虛擬現實技術在礦山設計中的應用探討＊

代張音

(貴州大學礦業學院,貴州貴陽 550003)

虛擬現實技術在礦山設計中的應用探討＊

代張音

(貴州大學礦業學院,貴州貴陽 550003)

隨著計算機技術的發展,傳統的手工繪圖設計被二維AutoCAD繪圖設計代替,而二維圖形反應現實三維地質現象和復雜的井筒巷道的分布,仍很不直觀易懂,圖紙繁多,容易出錯。虛擬現實技術在礦山開采設計、安全設施設備布置設計、安全評價中的應用將解決這些問題,這也是礦山設計的發展趨勢。

虛擬現實;礦山設計;安全評價;礦山開采

1 引言

虛擬現實技術 (Virtual Reality Technology,簡稱VR),也稱靈境技術,是 20世紀 80年代后期興起的計算機圖形新技術,它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺乃至嗅覺、味覺等感覺形式的虛擬世界。虛擬現實技術自 20世紀 80年代末開始,在西方先進國家的軍事、航天、航空領域開始運用。在我國,近幾年除軍事航天、航空領域開始運用這項技術外,在一些民用領域也開始運用。盡管目前 VR技術在礦業領域的研究還剛剛起步,但通過國內外專家學者的不斷努力,已顯示出VR技術的獨特性和在礦業領域的發展前景,隨著該技術的進一步發展,它必將對礦山開采和管理技術的重大革新產生積極的影響。

礦山建設投資大、工期長、工藝系統多、地質條件復雜、可預見性強等特點,決定礦山開采設計、安全設施設備布置設計、安全預評價的重要性和復雜性[1]。目前,礦山設計采用 AutoCAD繪制二維圖紙,而二維圖形反應現實三維地質現象和復雜的井筒巷道的分布,仍很不直觀易懂,圖紙繁多,容易出錯。虛擬現實技術在礦山設計中的應用將解決這些問題,使礦山設計更直觀、易懂,且具有更好的兼容性、修改性、實時性。

2 虛擬現實技術及基本特點

虛擬現實技術是以計算機技術為平臺,利用虛擬現實硬件、軟件資源而實現的一種極其復雜的人與計算機之間的交互和溝通過程。利用虛擬現實技術可為人類創建一個虛擬空間,可向參與者提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、導航漫游等身臨其境的感覺,并與虛擬現實環境中的三維實體進行交互和感知,親身體驗在虛擬現實世界中遨游的神秘、浩瀚的感受。虛擬現實系統與其他計算機系統的最本質區別是“模擬真實的環境”。虛擬現實系統模擬的是“真實的環境、場景和造型”,把“虛擬空間”和“現實空間”有機地結合而形成一個虛擬的時空隧道。

虛擬現實技術的特點主要體現在虛擬現實技術的沉浸感、交互性、想象力,簡稱 3 I特性,以及網絡功能、多媒體技術、人工智能、計算機圖形學、動態交互智能感知和程序驅動三維立體模型與場景等特點[2]。

目前,虛擬現實相關軟件發展迅速,種類較多。其中典型代表有VRLM、JAVA3D、X3D、OpenGL及Vega等軟件產品。

3 虛擬現實技術在礦業中的應用現狀

虛擬現實技術已在礦業領域很多方面得到應用并取得令人注目的成就,這些研究成果已經顯示出虛擬現實技術在礦業領域應用大潛力。目前國外的許多工業組織和科研院校紛紛加大研究力度和深度,積極開發和探索虛擬現實技術應用的新領域。目前虛擬現實在國內外礦業中的應用主要集中在以下幾個方面[3]:

(1)礦山生產環境的風險評價。

通過應用 VR技術輔助識別和評價對象 (如設備、人員等)的風險狀況,從而得出更客觀的風險評價。這種VR計算機系統可動態的進行生產環境的風險分析。

(2)礦山生產過程的動態模擬與技術培訓。

利用虛擬現實技術創建的礦山生產環境具有逼真、交互作用的特點。應用 VR技術制作出的軟件或錄像,可以直觀模擬采礦環境及其作業過程、適于礦山職業教育和崗位培訓。

(3)煤礦生產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。

(4)礦井事故模擬與調查分析。

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。這個在公安部門的案例分析中已有應用,在礦業領域還沒有涉及。

(5)礦井火災和瓦斯爆炸模擬。

計算機技術的高速發展使得在災變條件下復雜通風網絡的快速解算成為可能,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。

(6)生態重建。

在生態重建的規劃設計、方案論證的過程中,采用虛擬現實技術,能夠把各種不同的方案在計算機中逼真的體現出來,給決策者提供一種直觀形象的輔助決策手段,對于方案中不完美之處可以快速修改,這對于生態重建最優方案的確定有重要意義。

4 基于虛擬現實技術的礦山設計

新建、改建、擴建礦井必須進行礦山開采方案設計、安全專篇、安全預評價等有關保證安全有效生產的設計和評價。然而礦山建設投資大、工期長、工藝系統多、地質條件復雜、可預見性強等特點決定了礦山設計的重要性和復雜性,目前工程技術人員在進行礦山設計和評價時,都是采用AutoCAD繪制二維圖紙,CAD技術與傳統的人工設計和繪圖相比具有效率高,繪圖方便,迅速地編輯、修改,成圖質量好等優點。但用二維圖形表示三維的地質現象和復雜的井筒巷道的分布,很不直觀,圖紙繁多。而且,實際中設計圖紙所反映的是礦山的空間結構關系,這個空間構造關系需要完全憑借設計者去想象,但設計者很難在腦海里形成一個完整的礦山,設計方案一旦有誤,或者不是最優,其經濟損失將是無法挽回的。

應用虛擬現實技術可以即時生成礦床及開采、掘進、運輸、通風等系統的三維虛擬模型,并且這些模型可以與設計者實現實時交互,操作者可以進入該交互環境中,判斷并校驗設計的結果,對于不令人滿意的地方或設計不合理的地方,可即時調整參數和進行修改并馬上在虛擬環境中再現[4]。在對不合理的設計進行整改之后,可據此制定合理的開采規劃,合理布置巷道、運輸路線、通風網路等,以達到令人滿意的程度。在設計中所獲得的數據可通過傳感器或測量、探測獲得的,通過VR系統的數據實時傳送功能傳遞到系統中后,便可用來開展礦山設計。另外還可根據鉆孔數據模擬礦床分布,進行礦井設計。這些數據可以建成DT M實體模型,也可以以其他形式存儲并顯示。對于露天開采,該系統還能根據對環境狀況的測定,合理圈定露天開采范圍。

圖 1 AutoCAD礦山設計制圖與VR礦山設計比較圖

對比AutoCAD礦山設計制圖與VR礦山設計流程,如圖 1所示。可見運用VR礦山設計,除具有直觀易懂的優點外,還具有流程簡易,便于修改,減少浪費等優點。而且,在基于虛擬現實技術的礦山開采方案設計的基礎上,進行礦山安全專篇設計和安全預評價,可將開采設施設備、安全設施設備等系統直觀的反映在一個三維立體圖中顯示,減少遺漏和錯誤,能避免繁瑣的圖紙,降低礦山企業技術人員的工作量,并方便礦山企業管理人員系統直觀的進行綜合生產管理,還可以在以后的生產中,實時交互校正。

5 展望

虛擬現實技術在礦山設計中的應用是礦山設計和評價的必然趨勢,具有重大的社會價值和經濟價值,其直觀、形象、易懂等優點,都是傳統方法不可比擬的。但要將虛擬現實技術真正應用于礦山設計中,還需要重點研究礦山三維模型的真實性、互動性,以及三維硬件系統方面的技術支持等。

REFERENCES

[1] 張建桃,伏永明.基于虛擬現實技術的礦業規劃與設計[J].計算機時代,2005,3.

[2] 張金釗,張金銳,張金鏑,等.VRML編程實訓教程[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3] 顧海霞,萬瑋.虛擬現實技術在礦業領域應用現狀綜述[J].電腦知識與技術,2008,6.

[4] 鹿浩,羅周全,楊彪.等.虛擬現實技術及其在礦業中的應用[J].中國鎢業,2007,4.

D iscussion on Application of Virtual Reality Technology in M ine Design

DA I Zhang-yin
(Mining College of Guizhou University,Guiyang,Guizhou,China 550003)

Alongwith calculator technical development,the traditionalmanual graphic design is instead by two-dimensionalAutoCAD graphic design.However,it is not visual and understandability that two-dimensional graphics reflect three-dimensional geological phenomena and the distribution of shaft.The issue will be solved with the application of virtual reality technology in mining design,safety assess ment,and the design of safety facilities and equipment layout.Therefore it is the trend that application virtual reality technologies in mine design.

Virtual Reality;mine design;safety assessment;mine exploiting

book=23,ebook=110

TP391.9;TD2

A

1009-3842(2010)02-0023-03

2010-03-22

貴州大學自然科學青年科研基金項目

代張音(1981-),女,土家族,貴州銅仁人,碩士,貴州大學礦業學院講師,主要從事礦山安全生產技術方面的科研與教學工作。Email:490945568@qq.com