虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采煤工藝仿真中的應(yīng)用

　　摘要：采煤生產(chǎn)工藝過程循環(huán)框圖礦山天地摘要：井下煤礦開采是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，作業(yè)環(huán)境惡劣，人、機(jī)、環(huán)境多種因素共同起作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)技術(shù)的發(fā)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(dāng)前煤礦安全、高效生產(chǎn)有著重要的意義。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采煤工藝仿真

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)的手法將采煤工藝中最為復(fù)雜、最為重要的綜采工作面的生產(chǎn)場景生動形象的顯示出來，實(shí)現(xiàn)整個綜采工藝過程的模擬，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。新、老員工都可以在模擬的常規(guī)作業(yè)環(huán)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(diǎn)的限制而得到很好的磨練或改進(jìn)。同樣可以在模擬的搶險救災(zāi)場景中尋找逃生自救的方法及必需的救護(hù)設(shè)施，并作為安全經(jīng)驗積累下來。

　　1、虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)

　　1.1建模技術(shù)簡介及評述。目前，國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的建模方案有很多種，鑒于其主要的應(yīng)用功能，我們常見的開發(fā)的虛擬環(huán)境較少涉及利用外接設(shè)備進(jìn)行觸感和行為反應(yīng)的真實(shí)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(fā)的獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的圖形開發(fā)系統(tǒng)OpenGL開發(fā)平臺的通用接口，這是一種完全從底層進(jìn)行開發(fā)的系統(tǒng)，在開發(fā)過程中主要采用編程語言如C/C++。由于這種系統(tǒng)已經(jīng)具有完整的繪圖命令和函數(shù)庫(基本庫、實(shí)用庫和輔助庫)，開發(fā)人員可以直接進(jìn)行開發(fā)，利用數(shù)據(jù)庫中的各種命令和函數(shù)，將各種幾何形體轉(zhuǎn)述為數(shù)學(xué)模型并加以控制，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)。

　　1.1.2第二種開發(fā)方案是以一些商業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的仿真開發(fā)，這樣就避免了需進(jìn)行大規(guī)模底層編程，不僅簡化了代碼的編寫過程，縮短了開發(fā)時間。其達(dá)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(zhí)行3D內(nèi)容回放，為復(fù)雜界面提供場景的多層次的有效設(shè)置。

　　1.2設(shè)備建模技術(shù)。采煤工藝采涉及的設(shè)備很多，包括采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)，液壓支架，順槽里的轉(zhuǎn)載機(jī)，破碎機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置，皮帶機(jī)自移機(jī)尾，皮帶機(jī)，乳化液泵站，噴霧泵站，移動變電站等。設(shè)備多并且造型復(fù)雜。而且，很多機(jī)械設(shè)備還在實(shí)時運(yùn)轉(zhuǎn)，還需考慮到動畫效果。因此，設(shè)備建模時，編程實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。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(yīng)用于建筑、機(jī)械電視及娛樂業(yè)中，比如實(shí)現(xiàn)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(nèi)房地產(chǎn)發(fā)展，3DS MAX在國內(nèi)發(fā)建筑效果圖和建筑動畫制作中的應(yīng)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(nèi)的影視公司也在使用MAYA制作項目，其特點(diǎn)是具有完整的建模系統(tǒng)、強(qiáng)大的程序紋理材質(zhì)和粒子系統(tǒng)、出色的角色動畫系統(tǒng)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(shí)的程序紋理材質(zhì)，出色的角色動畫系統(tǒng)，強(qiáng)大的動畫編輯能力。但由于國內(nèi)應(yīng)用的較少，導(dǎo)致在后期制作應(yīng)用交流起來的不方便，同時其最大的缺點(diǎn)就且它對硬件的要求過高。

　　2、采煤工藝過程系統(tǒng)分析

　　綜采工作面采煤工藝過程的動態(tài)仿真其實(shí)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(jìn)行，形成連續(xù)的動畫過程。

　　前面提到的采煤工藝，首先是端部斜切進(jìn)刀，這一過程包括割三角煤的各個步驟;采煤機(jī)正常割煤15m后開始推移刮板輸送機(jī)，推刮板輸送機(jī)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(jī)割至下端頭之前，刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架互為支點(diǎn)依次前移。采煤機(jī)割至下端頭后，工作面前進(jìn)一刀煤的距離0.75m，完成一個循環(huán)，然后又從端部進(jìn)刀開始重復(fù)上述過程。生產(chǎn)過程的簡易循環(huán)圖如右所示：整個工藝循環(huán)，采煤機(jī)的運(yùn)動是主線，液壓支架、刮板輸送機(jī)的運(yùn)動都是配合采煤機(jī)運(yùn)動的。在配合過程中，液壓支架的升降，時間是運(yùn)動進(jìn)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(shí)現(xiàn)的，當(dāng)系統(tǒng)時間到達(dá)某一點(diǎn)時時鐘激活，這時液壓支架開始動作，而采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)也在同時運(yùn)動。時鐘是設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動控制的主要途徑，設(shè)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(diǎn)和終點(diǎn)，這一過程必須由時鐘來對其進(jìn)行控制。

　　3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采煤工藝應(yīng)用發(fā)展趨勢分析

　　隨著整個信息行業(yè)的不斷發(fā)展，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)硬件、軟件成本的逐漸降低，技術(shù)也有很大提高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山優(yōu)化設(shè)計、礦產(chǎn)資源普查，環(huán)境保護(hù)、礦山安全與救災(zāi)等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。筆者認(rèn)為，目前和今后一段時間內(nèi)以下幾方面還有很大的發(fā)展空間：

　　3.1 礦山系統(tǒng)虛擬設(shè)計。目前的國內(nèi)外工程技術(shù)人員在進(jìn)行礦山設(shè)計時，應(yīng)用較多的都是在二維坐標(biāo)系下進(jìn)行設(shè)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(fā)了Virtual Mine虛擬煤礦環(huán)境系統(tǒng)。但是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦山設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)可以使設(shè)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(biāo)對象，并可進(jìn)行交互操作和單通道立體現(xiàn)實(shí)。形象直觀表現(xiàn)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(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

　　3.2礦井重大災(zāi)害模擬。南非(Centre of Scientific and In-dus trial Res earch，CSIR)公司礦業(yè)分公司用區(qū)域3D沉積模型來模擬各種斷裂構(gòu)造，通過該模型可以看到斷裂面之間復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系，預(yù)測斷裂構(gòu)造在時間和空間上的分布，加深對地質(zhì)條件的了解和掌握，從而能更有效地采取防災(zāi)、減災(zāi)和救災(zāi)措施。煤礦常見五大自然災(zāi)害中，瓦斯、水、火和煤塵引發(fā)的災(zāi)害后果是煤礦五大自然災(zāi)害中最常見的，也是產(chǎn)生后果最嚴(yán)重的造成了重大的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為礦井災(zāi)害機(jī)理研究及重大災(zāi)害的模擬預(yù)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(xùn)。虛擬軟件的應(yīng)用通，使礦山工作人員能夠身臨其境，多視角的觀察目標(biāo)對象增強(qiáng)其安全意識，提高管理水平，安全有效，同時還能節(jié)省大量的培訓(xùn)費(fèi)用。

　　實(shí)踐表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷開發(fā)發(fā)展應(yīng)用，無疑必將徹底改變傳統(tǒng)礦業(yè)低效，粗曠的面貌，為礦業(yè)發(fā)展開辟了一條新的道路，有效的促進(jìn)礦業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，同時也會為今后礦山實(shí)現(xiàn)無人化開采奠定基礎(chǔ)。

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