基于虛擬現實技術的礦井綜采工作面礦壓顯現仿真系統

張光磊，張登崤，程海星

(中煤西安設計工程有限責任公司 陜西 西安 710054)

礦井工作面為煤炭開采的第一現場，位于地下深處，由于礦道狹窄、作業設備多且環境溫度高，極易發生安全事故，其中在煤炭開采過程中，從煤炭本身和礦井壁散發的瓦斯在礦壓環境不佳且溫度過高環境中，易發生瓦斯爆炸情況[1-2]。因此，礦井工作面的礦壓處理極其重要，是煤礦企業管理環節的重中之重。為解決礦井工作面礦壓過程中存在的問題，楊帥等[3]通過監測和解算礦井內礦壓參數，實現礦井綜采工作面礦壓顯現仿真，該方法雖然可實現礦井綜采工作面礦壓顯現仿真，但受礦井內環境因素影響，無法做到實時解算監測到的參數，存在一定程度延遲，故此應用效果不理想；李曼等[4]通過設置監測點對礦井工作面礦壓進行仿真，建立礦井顯現仿真模型，從傳感器獲取到的礦壓分布云圖內分析礦井礦壓值，但由于礦井內環境復雜，監測到礦壓據摻雜不同程度噪聲，而該方法并未對噪聲進行處理，因此應用性較差。

虛擬現實技術將計算機技術、仿真技術等結合在一起通過計算機模擬虛擬環境，使用戶仿佛置身于真實環境內，提升用戶環境沉浸感[5]。因此，本文結合虛擬現實技術，以建立虛擬礦井工作面環境方式，研究基于虛擬現實技術的礦井綜采工作面礦壓顯現仿真方法，為煤炭企業礦井工作面管理提供技術支持。

1 虛擬現實技術的綜采工作面礦壓顯現仿真

1.1 工作面礦壓顯現系統虛擬環境構建

礦井綜采工作面礦壓顯現仿真的目的是通過模擬礦井內煤炭開采作業環境與操作過程，研究礦井內礦壓情況，因此礦井綜采工作面礦壓顯現仿真分為2個步驟：①礦井工作面虛擬場景建立；②利用礦壓變化數學模型，分析礦井內礦壓變化情況，在礦井工作面礦壓顯現系統虛擬環境中可實現礦井巷道礦壓計算功能，為后續礦井綜采工作面礦壓顯現仿真提供數據基礎。

(1)虛擬現實技術開發工具選擇。在建立礦井工作面礦壓虛擬環境之初，需選擇相應虛擬現實技術開發工具，在此選取Multigen軟件負責構建礦井工作面礦壓虛擬環境，利用Vega軟件設計交互界面，為Multigen軟件建模提供調用函數。三維建模工具選擇Multigen軟件，該軟件為3D建模軟件[6]，其數據庫結構為樹狀層次結構，具備光照選擇、紋理映射以及3D聲音等功能。實時仿真軟件選擇Vega，該軟件由Lynx圖形工具箱和C語言運行環境的Vega函數庫組成[7]，為Multigen軟件提供用戶界面設計與場景建模調用函數。

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

1.2 工作面礦壓顯現系統虛擬場景構建

礦井工作面虛擬場景構建主要由場景建模、幾何建模、場景形象建模、行為建模、人物建模。

(1)場景建模。礦井工作面場礦壓系統景建模可看作是礦井內三維圖形對象的集合，是將礦井工作面礦壓場景以數學的方式在計算機內呈現出來的過程[8]。礦井工作面礦壓場景建模為礦井巷道模型和設備模型，巷道模型包括運輸槽、礦壓槽等，設備模型包括采煤機、傳輸設備等，而運輸槽、礦壓槽等設備或場景需經過幾何模型、形象模型和運動模型共同組成。

(2)幾何建模。對于場景建模中的礦井巷道模型和設備模型構建，可將礦井巷道和設備當作是由各種形狀的組成的物體，通過繪圖軟件內的OpenGL可實現礦井巷道和設備輪廓構建[9]，其步驟為利用VC++軟件依據礦井巷道和設備的特征，定義相框和設備的點、面以及形狀，經過連接點、面和形狀，完成礦井巷道和設備繪制。

(3)場景形象建模。形象建模是將幾何建模后的礦井巷道和設備進行紋理和顏色填充以及光照渲染，其中紋理映射也稱紋理貼圖，是將場景數據庫內存儲的礦井巷道和設備圖像貼到幾何構建后的礦井巷道和設備內，通過調整顏色和光照情況，使礦井巷道和設備場景與實際場景相似度最大，完成場景形象建模。紋理映射是一個放射轉換和雙線性轉換的過程[10]，面對礦井工作面復雜場景，需不同紋理映射方式完成其場景形象建模。

紋理映射方式如下：① Wrap映射方式，當需要映射的場景或物體為立方體形狀時，利用該映射方式，從立方體的面的6個頂點出發，紋理貼圖方向依據該6個頂點呈現柱面環繞，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，均采用該技術進行映射。

(4)行為建模。行為建模是礦井工作面虛擬場景的重要組成部分，通過行為模型，實現礦井工作面虛擬場景運動控制，井工作面虛擬場景的行為建模利用Multigen軟件內的DOF節點建立運動設備或人物的相對坐標后，利用Vc模塊建立行為對象類別，完成行為建模過程。

(5)人物建模。用戶通過操控礦井工作面虛擬場景內的人物，實現虛擬對象和實體對象之間的數據交換，其中虛擬人物利用獨立運動單元和活動關節鉸接相結合，以曲面、三角形等形狀呈現運動單元，關節則利用曲面呈現，虛擬人物的手、面部表情和口型等均使用復雜自由度驅動構成。虛擬人物構建完成后，利用手柄按鈕操控人物動作，用戶可通過手柄控制虛擬場景人物進入到礦井巷道內，可操控設備運行，變更設備位置等。

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1.3 虛擬環境漫游與交互設計

礦井工作面礦壓顯現系統漫游方式可劃分為自動式、查詢式和交互式三種形式漫游，用戶可自定義漫游位置與方式，迅速到達礦井工作面的任意位置。而虛擬場景與現實場景的交互則利用數據手套實現，利用計算機將數據手套內的操作指令發送至礦壓系統的虛擬場景內，通過控制虛擬人物實現礦壓系統內設備位置變更以及礦壓操作。

1.4 數據庫設計

礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景構建是通過數據運算實現的，因此外部數據庫與場景數據庫構建尤為重要，在場景數據庫內，由壓縮形式的圖像和向量、參數等形式的圖形組成，是虛擬場景建模必不可少的素材，是提升虛擬場景真實感的途徑之一，而圖像數據來源于攝像機拍攝的礦井工作面實景，視頻經過相關軟件剪輯處理后，以OpenGL格式存儲為視頻數據。圖形數據則由動態和靜態兩種圖形數據組成，其中動態圖像數據為煤炭開采活動中的相關參數，靜態圖形數據則利用高清攝像機拍攝，將礦井工作面的煤層情況、設備位置、斷層構造以及煤炭開采場景的各種細節以圖片形式記錄下來，對畫面清晰度不夠和光照不均勻數據等經過處理后存儲為通用圖片格式備用，利用上述數據組成外部數據庫與場景數據庫，通過輸入設備和輸入接口為虛擬場景構建提供場景數據和參數數據。

綜上所述，礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景構建的基礎即為數據庫設計，而場景數據庫構建是通過攝像機拍攝即可實現，而外部數據庫則是礦井工作面礦壓顯現系統當前礦壓參數，該參數依據其礦壓的基本數學模型獲取，其步驟如下。

設b為礦壓數量，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時的第j個礦壓值；Rii為i時礦壓；Pi為第i時刻的礦壓能量代數和；gyi、gyj為風量。

(2)

式中，ci1為第1個元素；Rl、gl分別為礦壓和風量。

G=(V，E)為礦井工作面礦壓圖，令|V|、|E|數值分別為m、n，將該礦壓圖看作一棵樹，依據余弦方式對該網絡圖進行排序，其順序為樹在前樹枝在后，令Bk、Uk分別為礦壓圖的基本關聯矩陣和獨立回路矩陣，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，依據礦壓圖的基本關聯矩陣，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量，則樹和樹枝的風量由Qy、Qz表示，依據風量平衡原理可知獨立回路矩陣與礦壓圖與風量關系如下：

QN=QyUk

(4)

通過上述公式可推導出，礦井工作面礦壓圖內只有樹的風量向量表現為獨立狀態，因此某一獨立礦壓回路內存在分支礦壓阻力代數與恒等于礦壓能量和，其表達公式如下：

(5)

式中，hj、pj分別為j個分支礦壓阻力和礦壓能量代數和。

將公式(5)轉換為矩陣，其表達式如下：

Uk(HT-PT)=0

(6)

式中，HT、PT分別為礦壓阻力和礦壓能量代數和的矩陣表達形式。

式(3)、式(4)組成礦井工作面礦壓顯現系統基本回路方程，式(5)和式(6)組成礦井工作面礦壓顯現系統基本數學方程，經過2個方程組的反復運算，可獲取到該框架工作面礦壓系統的基本參數，并利用該參數構建外部數據庫，為礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景構建提供礦壓相關參數。

至此，礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景構建完畢，當礦井工作面礦壓顯現系統發生變化時，通過求解礦壓基本數學模型，變更礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景，實現礦井綜采工作面礦壓顯現仿真。

2 仿真模擬測試

以某省大型礦區為實驗對象，使用本文方法構建該礦區礦井工作面礦壓顯現系統虛擬仿真場景，分析該礦井內礦壓情況。

2.1 虛擬場景性能測試

虛擬場景構建效果是影響礦井工作面仿真結果的重要因素，從虛擬場景構建角度進行測試，分析本文方法虛擬場景構建能力，結果如圖2所示。分析圖2可知，在采煤機控制界面內包含任務列表、機械認知、工具背包、井下導航以及采煤機開關等控制按鈕，通過該控制按鈕實現采煤機運作，而在圖2(b)內，虛擬任務關節彎曲度以及人物動作較為逼真，而人物的行進方向與箭頭指示方向一致，綜上而言，本文方法構建的礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景具備較強功能，且畫面感十足，可較好地呈現礦井工作面礦壓顯現系統當前情況。

圖2 虛擬場景構建測試結果Fig.2 Test results of virtual scenario construction

為更好地呈現本文方法構建的礦井礦壓系統虛擬場景應用效果，以礦井巷道為例，設置當前礦井巷道礦壓為2 154 Pa，使用本文方法獲取礦井巷道當前礦壓結果如圖3所示。分析圖3可知，在本文構建的工作面虛擬場景內，不僅可獲取到該礦井巷道礦壓2情況，還可實時獲取風機當前功率以及其工作效率。利用本文構建的礦壓顯現系統虛擬場景可獲取工作面當前礦壓情況，且數值不存在誤差，可有效應用于后續該礦井礦壓仿真。

圖3 礦井巷道虛擬場景Fig.3 Virtual scene of mine roadway

2.2 礦井工作面礦壓測試

從礦壓監測角度展開測試，以該礦井工作面的12個分支礦壓巷道作為測試對象，使用本文方法統計該12個分支礦壓巷道24 h內礦壓情況，結果見表1。

表1 礦壓監測結果Tab.1 Monitoring results of ore pressure Pa

分析表1可知，12個礦井分支巷道的最大礦壓、最小礦壓、平均礦壓以及當前礦壓數值均不同，狀態描述的是當前礦壓情況，在12個礦井分支巷道內的當前礦壓中，第8個、第9個和第12個礦井分支巷道的當前礦壓數值較其24 h內平均礦壓數值相差較大，被描述為當前礦壓過小，而第6個和第10個礦井分支巷道的當前礦壓已超過其24 h內的平均礦壓，因此其狀態描述為當前礦壓過大，該結果表明，本文方法可有效仿真礦井工作面內礦壓巷道的當前礦壓情況，并可依據24 h內該巷道礦壓平均值判斷當前礦壓是否符合礦壓需求，具備較高的實際應用價值。

2.3 應用性測試

對礦井工作面礦壓進行仿真的目的是實現礦井瓦斯濃度監測，避免礦難事故發生，對該礦井工作面某一主巷道未進行礦壓處理之前的瓦斯濃度展開仿真，而后對該主巷道進行5 min礦壓處理，并對礦壓處理后的主巷道瓦斯濃度進行仿真，分析本文方法的實際應用效果，結果如圖4所示。為更便捷呈現瓦斯濃度與礦井埋深關系，分析圖4可知，主巷道瓦斯濃度呈現山峰狀分布，在礦井埋深為20～80 m時，其瓦斯濃度最高，進行礦壓前該礦井主巷道的瓦斯濃度高達0.27%左右，隨著礦井埋深的增加，瓦斯濃度逐漸下降，而進行5 min礦壓處理后的主巷道瓦斯濃度曲線雖然與礦壓處理前整體趨勢相同，但瓦斯濃度下降明顯，瓦斯濃度最高為0.22%左右，礦壓5 min后瓦斯濃度下降約0.05%，該結果表明，本文方法可有效對礦井巷道瓦斯濃度進行監測仿真，也從側面印證了該方法對礦井工作面礦壓情況仿真效果好。

圖4 礦壓前后瓦斯濃度情況Fig.4 Gas concentration before and after ore pressure

3 結語

本文依托虛擬現實技術，對基于虛擬現實技術的礦井綜采工作面礦壓顯現仿真方法展開研究，并從不同角度對該方法進行了測試。測試結果表明，本文方法構建的礦井工作面礦壓顯現系統虛擬場景畫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24 h內該巷道礦壓平均值判斷當前礦壓是否符合礦壓需求，實際應用性強；可有效仿真風機礦壓，并描述礦井工作面礦壓調整過程。