虛擬現實技術在采煤工藝仿真中的應用
摘要：采煤生產工藝過程循環框圖礦山天地摘要：井下煤礦開采是一個非常復雜的系統，作業環境惡劣，人、機、環境多種因素共同起作用。虛擬現實技術(VR)技術的發展，為井下的工作者提供一種新的、更容易接受的方式來真正了解采煤工藝，對解決當前煤礦安全、高效生產有著重要的意義。
關鍵詞：虛擬現實技術采煤工藝仿真
虛擬現實技術就是利用虛擬現實的手法將采煤工藝中最為復雜、最為重要的綜采工作面的生產場景生動形象的顯示出來，實現整個綜采工藝過程的模擬，實現人機交互操作。新、老員工都可以在模擬的常規作業環境中到適合自己的工作方法，使自己的工作技巧可以不受地點的限制而得到很好的磨練或改進。同樣可以在模擬的搶險救災場景中尋找逃生自救的方法及必需的救護設施，并作為安全經驗積累下來。
1、虛擬現實建模技術
1.1建模技術簡介及評述。目前，國內外虛擬現實仿真的建模方案有很多種，鑒于其主要的應用功能，我們常見的開發的虛擬環境較少涉及利用外接設備進行觸感和行為反應的真實感覺，而是更加注重于模型，在這里介紹幾種常見的方案：1.1.1第一種方案主要是利用SGI公司開發的獨立于操作系統和硬件系統的圖形開發系統OpenGL開發平臺的通用接口，這是一種完全從底層進行開發的系統，在開發過程中主要采用編程語言如C/C++。由于這種系統已經具有完整的繪圖命令和函數庫(基本庫、實用庫和輔助庫)，開發人員可以直接進行開發，利用數據庫中的各種命令和函數，將各種幾何形體轉述為數學模型并加以控制，從而實現虛擬現實的實現。
1.1.2第二種開發方案是以一些商業虛擬現實引擎為基礎進行虛擬現實系統的仿真開發，這樣就避免了需進行大規模底層編程，不僅簡化了代碼的編寫過程，縮短了開發時間。其達到的虛擬效果能夠包含透明、動畫和反射貼圖紋理，可以直接可以執行3D內容回放，為復雜界面提供場景的多層次的有效設置。
1.2設備建模技術。采煤工藝采涉及的設備很多，包括采煤機，刮板輸送機，液壓支架，順槽里的轉載機，破碎機，轉載機自移裝置，皮帶機自移機尾，皮帶機，乳化液泵站，噴霧泵站，移動變電站等。設備多并且造型復雜。而且，很多機械設備還在實時運轉，還需考慮到動畫效果。因此，設備建模時，編程實現起來難度太大，本文擬采用前面提到的第三方建模軟件來實現。目前，三維建模軟件比較多，常用到的有以下幾類：1.2.1 3DS MAX建模軟件。3DS MAX被廣泛地應用于建筑、機械電視及娛樂業中，比如實現建筑工程的效果圖像，影視作品中片頭動畫和視頻游戲的制作及影視特效等方面。今年隨著國內房地產發展，3DS MAX在國內發建筑效果圖和建筑動畫制作中的應用越來越成熟。
1.2.2 MAYA建模軟件。這種建模軟件具有許多突出的功能，目前許多國內的影視公司也在使用MAYA制作項目，其特點是具有完整的建模系統、強大的程序紋理材質和粒子系統、出色的角色動畫系統以及MEL腳本語言。
1.2.3 Sumatra建模軟件。它的功能與MAYA不相上下，擁有真實的程序紋理材質，出色的角色動畫系統，強大的動畫編輯能力。但由于國內應用的較少，導致在后期制作應用交流起來的不方便，同時其最大的缺點就且它對硬件的要求過高。
2、采煤工藝過程系統分析
綜采工作面采煤工藝過程的動態仿真其實就是將各個工序按照時間的配合，一個工序或幾個工序在某一時刻同時進行，形成連續的動畫過程。
前面提到的采煤工藝，首先是端部斜切進刀，這一過程包括割三角煤的各個步驟;采煤機正常割煤15m后開始推移刮板輸送機，推刮板輸送機后開始移架，采取單架依次順序移動的方式，包括降架、移架、升架三個步驟;在采煤機割至下端頭之前，刮板運輸機和液壓支架互為支點依次前移。采煤機割至下端頭后，工作面前進一刀煤的距離0.75m，完成一個循環，然后又從端部進刀開始重復上述過程。生產過程的簡易循環圖如右所示：整個工藝循環，采煤機的運動是主線，液壓支架、刮板輸送機的運動都是配合采煤機運動的。在配合過程中，液壓支架的升降，時間是運動進行或終止的決定因素。對液壓支架的控制是通過控制時鐘來實現的，當系統時間到達某一點時時鐘激活，這時液壓支架開始動作，而采煤機和刮板運輸機也在同時運動。時鐘是設備實現自動控制的主要途徑，設備每一個部件如每一個液壓支架的降架、移架和升架過程都有其始點和終點，這一過程必須由時鐘來對其進行控制。
3、虛擬現實技術在采煤工藝應用發展趨勢分析
隨著整個信息行業的不斷發展，與虛擬現實技術相關硬件、軟件成本的逐漸降低，技術也有很大提高。虛擬現實技術在礦山優化設計、礦產資源普查，環境保護、礦山安全與救災等方面都有廣闊的應用前景。筆者認為，目前和今后一段時間內以下幾方面還有很大的發展空間：
3.1 礦山系統虛擬設計。目前的國內外工程技術人員在進行礦山設計時，應用較多的都是在二維坐標系下進行設計的，如礦井開拓平面圖、工程平面圖、井上下對照圖等。如澳大利亞CSIRO MineEngineering GROUP研究開發了Virtual Mine虛擬煤礦環境系統。但是基于虛擬現實技術的礦山設計應用系統可以使設計者“所想即所見”，用戶可以將自己置身于虛擬礦山中，身臨其境、多視角的觀察目標對象，并可進行交互操作和單通道立體現實。形象直觀表現了礦山開采的整個工藝過程，對礦山開采提供決策支持，具有重要的現實意義和應用價值。
3.2礦井重大災害模擬。南非(Centre of Scientific and In-dus trial Res earch，CSIR)公司礦業分公司用區域3D沉積模型來模擬各種斷裂構造，通過該模型可以看到斷裂面之間復雜的內部關系，預測斷裂構造在時間和空間上的分布，加深對地質條件的了解和掌握，從而能更有效地采取防災、減災和救災措施。煤礦常見五大自然災害中，瓦斯、水、火和煤塵引發的災害后果是煤礦五大自然災害中最常見的，也是產生后果最嚴重的造成了重大的人員傷亡和巨大的財產損失。而虛擬現實技術的發展和應用為礦井災害機理研究及重大災害的模擬預測提供有力的工具和手段。
3.3礦山工作人員技能及安全培訓。虛擬軟件的應用通，使礦山工作人員能夠身臨其境，多視角的觀察目標對象增強其安全意識，提高管理水平，安全有效，同時還能節省大量的培訓費用。
實踐表明，虛擬現實技術的不斷開發發展應用，無疑必將徹底改變傳統礦業低效，粗曠的面貌，為礦業發展開辟了一條新的道路，有效的促進礦業結構的調整，同時也會為今后礦山實現無人化開采奠定基礎。
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