浅谈虚拟现实技术在煤矿中的应用

李东

1.虚拟现实技术的概念

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

虚拟现实是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的；而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

2.虚拟现实技术主要的应用领域

现在虚拟现实技术主要应用在军事与航天工业、室内设计、房产开发、工业仿真、应急推演、文物古迹、游戏、Web3D/产品/静物展示、道路桥梁、地理、教育、虚拟演播室、水文地质研究、维修等方面。

3.虚拟现实技术应用于煤矿工作中的国内外研究现状

3. 1 国外虚拟现实技术应用到煤矿工作中的研究现状

在国外，虚拟现实技术应用到煤矿及其生产系统的设计和规划、采掘工作面、矿井灾害的模拟、煤矿安全生产培训等方面。

美国宾夕法尼亚大学开发了虚拟现实矿工培训系统。该系统允许用户在虚拟工作面上检查工作面的故障隐患，如顶板支护是否合理，查看工作面设备是否正确放置，以及应该采取哪些措施。应用该系统可以培训矿工的安全意识。

德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG，是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、开采设计、工作面状况等方面的简化条件，学生可以进行决策和管理。

3. 2 国内虚拟现实技术应用到煤矿工作中的研究现状

国内在虚拟现实研究方面则是刚刚起步，在煤矿中虚拟现实技术主要应用在重大事故调查事故分析中。如陕西某矿发生的特别重大瓦斯爆炸事故，开发了煤矿瓦斯爆炸及火灾事故虚拟现实系统，并成功应用于对该矿事故的调查分析，利用粒子系统和动态文理技术表现瓦斯爆炸、火灾，形象地显示了复杂的事故过程和发生原因。目前，中国矿业大学和DMT-TFH合作，已将STMBERC应用于真实矿井中。

4.虚拟现实技术在煤矿安全生产中的应用

虚拟现实技术在煤矿的应用，既属于危险环境下的操作，也属于CAD、教育和培训的范畴。虚拟现实技术为煤矿安全生产、优化设计和矿工技术培训等提供了一种更为有效的手段。

4. 1 矿井开采模拟

采掘工作面是煤矿安全生产的最前线，安全生产矛盾最为集中、安全条件最差、作业人员最多、设备集中、空间狭窄、工作行走受限，是顶板、瓦斯、煤尘、火灾等灾害的多发地点，也是系统最复杂的地方。采掘工作面的虚拟实现不仅包括静态的虚拟环境（如顶板、巷道、地板等），还要包括动态的可交互的虚拟实体（如采煤机、掘进机、液压支架等）。系统创造的这一三维环境与现实中的房柱式开采情况极为接近，无论是采矿作业过程，还是工艺设备的运行都如同是现场拍摄。更有意义的是操作人员可与这一系统进行交互作用，可以在任意时刻穿越任何空间进入系统模拟出的任何区域，通过计算机屏幕显示出所视空间的采矿作业情况，如设备当前位置和运行状况，设备运行的时间、产量、设备间的距离等动态信息。这种模拟超过之前以任何方法建立的模型所达到的效果。应用虚拟现实系统可以通过对不同型号设备、不同开采参数下的生产系统进行动态模拟，从而达到优化生产系统的目的。显然，这类系统还可用于矿井开采计算机辅助设计、生产监控、管理和技术培训等方面。

4. 2 煤矿人员技术培训

在矿业领域可以借助虚拟现实系统虚拟井下各种复杂的作业环境，供采矿工程专业的学生实习训练，这样既可以降低实习费用，又可缩短教学时间，让更多的人接受高等教育，同时还可对井下工人进行上岗前的操作及安全教育培训。如虚拟井下的各种工况及险情，使被训练者身临其境地去体验，并学会采取有效的应急措施去处理各种险情，以提高人员素质，消除事故隐患。

诺丁汉大学AIMS研究室应用虚拟现实技术开发的房柱式开采模拟系统VR-MINE、蓄电池机车模型、露天矿单斗卡车工艺生产系统等可分别用于相应环境下工作人员的培训。如用于露天矿卡车司机及相关人员的培训的露天矿卡车模拟器，该模拟器除采用一般的VR模拟系统硬件及软件进行人机交互外，还可通过方向盘、加速器和刹车板控制屏幕上卡车的运行，犹如驾驶真正的卡车一般。当受训者操作这些硬件时，面对的计算机屏幕或投影大屏幕上呈现出一个三维的真实直观的露天矿作业环境，包括声音、甚至烟雾，如同驾驶着一辆真实的卡车运行在露天矿的矿坑内，无论是驾驶的卡车本身，还是环境中运行的其它设备，均按照受训者的操作或依据系统间的动态关系运行。比如，受训者操作出错时，同样会造成撞车或从台阶滚落下去的事故。显然，这种培训手段使人与环境结合起来，通过人机交互使受训者产生身临其境的感觉并达到或超过以往其它任何培训形式所能产生的效果。

4. 3 煤矿设备的虚拟设计和制造

虚拟现实技术用于大型设施、设备的设计和制造已有许多成功的实例。把虚拟现实技术用于对煤矿新设备的设计方案进行可视化的性能评估，则更显示出虚拟现实技术的优势。由于井下场地狭窄，环境恶劣，因此对井下设备的设计、运行、维修都提出了很高的要求。煤矿设备的虚拟设计和制造，其意义不仅仅是节约资源和时间，而是完成在地面或在常规条件下无法进行的工作。例如采煤机虚拟设计中，设计人员不必等到样机制造出来，再去修改其中不理想、不合理的部分，因为虚拟现实系统可以容纳他们“进入”计算机中的三维空间图像，借助多种交互手段直接对采煤机的设计进行观察、讨论和修改，从而大大缩短设备的研制周期，节省研制费用。

4. 4 应用虚拟现实技术进行矿井事故调查和研究

应用计算机绘图和虚拟现实技术可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程，事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程，找出事故原因，包括系统设计和现场人员的动作行为。同时通过交互式地改变这虚拟模型中环境的参数或状态，从而防止其它与此相关的潜在事故的出现。

矿井火灾和瓦斯爆炸是井下工作人员所面临的主要灾害。计算机技术的高速发展使得在灾变条件下复杂的通风网络快速解算成为可能，从而指导井下火灾发生时正确地控制风流，确保井下工作人员安全撤出，防止火灾和有害气体、烟尘等的蔓延。

AIMS的研究人员目前正致力于矿井火灾VR系统的开发。该系统通过模拟某个真实的矿井作业环境，并结合网络分析和CFD模拟的结果，可以逼真地展示出火灾或爆炸发生的动态过程。除了模拟火烟弥漫状况外，该系统还可通过人机交互作用显示出人为因素，如反风、灭火措施等对整个通风网络的影响。此类系统的开发，无疑可以广泛地用于矿井火灾的防治、救灾和人员培训等方面。

4. 5 虚拟现实技术应用在煤矿防治水工作中

利用虚拟现实技术的三维可视化功能可以真实的再现地下含水层和隔水层的分布、含水层的厚度空间的变化情况。以往工作中，通过剖面图展示含水层、隔水层的分布特点，在平面图中通过含水层厚度等表现含水层的空间分布状况，总的来说不直观也不全面。在虚拟现实系统中随着资料的进一步完善，能够直接的将含水系统真实的展现出来。水文地质研究中的重要部分是地下水流的运动规律，利用虚拟现实系统可以研究的不仅是含水层的展布，同时利用虚拟现实系统的实时变化功能也可以对地下水流的运动变化特征进行虚拟表达，充分展现地下水流的特点：其流向、流速和流量乃至储存量的变化等，为矿井防治水提供可靠的依据。

5.煤矿虚拟矿井系统的设计构成结构

基于虚拟现实技术在煤矿中的应用现状、虚拟环境中多智能体技术建模方法研究，系统的主要结构是：

（1）控制与反馈系统。系统可通过传感器进行控制并作用于虚拟环境和反馈来自虚拟世界的信息。

（2）主计算机系统。是进行计算、模拟的主要计算机设备。

（3）三维模型。通过建模软件形成的矿井中物体的三维模型。

（4）三维模型运动控制接口。三维模型运动控制接口程序控制矿井生产系统以及矿井中一切需要移动的物体。

6.结束语

尽管有限于当前软、硬件技术水平，虚拟现实系统目前还只能达到部分真实感的程度，但其前景诱人，已成为当今世界关注的热点科技之一。虚拟现实在煤矿的应用虽属于起步阶段，但此方面的研究成果已显示出虚拟现实在煤矿中应用的广阔前景。随着虚拟现实技术在矿业方面应用研究的进一步深入，其必将成为矿山优化设计、生产管理、危险性评价及矿工培训等方面的重要手段。

作者单位：中国煤炭科工集团 天地科技股份有限公司