淺談虛擬現實技術在煤礦中的應用

李東

1.虛擬現實技術的概念

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。

虛擬現實是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

概括地說，虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。虛擬現實中的“現實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，它可以是實際上可實現的，也可以是實際上難以實現的或根本無法實現的；而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現實是指用計算機生成的一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。

2.虛擬現實技術主要的應用領域

現在虛擬現實技術主要應用在軍事與航天工業、室內設計、房產開發、工業仿真、應急推演、文物古跡、游戲、Web3D/產品/靜物展示、道路橋梁、地理、教育、虛擬演播室、水文地質研究、維修等方面。

3.虛擬現實技術應用于煤礦工作中的國內外研究現狀

3. 1 國外虛擬現實技術應用到煤礦工作中的研究現狀

在國外，虛擬現實技術應用到煤礦及其生產系統的設計和規劃、采掘工作面、礦井災害的模擬、煤礦安全生產培訓等方面。

美國賓夕法尼亞大學開發了虛擬現實礦工培訓系統。該系統允許用戶在虛擬工作面上檢查工作面的故障隱患，如頂板支護是否合理，查看工作面設備是否正確放置，以及應該采取哪些措施。應用該系統可以培訓礦工的安全意識。

德國DMT大學開發的礦井決策模擬系統STMBERG，是采礦專業學生的訓練軟件。該軟件包括地質、開采設計、工作面狀況等方面的簡化條件，學生可以進行決策和管理。

3. 2 國內虛擬現實技術應用到煤礦工作中的研究現狀

國內在虛擬現實研究方面則是剛剛起步，在煤礦中虛擬現實技術主要應用在重大事故調查事故分析中。如陜西某礦發生的特別重大瓦斯爆炸事故，開發了煤礦瓦斯爆炸及火災事故虛擬現實系統，并成功應用于對該礦事故的調查分析，利用粒子系統和動態文理技術表現瓦斯爆炸、火災，形象地顯示了復雜的事故過程和發生原因。目前，中國礦業大學和DMT-TFH合作，已將STMBERC應用于真實礦井中。

4.虛擬現實技術在煤礦安全生產中的應用

虛擬現實技術在煤礦的應用，既屬于危險環境下的操作，也屬于CAD、教育和培訓的范疇。虛擬現實技術為煤礦安全生產、優化設計和礦工技術培訓等提供了一種更為有效的手段。

4. 1 礦井開采模擬

采掘工作面是煤礦安全生產的最前線，安全生產矛盾最為集中、安全條件最差、作業人員最多、設備集中、空間狹窄、工作行走受限，是頂板、瓦斯、煤塵、火災等災害的多發地點，也是系統最復雜的地方。采掘工作面的虛擬實現不僅包括靜態的虛擬環境（如頂板、巷道、地板等），還要包括動態的可交互的虛擬實體（如采煤機、掘進機、液壓支架等）。系統創造的這一三維環境與現實中的房柱式開采情況極為接近，無論是采礦作業過程，還是工藝設備的運行都如同是現場拍攝。更有意義的是操作人員可與這一系統進行交互作用，可以在任意時刻穿越任何空間進入系統模擬出的任何區域，通過計算機屏幕顯示出所視空間的采礦作業情況，如設備當前位置和運行狀況，設備運行的時間、產量、設備間的距離等動態信息。這種模擬超過之前以任何方法建立的模型所達到的效果。應用虛擬現實系統可以通過對不同型號設備、不同開采參數下的生產系統進行動態模擬，從而達到優化生產系統的目的。顯然，這類系統還可用于礦井開采計算機輔助設計、生產監控、管理和技術培訓等方面。

4. 2 煤礦人員技術培訓

在礦業領域可以借助虛擬現實系統虛擬井下各種復雜的作業環境，供采礦工程專業的學生實習訓練，這樣既可以降低實習費用，又可縮短教學時間，讓更多的人接受高等教育，同時還可對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓。如虛擬井下的各種工況及險情，使被訓練者身臨其境地去體驗，并學會采取有效的應急措施去處理各種險情，以提高人員素質，消除事故隱患。

諾丁漢大學AIMS研究室應用虛擬現實技術開發的房柱式開采模擬系統VR-MINE、蓄電池機車模型、露天礦單斗卡車工藝生產系統等可分別用于相應環境下工作人員的培訓。如用于露天礦卡車司機及相關人員的培訓的露天礦卡車模擬器，該模擬器除采用一般的VR模擬系統硬件及軟件進行人機交互外，還可通過方向盤、加速器和剎車板控制屏幕上卡車的運行，猶如駕駛真正的卡車一般。當受訓者操作這些硬件時，面對的計算機屏幕或投影大屏幕上呈現出一個三維的真實直觀的露天礦作業環境，包括聲音、甚至煙霧，如同駕駛著一輛真實的卡車運行在露天礦的礦坑內，無論是駕駛的卡車本身，還是環境中運行的其它設備，均按照受訓者的操作或依據系統間的動態關系運行。比如，受訓者操作出錯時，同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故。顯然，這種培訓手段使人與環境結合起來，通過人機交互使受訓者產生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它任何培訓形式所能產生的效果。

4. 3 煤礦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可視化的性能評估，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，因此對井下設備的設計、運行、維修都提出了很高的要求。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。例如采煤機虛擬設計中，設計人員不必等到樣機制造出來，再去修改其中不理想、不合理的部分，因為虛擬現實系統可以容納他們“進入”計算機中的三維空間圖像，借助多種交互手段直接對采煤機的設計進行觀察、討論和修改，從而大大縮短設備的研制周期，節省研制費用。

4. 4 應用虛擬現實技術進行礦井事故調查和研究

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。同時通過交互式地改變這虛擬模型中環境的參數或狀態，從而防止其它與此相關的潛在事故的出現。

礦井火災和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災害。計算機技術的高速發展使得在災變條件下復雜的通風網絡快速解算成為可能，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。

AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災VR系統的開發。該系統通過模擬某個真實的礦井作業環境，并結合網絡分析和CFD模擬的結果，可以逼真地展示出火災或爆炸發生的動態過程。除了模擬火煙彌漫狀況外，該系統還可通過人機交互作用顯示出人為因素，如反風、滅火措施等對整個通風網絡的影響。此類系統的開發，無疑可以廣泛地用于礦井火災的防治、救災和人員培訓等方面。

4. 5 虛擬現實技術應用在煤礦防治水工作中

利用虛擬現實技術的三維可視化功能可以真實的再現地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度空間的變化情況。以往工作中，通過剖面圖展示含水層、隔水層的分布特點，在平面圖中通過含水層厚度等表現含水層的空間分布狀況，總的來說不直觀也不全面。在虛擬現實系統中隨著資料的進一步完善，能夠直接的將含水系統真實的展現出來。水文地質研究中的重要部分是地下水流的運動規律，利用虛擬現實系統可以研究的不僅是含水層的展布，同時利用虛擬現實系統的實時變化功能也可以對地下水流的運動變化特征進行虛擬表達，充分展現地下水流的特點：其流向、流速和流量乃至儲存量的變化等，為礦井防治水提供可靠的依據。

5.煤礦虛擬礦井系統的設計構成結構

基于虛擬現實技術在煤礦中的應用現狀、虛擬環境中多智能體技術建模方法研究，系統的主要結構是：

（1）控制與反饋系統。系統可通過傳感器進行控制并作用于虛擬環境和反饋來自虛擬世界的信息。

（2）主計算機系統。是進行計算、模擬的主要計算機設備。

（3）三維模型。通過建模軟件形成的礦井中物體的三維模型。

（4）三維模型運動控制接口。三維模型運動控制接口程序控制礦井生產系統以及礦井中一切需要移動的物體。

6.結束語

盡管有限于當前軟、硬件技術水平，虛擬現實系統目前還只能達到部分真實感的程度，但其前景誘人，已成為當今世界關注的熱點科技之一。虛擬現實在煤礦的應用雖屬于起步階段，但此方面的研究成果已顯示出虛擬現實在煤礦中應用的廣闊前景。隨著虛擬現實技術在礦業方面應用研究的進一步深入，其必將成為礦山優化設計、生產管理、危險性評價及礦工培訓等方面的重要手段。

作者單位：中國煤炭科工集團 天地科技股份有限公司