán)境內(nèi)，提升用戶(hù)環(huán)境沉浸感[5]。因此，本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以建立虛擬礦井工作面環(huán)境方式，研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真方法，為煤炭企業(yè)礦井工作面管理提供技術(shù)支持。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真

1.1 工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬環(huán)境構(gòu)建

礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真的目的是通過(guò)模擬礦井內(nèi)煤炭開(kāi)采作業(yè)環(huán)境與操作過(guò)程，研究礦井內(nèi)礦壓情況，因此礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真分為2個(gè)步驟：①礦井工作面虛擬場(chǎng)景建立；②利用礦壓變化數(shù)學(xué)模型，分析礦井內(nèi)礦壓變化情況，在礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)礦井巷道礦壓計(jì)算功能，為后續(xù)礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(1)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)工具選擇。在建立礦井工作面礦壓虛擬環(huán)境之初，需選擇相應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)工具，在此選取Multigen軟件負(fù)責(zé)構(gòu)建礦井工作面礦壓虛擬環(huán)境，利用Vega軟件設(shè)計(jì)交互界面，為Multigen軟件建模提供調(diào)用函數(shù)。三維建模工具選擇Multigen軟件，該軟件為3D建模軟件[6]，其數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)為樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)，具備光照選擇、紋理映射以及3D聲音等功能。實(shí)時(shí)仿真軟件選擇Vega，該軟件由Lynx圖形工具箱和C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境的Vega函數(shù)庫(kù)組成[7]，為Multigen軟件提供用戶(hù)界面設(shè)計(jì)與場(chǎng)景建模調(diào)用函數(shù)。

圖1 礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)的仿真流程Fig.1 Simulation flow of mine pressure display system in mine working face

1.2 工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

礦井工作面虛擬場(chǎng)景構(gòu)建主要由場(chǎng)景建模、幾何建模、場(chǎng)景形象建模、行為建模、人物建模。

(1)場(chǎng)景建模。礦井工作面場(chǎng)礦壓系統(tǒng)景建?？煽醋魇堑V井內(nèi)三維圖形對(duì)象的集合，是將礦井工作面礦壓場(chǎng)景以數(shù)學(xué)的方式在計(jì)算機(jī)內(nèi)呈現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程[8]。礦井工作面礦壓場(chǎng)景建模為礦井巷道模型和設(shè)備模型，巷道模型包括運(yùn)輸槽、礦壓槽等，設(shè)備模型包括采煤機(jī)、傳輸設(shè)備等，而運(yùn)輸槽、礦壓槽等設(shè)備或場(chǎng)景需經(jīng)過(guò)幾何模型、形象模型和運(yùn)動(dòng)模型共同組成。

(2)幾何建模。對(duì)于場(chǎng)景建模中的礦井巷道模型和設(shè)備模型構(gòu)建，可將礦井巷道和設(shè)備當(dāng)作是由各種形狀的組成的物體，通過(guò)繪圖軟件內(nèi)的OpenGL可實(shí)現(xiàn)礦井巷道和設(shè)備輪廓構(gòu)建[9]，其步驟為利用VC++軟件依據(jù)礦井巷道和設(shè)備的特征，定義相框和設(shè)備的點(diǎn)、面以及形狀，經(jīng)過(guò)連接點(diǎn)、面和形狀，完成礦井巷道和設(shè)備繪制。

(3)場(chǎng)景形象建模。形象建模是將幾何建模后的礦井巷道和設(shè)備進(jìn)行紋理和顏色填充以及光照渲染，其中紋理映射也稱(chēng)紋理貼圖，是將場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的礦井巷道和設(shè)備圖像貼到幾何構(gòu)建后的礦井巷道和設(shè)備內(nèi)，通過(guò)調(diào)整顏色和光照情況，使礦井巷道和設(shè)備場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景相似度最大，完成場(chǎng)景形象建模。紋理映射是一個(gè)放射轉(zhuǎn)換和雙線(xiàn)性轉(zhuǎn)換的過(guò)程[10]，面對(duì)礦井工作面復(fù)雜場(chǎng)景，需不同紋理映射方式完成其場(chǎng)景形象建模。

紋理映射方式如下：① Wrap映射方式，當(dāng)需要映射的場(chǎng)景或物體為立方體形狀時(shí)，利用該映射方式，從立方體的面的6個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，紋理貼圖方向依據(jù)該6個(gè)頂點(diǎn)呈現(xiàn)柱面環(huán)繞，完成紋理映射。②Cylindrical映射方式，該映射方式適用于柱形物體貼圖。③Spherical該紋理方式適用于有圓弧狀的物體，如礦井巷道頂端和側(cè)邊緣等。④Planai Eahc Face映射方式，該映射方式適用于大面積平面，如礦井巷道地面、煤炭斷層平面等，均采用該技術(shù)進(jìn)行映射。

(4)行為建模。行為建模是礦井工作面虛擬場(chǎng)景的重要組成部分，通過(guò)行為模型，實(shí)現(xiàn)礦井工作面虛擬場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制，井工作面虛擬場(chǎng)景的行為建模利用Multigen軟件內(nèi)的DOF節(jié)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)設(shè)備或人物的相對(duì)坐標(biāo)后，利用Vc模塊建立行為對(duì)象類(lèi)別，完成行為建模過(guò)程。

(5)人物建模。用戶(hù)通過(guò)操控礦井工作面虛擬場(chǎng)景內(nèi)的人物，實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象和實(shí)體對(duì)象之間的數(shù)據(jù)交換，其中虛擬人物利用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元和活動(dòng)關(guān)節(jié)鉸接相結(jié)合，以曲面、三角形等形狀呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元，關(guān)節(jié)則利用曲面呈現(xiàn)，虛擬人物的手、面部表情和口型等均使用復(fù)雜自由度驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。虛擬人物構(gòu)建完成后，利用手柄按鈕操控人物動(dòng)作，用戶(hù)可通過(guò)手柄控制虛擬場(chǎng)景人物進(jìn)入到礦井巷道內(nèi)，可操控設(shè)備運(yùn)行，變更設(shè)備位置等。

孕期黃體酮和雌激素的改變 、血流加速導(dǎo)致牙齦腫脹，容易出現(xiàn)牙齦炎、牙齦腫脹，牙齦出血或者牙周病，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響牙齒軟組織周?chē)捻g帶和骨骼，這些疾病會(huì)導(dǎo)致早產(chǎn)和低出生體重兒。分娩結(jié)

1.3 虛擬環(huán)境漫游與交互設(shè)計(jì)

礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)漫游方式可劃分為自動(dòng)式、查詢(xún)式和交互式三種形式漫游，用戶(hù)可自定義漫游位置與方式，迅速到達(dá)礦井工作面的任意位置。而虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的交互則利用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)手套內(nèi)的操作指令發(fā)送至礦壓系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景內(nèi)，通過(guò)控制虛擬人物實(shí)現(xiàn)礦壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備位置變更以及礦壓操作。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建是通過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，因此外部數(shù)據(jù)庫(kù)與場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建尤為重要，在場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，由壓縮形式的圖像和向量、參數(shù)等形式的圖形組成，是虛擬場(chǎng)景建模必不可少的素材，是提升虛擬場(chǎng)景真實(shí)感的途徑之一，而圖像數(shù)據(jù)來(lái)源于攝像機(jī)拍攝的礦井工作面實(shí)景，視頻經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件剪輯處理后，以O(shè)penGL格式存儲(chǔ)為視頻數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)則由動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種圖形數(shù)據(jù)組成，其中動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)為煤炭開(kāi)采活動(dòng)中的相關(guān)參數(shù)，靜態(tài)圖形數(shù)據(jù)則利用高清攝像機(jī)拍攝，將礦井工作面的煤層情況、設(shè)備位置、斷層構(gòu)造以及煤炭開(kāi)采場(chǎng)景的各種細(xì)節(jié)以圖片形式記錄下來(lái)，對(duì)畫(huà)面清晰度不夠和光照不均勻數(shù)據(jù)等經(jīng)過(guò)處理后存儲(chǔ)為通用圖片格式備用，利用上述數(shù)據(jù)組成外部數(shù)據(jù)庫(kù)與場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)輸入設(shè)備和輸入接口為虛擬場(chǎng)景構(gòu)建提供場(chǎng)景數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)。

綜上所述，礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建的基礎(chǔ)即為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，而場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建是通過(guò)攝像機(jī)拍攝即可實(shí)現(xiàn)，而外部數(shù)據(jù)庫(kù)則是礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)前礦壓參數(shù)，該參數(shù)依據(jù)其礦壓的基本數(shù)學(xué)模型獲取，其步驟如下。

設(shè)b為礦壓數(shù)量，礦井工作面礦壓可以表示為Gy=(gy1，gy2，…，gyb)，由此得到如下方程：

(1)

式中，Rij為i時(shí)的第j個(gè)礦壓值；Rii為i時(shí)礦壓；Pi為第i時(shí)刻的礦壓能量代數(shù)和；gyi、gyj為風(fēng)量。

(2)

式中，ci1為第1個(gè)元素；Rl、gl分別為礦壓和風(fēng)量。

G=(V，E)為礦井工作面礦壓圖，令|V|、|E|數(shù)值分別為m、n，將該礦壓圖看作一棵樹(shù)，依據(jù)余弦方式對(duì)該網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行排序，其順序?yàn)闃?shù)在前樹(shù)枝在后，令Bk、Uk分別為礦壓圖的基本關(guān)聯(lián)矩陣和獨(dú)立回路矩陣，由Bk=(B11B12)、Uk=(U11U12)=(IU12)表示。

其中，B11、B12和U11、U12分別為(m-1)×(n-m+1)、(m-1)×(m+1)階矩陣；I為n-m+1階單位矩陣，依據(jù)礦壓圖的基本關(guān)聯(lián)矩陣，獲取到堵路回路矩如下：

(3)

式中，T為可變參量。QN為礦壓圖分支的有風(fēng)量，則樹(shù)和樹(shù)枝的風(fēng)量由Qy、Qz表示，依據(jù)風(fēng)量平衡原理可知獨(dú)立回路矩陣與礦壓圖與風(fēng)量關(guān)系如下：

QN=QyUk

(4)

通過(guò)上述公式可推導(dǎo)出，礦井工作面礦壓圖內(nèi)只有樹(shù)的風(fēng)量向量表現(xiàn)為獨(dú)立狀態(tài)，因此某一獨(dú)立礦壓回路內(nèi)存在分支礦壓阻力代數(shù)與恒等于礦壓能量和，其表達(dá)公式如下：

(5)

式中，hj、pj分別為j個(gè)分支礦壓阻力和礦壓能量代數(shù)和。

將公式(5)轉(zhuǎn)換為矩陣，其表達(dá)式如下：

Uk(HT-PT)=0

(6)

式中，HT、PT分別為礦壓阻力和礦壓能量代數(shù)和的矩陣表達(dá)形式。

式(3)、式(4)組成礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)基本回路方程，式(5)和式(6)組成礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)基本數(shù)學(xué)方程，經(jīng)過(guò)2個(gè)方程組的反復(fù)運(yùn)算，可獲取到該框架工作面礦壓系統(tǒng)的基本參數(shù)，并利用該參數(shù)構(gòu)建外部數(shù)據(jù)庫(kù)，為礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建提供礦壓相關(guān)參數(shù)。

至此，礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景構(gòu)建完畢，當(dāng)?shù)V井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)求解礦壓基本數(shù)學(xué)模型，變更礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真。

2 仿真模擬測(cè)試

以某省大型礦區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法構(gòu)建該礦區(qū)礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬仿真場(chǎng)景，分析該礦井內(nèi)礦壓情況。

2.1 虛擬場(chǎng)景性能測(cè)試

虛擬場(chǎng)景構(gòu)建效果是影響礦井工作面仿真結(jié)果的重要因素，從虛擬場(chǎng)景構(gòu)建角度進(jìn)行測(cè)試，分析本文方法虛擬場(chǎng)景構(gòu)建能力，結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知，在采煤機(jī)控制界面內(nèi)包含任務(wù)列表、機(jī)械認(rèn)知、工具背包、井下導(dǎo)航以及采煤機(jī)開(kāi)關(guān)等控制按鈕，通過(guò)該控制按鈕實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)作，而在圖2(b)內(nèi)，虛擬任務(wù)關(guān)節(jié)彎曲度以及人物動(dòng)作較為逼真，而人物的行進(jìn)方向與箭頭指示方向一致，綜上而言，本文方法構(gòu)建的礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景具備較強(qiáng)功能，且畫(huà)面感十足，可較好地呈現(xiàn)礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)前情況。

圖2 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of virtual scenario construction

為更好地呈現(xiàn)本文方法構(gòu)建的礦井礦壓系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景應(yīng)用效果，以礦井巷道為例，設(shè)置當(dāng)前礦井巷道礦壓為2 154 Pa，使用本文方法獲取礦井巷道當(dāng)前礦壓結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知，在本文構(gòu)建的工作面虛擬場(chǎng)景內(nèi)，不僅可獲取到該礦井巷道礦壓2情況，還可實(shí)時(shí)獲取風(fēng)機(jī)當(dāng)前功率以及其工作效率。利用本文構(gòu)建的礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景可獲取工作面當(dāng)前礦壓情況，且數(shù)值不存在誤差，可有效應(yīng)用于后續(xù)該礦井礦壓仿真。

圖3 礦井巷道虛擬場(chǎng)景Fig.3 Virtual scene of mine roadway

2.2 礦井工作面礦壓測(cè)試

從礦壓監(jiān)測(cè)角度展開(kāi)測(cè)試，以該礦井工作面的12個(gè)分支礦壓巷道作為測(cè)試對(duì)象，使用本文方法統(tǒng)計(jì)該12個(gè)分支礦壓巷道24 h內(nèi)礦壓情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.1 Monitoring results of ore pressure Pa

分析表1可知，12個(gè)礦井分支巷道的最大礦壓、最小礦壓、平均礦壓以及當(dāng)前礦壓數(shù)值均不同，狀態(tài)描述的是當(dāng)前礦壓情況，在12個(gè)礦井分支巷道內(nèi)的當(dāng)前礦壓中，第8個(gè)、第9個(gè)和第12個(gè)礦井分支巷道的當(dāng)前礦壓數(shù)值較其24 h內(nèi)平均礦壓數(shù)值相差較大，被描述為當(dāng)前礦壓過(guò)小，而第6個(gè)和第10個(gè)礦井分支巷道的當(dāng)前礦壓已超過(guò)其24 h內(nèi)的平均礦壓，因此其狀態(tài)描述為當(dāng)前礦壓過(guò)大，該結(jié)果表明，本文方法可有效仿真礦井工作面內(nèi)礦壓巷道的當(dāng)前礦壓情況，并可依據(jù)24 h內(nèi)該巷道礦壓平均值判斷當(dāng)前礦壓是否符合礦壓需求，具備較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3 應(yīng)用性測(cè)試

對(duì)礦井工作面礦壓進(jìn)行仿真的目的是實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，避免礦難事故發(fā)生，對(duì)該礦井工作面某一主巷道未進(jìn)行礦壓處理之前的瓦斯?jié)舛日归_(kāi)仿真，而后對(duì)該主巷道進(jìn)行5 min礦壓處理，并對(duì)礦壓處理后的主巷道瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行仿真，分析本文方法的實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)果如圖4所示。為更便捷呈現(xiàn)瓦斯?jié)舛扰c礦井埋深關(guān)系，分析圖4可知，主巷道瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)山峰狀分布，在礦井埋深為20～80 m時(shí)，其瓦斯?jié)舛茸罡?，進(jìn)行礦壓前該礦井主巷道的瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)0.27%左右，隨著礦井埋深的增加，瓦斯?jié)舛戎饾u下降，而進(jìn)行5 min礦壓處理后的主巷道瓦斯?jié)舛惹€(xiàn)雖然與礦壓處理前整體趨勢(shì)相同，但瓦斯?jié)舛认陆得黠@，瓦斯?jié)舛茸罡邽?.22%左右，礦壓5 min后瓦斯?jié)舛认陆导s0.05%，該結(jié)果表明，本文方法可有效對(duì)礦井巷道瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)仿真，也從側(cè)面印證了該方法對(duì)礦井工作面礦壓情況仿真效果好。

圖4 礦壓前后瓦斯?jié)舛惹闆rFig.4 Gas concentration before and after ore pressure

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井綜采工作面礦壓顯現(xiàn)仿真方法展開(kāi)研究，并從不同角度對(duì)該方法進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本文方法構(gòu)建的礦井工作面礦壓顯現(xiàn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景畫(huà)面感十足且功能眾多，可有效仿真礦井工作面礦壓情況；可依據(jù)24 h內(nèi)該巷道礦壓平均值判斷當(dāng)前礦壓是否符合礦壓需求，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)；可有效仿真風(fēng)機(jī)礦壓，并描述礦井工作面礦壓調(diào)整過(guò)程。