基于3DVR的綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究

李升+趙金升+韓偉+袁峰

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是近幾年來(lái)信息技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口開(kāi)發(fā)技術(shù)、多媒體技術(shù)和傳感 “幻真”技術(shù)，基于3DVR的綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用可以解決煤礦薄煤層開(kāi)采的無(wú)人值守或者少人進(jìn)入問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制，對(duì)煤炭企業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域及薄煤層開(kāi)發(fā)與資源回收具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；3DVR；真實(shí)展現(xiàn)；三遠(yuǎn)程操控；仿真技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0100-01

1 系統(tǒng)研究背景及意義

減人提效是煤炭企業(yè)的發(fā)展方向，尤其是綜采工作面，而采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)減人增效的必要條件。目前，業(yè)內(nèi)主要采用兩種方式實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。一種是基于組態(tài)軟件界面的采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時(shí)配套對(duì)應(yīng)攝像頭采集井下現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控。但是存在以下問(wèn)題：

（1）煤礦井下環(huán)境特殊，氣候惡劣，粉塵、水霧較大，圖像不清晰而無(wú)法監(jiān)視；（2）視頻傳輸占用大量帶寬，當(dāng)監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面停滯、延時(shí)卡頓等現(xiàn)象；（3）操作人員很難直觀的從組態(tài)界面中獲得三維立體感受，操作比較盲目；（4）監(jiān)控區(qū)域及場(chǎng)所受條件限制，不能從多角度全方位觀察。

另一種方式是基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)（3DVR）的采煤機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)及其周邊狀態(tài)的三維仿真，并在采煤機(jī)上模擬展示設(shè)備運(yùn)行情況與設(shè)備動(dòng)作，并可以遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)的開(kāi)停等，具有直觀、可控等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。

2 系統(tǒng)主要運(yùn)用技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)與實(shí)時(shí)三維圖形生成

主要包括采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)等。采煤機(jī)虛擬機(jī)要分成主機(jī)、左右搖臂、破碎主機(jī)、破碎滾筒、左右截割滾筒5個(gè)主要部件來(lái)建模，并依據(jù)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的先后關(guān)系及其三維圖形動(dòng)態(tài)生成。

2.2 立體顯示和傳感技術(shù)

三維GIS在很大程度上也依賴視覺(jué)表現(xiàn)提供更為豐富逼真的信息，比如剖析地質(zhì)結(jié)構(gòu)、仿真復(fù)雜的時(shí)空變化、反演不會(huì)重現(xiàn)的歷史過(guò)程、推演未來(lái)發(fā)展等，由此能獲得各種超越現(xiàn)實(shí)的空間感知經(jīng)驗(yàn)。三維GIS海量數(shù)據(jù)的交互式真實(shí)感可視化系統(tǒng)配備一些先進(jìn)的圖形卡和工作站。

2.3 數(shù)據(jù)集成與遠(yuǎn)程控制技術(shù)

實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)井下?tīng)顟B(tài)的真實(shí)展現(xiàn)，綜合集成采煤機(jī)的設(shè)備數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，對(duì)采煤機(jī)實(shí)施可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為采煤機(jī)在井下的真實(shí)狀態(tài)，提供了不同場(chǎng)景的切換按鈕，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景自由切換及漫游，使監(jiān)控人員能夠從不同角度觀測(cè)到采煤機(jī)的真實(shí)工作狀態(tài)。調(diào)度操控人員，在地面通過(guò)計(jì)算機(jī)觸發(fā)相應(yīng)的控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)3DVR平臺(tái)的虛擬機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作面可視化真實(shí)操作。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)

3.1 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)

項(xiàng)目有一個(gè)強(qiáng)大的系統(tǒng)平臺(tái)做支撐，以滿足技術(shù)的發(fā)展和需求變化的需要，主要用于數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的定制、權(quán)限管理、流程和報(bào)表的定制、WEB界面布置等。

3.2 生產(chǎn)管理監(jiān)測(cè)功能

根據(jù)煤礦井上下巷道布置，工作面狀態(tài)，設(shè)備安裝位置及運(yùn)行狀態(tài)，人員信息等數(shù)據(jù)，通過(guò)與各系統(tǒng)接口對(duì)接，真實(shí)展示礦井狀況，并實(shí)時(shí)更新井下?tīng)顩r，對(duì)其各系統(tǒng)及設(shè)備的變動(dòng)狀況做出真實(shí)的反映；當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)，自助顯示異常地點(diǎn)并彈出異常畫(huà)面，并報(bào)警，同時(shí)操作員可以對(duì)井下關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)停、遠(yuǎn)程控制。

3.3 信息查詢

可以通過(guò)建立的數(shù)據(jù)關(guān)系及定位信息，全方位的查詢煤礦各場(chǎng)所的實(shí)時(shí)狀況和設(shè)備運(yùn)行信息；查詢?cè)O(shè)備（巷道內(nèi)）和巷道，監(jiān)督生產(chǎn)進(jìn)程和設(shè)備更新?tīng)顩r。

4 系統(tǒng)功能

（1）建立煤礦綜采工作面場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的開(kāi)采狀態(tài)割煤真實(shí)效果展現(xiàn)，展示煤塊的開(kāi)采、垮落過(guò)程；（2）建立煤礦綜采工作面場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)煤真實(shí)效果展現(xiàn)，展示煤塊運(yùn)出的過(guò)程；（3）建立煤礦綜采工作面場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)液壓支架的推溜真實(shí)效果展現(xiàn)，展示整個(gè)推溜形成彎曲段的過(guò)程；（4）噴霧效果展現(xiàn)，可以展現(xiàn)采煤機(jī)噴霧特效，液壓支架跟機(jī)噴霧特效等；（5）采煤機(jī)定位紅外收發(fā)器、測(cè)距儀等效果展現(xiàn)，可以展現(xiàn)紅外發(fā)射器和接收到紅外發(fā)射信號(hào)的接收器效果，測(cè)距儀及其目標(biāo)效果等。

5 效益分析

該系統(tǒng)為煤礦開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備運(yùn)行提供智能的監(jiān)控及管理服務(wù)。在安全生產(chǎn)和效率提升方面的表現(xiàn)異常明顯，該系統(tǒng)的普及更有利于實(shí)現(xiàn)智能化礦井得建設(shè)，有助于提高企業(yè)效益和管理水平、技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步、職工觀念的更新和企業(yè)形象的鑄造，最終提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

3DVR的綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)為提供了現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展現(xiàn)了工作面的情況，調(diào)度人員無(wú)需下井即可了解到工作面的實(shí)時(shí)狀況，為生產(chǎn)、調(diào)度、指揮等工作提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)和圖形界面支撐，達(dá)到了減員提效的功能，為建立數(shù)字礦山和智慧礦山打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)必將受到廣大煤礦的推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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