虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井通風(fēng)安全中的可控可視化研究

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井通風(fēng)安全中的可控可視化研究 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是以仿真的方式給用戶制造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體變化與相互作用的三維世界，并通過(guò)頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套等幫助傳感設(shè)備，供應(yīng)給用戶一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可以直接參加并探究仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化。它具有多煤體信息感知性、沉醉感、交互性、自主性等特點(diǎn)。 目前，在礦井通風(fēng)作業(yè)中普遍存在著一些有待解決的問(wèn)題，例如：測(cè)量工作繁重、實(shí)際運(yùn)作成本高、反饋信息數(shù)據(jù)存在著滯后性、通風(fēng)系統(tǒng)的效率及精確度低、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)局部或整體的可控性和可視化有肯定困難等。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能

2、很好地解決上述問(wèn)題，依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)工程的方法理論，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中的相關(guān)高新技術(shù)手段，科學(xué)地創(chuàng)建礦井的三維虛擬場(chǎng)景。系統(tǒng)地調(diào)整巷道數(shù)據(jù)以精確生成礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。用戶可以任意調(diào)整（添加或刪除、轉(zhuǎn)變外形等）通風(fēng)設(shè)施（風(fēng)窗、風(fēng)門(mén)、風(fēng)橋等）或設(shè)備（主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等）的參數(shù)來(lái)快速真實(shí)地反映礦井的通風(fēng)系統(tǒng)變化，給決策者或管理人員供應(yīng)調(diào)整或改造的參考依據(jù)。用戶可以在虛擬場(chǎng)景中漫游以逼真顯現(xiàn)井下設(shè)施和生產(chǎn)或通風(fēng)狀況，帶給人以身臨其境的感覺(jué)。對(duì)三維圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以滿意從不同角度的視圖以及縮放圖形來(lái)滿意對(duì)系統(tǒng)整體或局部的不同要求，從而實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可視化。而且，用戶還能以自然的方式（顯示裝

3、置、語(yǔ)音設(shè)備等）與井下虛擬通風(fēng)系統(tǒng)交互，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的可控性。在此基礎(chǔ)上，啟發(fā)用戶的構(gòu)思決斷力量，以強(qiáng)化管理決策。另外，IVE有潛力使礦山人員以平安、良好的視覺(jué)和交互的方式置身于危急境地，并能建立總體的布局、動(dòng)態(tài)的作業(yè)和開(kāi)采環(huán)境下的模擬。這一虛擬礦井能允許采礦人員在其中自由走動(dòng)，在關(guān)鍵的地方作出決策。同時(shí)，不論決策的正確與否，其結(jié)果都會(huì)馬上反饋給受訓(xùn)者。 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行礦井通風(fēng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)是一種新的嘗試，其目的是在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，就使人們能夠在一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中，用動(dòng)態(tài)和交互式方式對(duì)將來(lái)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的端詳。這是傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖所無(wú)法達(dá)到的效果。因此，這一技術(shù)有可能繼計(jì)算機(jī)三

4、維動(dòng)畫(huà)之后，成為礦井通風(fēng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案投標(biāo)、論證及評(píng)審的有力手段。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)礦井中的計(jì)算機(jī)通風(fēng)管理、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算以及礦井巷道的三維立體顯示的維護(hù)。這樣，我們不僅能夠進(jìn)行定性分析，而且還能進(jìn)行定量分析，達(dá)到平安牢靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的目的。 1虛擬環(huán)境建模 依據(jù)虛擬環(huán)境建模所采納的對(duì)象、工具不同，生成虛擬環(huán)境的目的不同，虛擬環(huán)境建模方法大體可分為基于圖像和基于景物幾何兩大類。基于圖像的虛擬環(huán)境建模方法是以虛擬景觀掃瞄為目的，針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界已經(jīng)存在的客觀對(duì)象，用專用用景攝影機(jī)或者一般照相機(jī)拍攝的照片等為素材，利用圖像數(shù)字化變形技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成與實(shí)際視覺(jué)效果相全都的虛擬世界，簡(jiǎn)言之即

5、實(shí)物虛化。該方法須采納圖像透視變換、圖像拼合、圖像變形、圖像合成與裁剪等技術(shù)，用二維圖像錨述三維世界。與幾何模型場(chǎng)景的真實(shí)感圖形生成算法相比，其計(jì)算量較小，也不受場(chǎng)景簡(jiǎn)單度的限制，且對(duì)硬件的要求也不及幾何建模那樣高，還可以在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。 在建模之初，依據(jù)在虛擬環(huán)境中模型的地位、功能，將模型分為圖像模型和景物幾何模型兩大塊。應(yīng)用基一圖像的虛擬環(huán)境建模方法的建模對(duì)象必需是：不強(qiáng)調(diào)交互性，模型數(shù)據(jù)量小，模型在虛擬中環(huán)境中的作用主要是以掃瞄和布景為主要目的的真實(shí)感靜態(tài)圖形?；诰拔飵缀蔚奶摂M環(huán)境生成方法的建模對(duì)象主要是強(qiáng)調(diào)可操作性、可交互性的三維幾何模型，模型數(shù)據(jù)量大，在實(shí)際工作中通常是來(lái)自于三維CA

6、D軟件9 7 3 123 4 8 : 來(lái)源：湖北平安生產(chǎn)信息網(wǎng) 的模型。分析兩種模方法的適用對(duì)象，依據(jù)詳細(xì)模型在虛擬環(huán)境中的作用，做出正確的建模決策。為增加場(chǎng)景的真實(shí)性，礦井虛擬環(huán)境采納圖像與景物幾何相結(jié)合的虛擬環(huán)境建模方法來(lái)完成。 1 1巷道建模 在明確了基于圖像和幾何建模型特點(diǎn)后，對(duì)巷道建模實(shí)行基于圖像模型的方法。巷道模型應(yīng)依據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、巷道斷面外形圖、巷道照片數(shù)字化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的整個(gè)概貌。虛擬環(huán)境中的巷道模型主要包括巷道信息數(shù)據(jù)的獵取和預(yù)處理。建立一個(gè)真實(shí)感巷道模型，首先應(yīng)當(dāng)依據(jù)系統(tǒng)仿真的需求確定該模型的位置和范圍，采集該區(qū)域內(nèi)和適當(dāng)比例、多種類形數(shù)據(jù)。 創(chuàng)建一個(gè)基于圖像

7、的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境通常包括以下4個(gè)環(huán)節(jié)：全景圖模型選擇；圖像投影及變形、組合；全景圖創(chuàng)建和實(shí)時(shí)掃瞄等。由于圖像本身包含著豐富的場(chǎng)景信息，自然簡(jiǎn)單從圖像獲得照片般逼真的場(chǎng)景模型。基于圖像的繪制是實(shí)時(shí)地生成照片般逼真的計(jì)算機(jī)圖形的一種新方法，該方法不用建立幾何模型就可供應(yīng)逼真的場(chǎng)景和動(dòng)畫(huà)。 1 2設(shè)備建模 井下設(shè)備采納幾何建模，對(duì)于形狀輪廊接近矩型的建筑物和設(shè)備，可以用事先拍攝的該建筑物及設(shè)備各個(gè)立面的照片作材質(zhì)貼圖，貼在矩形簡(jiǎn)易建模的外表面。這樣做有助于減小視景模型的總尺寸，但效果不如真實(shí)的三維模型。詳細(xì)建模方法為：首先依據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇基本的幾何體，比如風(fēng)窗選擇Box，液壓支柱選擇CyIin-

8、der；對(duì)基本幾何體的點(diǎn)、面、邊界進(jìn)行具體加工；依據(jù)實(shí)際狀況對(duì)設(shè)備表面材質(zhì)設(shè)定。需要說(shuō)明的是，為了削減實(shí)體的面數(shù)，在進(jìn)行點(diǎn)、線、面的具體修改時(shí)，應(yīng)刪除兩兩有疊加關(guān)系的實(shí)體中相對(duì)較小的面。 建好的設(shè)備模型加入場(chǎng)景中還需要把它放置到合適的位置，有時(shí)還需要轉(zhuǎn)變它的朝向、相對(duì)大小，這個(gè)過(guò)程可能要參考實(shí)際場(chǎng)景的工程圖紙。在場(chǎng)景編輯器中，這個(gè)功能可以通過(guò)鼠標(biāo)直接選中模型，在場(chǎng)景中通過(guò)拖放、拉伸和旋轉(zhuǎn)模型的包圍盒來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，模型的表面材料也可以轉(zhuǎn)變，場(chǎng)景編輯器有一個(gè)材料庫(kù)，供應(yīng)了500多種常用的材料，用戶還可以定義新的材料。 2通風(fēng)系統(tǒng)仿真 目前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算用得最多的Cross迭代法。該方法以風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的風(fēng)

9、量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力定律為依據(jù)利用高斯塞得爾迭代法逐次求解回路修正風(fēng)量，直到其值不大于一個(gè)事先給定的精度為止，從而獲得方程組解的近似解，通過(guò)風(fēng)網(wǎng)解算可得各分支風(fēng)量。但礦井中通風(fēng)設(shè)備及影響通風(fēng)的相關(guān)參數(shù)特別多，若用迭代法計(jì)算是很費(fèi)時(shí)間的。通常風(fēng)網(wǎng)解算都是隔一時(shí)期進(jìn)行一次，由于通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，解算結(jié)果不能真正地反映實(shí)際的動(dòng)態(tài)變化狀況。為了提高礦井通風(fēng)管理的質(zhì)量和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的速度，可實(shí)行MuIti-agent系統(tǒng)的通風(fēng)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行解算。在通風(fēng)系統(tǒng)中，某一些地方風(fēng)量發(fā)生轉(zhuǎn)變就會(huì)影響到其它地方的風(fēng)量，甚至?xí)l(fā)生方向逆轉(zhuǎn)。但在大多數(shù)實(shí)際狀況中，某處風(fēng)量的轉(zhuǎn)變僅對(duì)它四周

10、巷道風(fēng)量有較大的影響，只要新的通風(fēng)方案能滿意四周大多數(shù)巷道的通風(fēng)要求，則該方案就是可行的。因此，我們提出了一種“投票”式的協(xié)同策略，既Agents對(duì)新方案進(jìn)行投票，以滿意大多數(shù)Agents。以多Agents系統(tǒng)構(gòu)筑的礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)能夠?qū)︻A(yù)期的通風(fēng)方案進(jìn)行仿真，并將結(jié)果與現(xiàn)有的方案比較，檢查新方案是否滿意要求，或比原方案更好。實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)中主要組成有：通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，包括礦井巷道的拓樸結(jié)構(gòu)及巷道的風(fēng)阻系數(shù)等；通風(fēng)設(shè)備及通風(fēng)設(shè)施，包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗、風(fēng)門(mén)等。在仿真系統(tǒng)中，Agents依據(jù)功能可被分為四類：設(shè)備Agents、網(wǎng)絡(luò)Agents、接口Agents和學(xué)習(xí)Agents。Agents自己打算對(duì)哪些大事響應(yīng)以及如何進(jìn)行處理，Agents不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境，同時(shí)不斷進(jìn)展和提高自己和力量。依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，設(shè)備Agent9 7 3 123 4 8 : 來(lái)源：湖北平安生產(chǎn)信息網(wǎng) s通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到在不同時(shí)期相應(yīng)方向風(fēng)量，打算對(duì)新方案的選擇。 3結(jié)束語(yǔ) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用具有巨大有用性、真實(shí)性和敏捷性，它在礦井通風(fēng)領(lǐng)域具有良好的進(jìn)展前景，可讓決策者提前看到?jīng)Q策的仿真結(jié)果，確定設(shè)計(jì)中的勝利之處，改正設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)，避開(kāi)因設(shè)計(jì)不合理造成巨大的損失。通過(guò)在山西省某大型煤礦近一年的應(yīng)用實(shí)踐證明，該成果能較好地適應(yīng)