煤矿安全虚拟现实仿真系统的设计与实现

[摘 要] 在煤矿生产领域中，安全生产事故时有发生，安全问题一直是煤矿生产领域中关注的焦点话题。引入虚拟现实仿真系统可以提升煤矿作业的安全性。本文首先对虚拟现实仿真系统进行了简单介绍，之后对煤矿安全虚拟现实仿真系统的设计与实现进行探讨。

[关键词] 虚拟现实网络系统； 虚拟现实技术； 系统实现

1 前言

由于煤矿行业的特殊性以及矿井井下作业环境的恶劣性，自然灾害以及煤矿安全生产事故屡见不鲜，造成了极大的人身伤害及经济损失，安全生产一直是煤矿生产领域关注的焦点问题。随着时代的进步，虚拟现实技术取得长足发展，并逐步引入到煤矿生产领域，为煤矿安全生产提供了有力的技术保障。“虚拟”本身是计算机生成的一种特殊环境，而人们能够通过一定的特殊装置将其自身置身或者投射到这个环境之中，进行操作并且控制，从而实现自己的一定的目的，在虚拟环境之中，人就是主宰。从当前来看，虚拟现实网络系统已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。

2 虚拟现实网络系统

所谓虚拟现实网络系统（Virtual Reality System，简称VR），是一种近年来出现的图形图像领域的尖端技术，它通过利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，从而提供包括视觉、听觉以及触觉等感官的模拟，使得使用者如同处于一个真实的环境之中一样，可以及时的，没有任何限制的对三维空间内发生的事务进行观察。简而言之，虚拟现实网络系统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。在虚拟现实网络系统之中的“现实”往往是泛指物理意义上的现实或者功能意义上的现实，即存在于世界中的任何环境或者事务，这些环境或者事务可以使能够实现的，也可以是实际上很难出现或者根本无法实现的。而“虚拟”则是指通过计算机生成。据此，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。从当前来看，虚拟现实网络系统已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。

3 煤矿安全虚拟现实仿真系统的设计与实现

煤矿安全虚拟现实仿真系统是由硬件及软件两部分构成的，其中，构建该现实仿真系统模型及实现有效控制的关键在于选择适宜的系统软件支撑环境，经济状况直接决定着硬件设备的选择。本文以矿井采掘系统为例，对煤矿安全虚拟现实仿真系统的设计与实现进行简单介绍。煤矿采掘模拟系统的结构详见下图所示。

在上图所示的煤矿采掘模拟系统中，硬件部分中的检测模块的主要作用是对来自于用户的操作指令进行检测，同时借助传感器模块将其运行于虚拟环境中；反馈模块的主要作用是对传感器所发出的模块信息进行接收，并及时将所接收到的信息传输给用户；传感器模块具有两方面的作用，第一是对用户所发出的操作指令进行接收，并在虚拟环境中进行运行；第二就是通过相应的形式向用户反馈操作所得到的结果；控制模块的的作用对象主要是传感器，从而使其对虚拟环境、用户以及现实环境产生作用；矿井火灾模型是建立在MFIRE基础之上的；矿井生产系统三维模型是借助建模软件得以生成的；三维模型运动控制接口主要是对矿井生产系统及火灾实施有效控制。

系统软件方面，第一步就是模型的构建，可以选择诸如：Muhigen Creatoru Pro、3DMAX以及SOFTIMAGE等三维软件系统，在此基础之上借助专门的转换软件实现向三维开发环境的转换；除此之外，还可以利用三维开发环境API进行直接开发，实践中比较常见的有OpenGLAPI、DirectTXAP以及虚拟现实专用软件开发系统等。在对计算机主系统进行选择的时候，需要对系统中央处理器的运行速度以及显卡性能等因素予以综合考虑，专业系统应对应于专用工作站。在选择输入设备的时候需要将操作便利性及功能全面性纳入考虑范围。假如只有基本漫游诉求，选用最常见的鼠标即可；如果有操作物体真实感的诉求，就要添加数据手套等相关设备。在输出设备的选择上，使用者所欲达到的真实感程度应作为考虑重点，若只需普通漫游，需要配备大屏幕，若使用者追求沉浸感，就需要配置立体眼镜以及性能优越的立体显示头盔等设备。

虚拟现实技术在煤矿生产领域中的应用主要体现在以下几方面：第一，综采工作面的虚拟研究。受到矿井作业环境的制约，无法针对井下综采工作面相关设备的运行及作用范围等情况实施深入有效的研究。借助虚拟现实技术，可以对采煤机、液压支架系统以及皮带的运动情况进行演示，这样就可以对综采工作面设备的作用有更加深入的认识，一旦设备或系统出现问题，可以及时采取相应的对策，设备的整体性能有很大程度的提升，为实现安全生产提供切实保障；第二，矿井瓦斯及火灾研究。对于井下作业人员而言，所面临的最大安全威胁就是矿井火灾及瓦斯爆炸。虚拟现实系统在矿井火灾防治方面主要解决两方面问题，分别是灾害数值模拟以及灾害现象真实描述。虚拟现实技术还提供了矿井火灾及瓦斯爆炸可视化手段；第三，煤矿作业人员安全教育及技术培训。安全教育对于矿井作业人员而言极为重要，之前的教育模式已经无法满足煤矿安全生产的现实需求，借助虚拟现实技术对井下复杂的作业环境进行虚拟，从而使受训者对其有更加真实的感受，进而学会采取何种措施应对各种险情。虚拟环境具有较强的交互性，工作人员可以从中学到书本中无法得知的知识，相比较于传统的培训模式来说，不但效果更加显著，而且还有助于实现对成本的有效控制。煤矿工作人员素质的提升，对于企业生产效益的提高具有重要意义。

4 结语

综上所述，煤矿生产领域安全生产事故时有发生，安全问题一直备受关注，引入虚拟现实仿真系统对于煤矿作业的安全性的进一步提升具有重要意义。煤矿安全虚拟现实仿真系统主要涉及硬件及软件两部分，其中，构建该现实仿真系统模型及实现有效控制的关键在于选择适宜的系统软件支撑环境，本文以矿井采掘系统为例，对煤矿安全虚拟现实仿真系统的设计与实现进行简单介绍。

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