本文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第24卷第1期；1999年2月煤炭學報JOURNALOFCHIN；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展；張瑞新；(中國礦業(yè)大學)任廷祥D.SchofieldB.；()；摘要,在礦山安全工程方面所取得的最新；研究成果.、三維的、動態(tài)礦業(yè)空間環(huán)境,可實現(xiàn)采實；關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實計算機模擬礦山安全工程風險評價礦山；中圖分類號TD76；虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualRe

　第24卷第1期

　1999年　2月煤　　炭　　學　　報JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.24　No.1Feb.　1999

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展

張瑞新

(中國礦業(yè)大學)任廷祥　D.Schofield　B.　T.　　

()

摘要　,在礦山安全工程方面所取得的最新

研究成果.、三維的、動態(tài)礦業(yè)空間環(huán)境,可實現(xiàn)采實時監(jiān)控等.VR技術(shù)的進一步的研究和開發(fā)將會成為礦業(yè).

關(guān)鍵詞　虛擬現(xiàn)實　計算機模擬　礦山安全工程　風險評價　礦山災害

中圖分類號　TD76

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality簡稱VR)是近幾年來逐漸發(fā)展完善起來的高新技術(shù).該技術(shù)以多媒體計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合實時計算機圖像生成、數(shù)據(jù)庫、人工智能和物理模擬等手段可以構(gòu)造出逼真的礦山工程三維空間環(huán)境,操作人員可以通過人機交互參與其間的活動.人從這一三維動態(tài)環(huán)境下獲得的安全信息、操作規(guī)程就比以往的印在紙上的靜態(tài)信息要牢固、有效的多.從而達到礦山作業(yè)人員的安全教育和技術(shù)培訓等目的.與此同時,VR系統(tǒng)輔助人類了解實際的礦山作業(yè)環(huán)境,進行風險預測和典型礦山事故的分析與再現(xiàn)等;通過傳感器或效能器等實現(xiàn)人機交互作用使用戶“浸入”所創(chuàng)造的環(huán)境中,實現(xiàn)災害識別、救災訓練.這種應用技術(shù)的研究開發(fā)無疑對提高煤礦安全生產(chǎn),礦工的安全保護意識和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有重要的實用價值[1,2].

1　應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行礦山生產(chǎn)環(huán)境的風險評價

風險分析的大部分工作是評價人員對所評價的生產(chǎn)過程的識別.然而,識別復雜的情形下的所有因素是困難的,這必然影響到風險分析的結(jié)果,甚至可能導致人們的其它錯誤行為.

風險評價已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理日常工作的一部分.計算機繪圖和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為風險評價提供了一種新的、更有效的手段.應用計算機生成某一個工程作業(yè)的虛擬環(huán)境,它可以交互的方式從任何點進行觀測,這樣就由計算機替代了本來由評價員進行的識別工作,這一技術(shù)被稱作“智力放大”.用戶就不必花費太多時間去想象發(fā)生的情形,而是把更多的“智力”集中用在手頭的工作上.

AIMS的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一系列的虛擬現(xiàn)實模型,如露天礦單斗-卡車作業(yè)系統(tǒng)、礦井開采系統(tǒng)模擬模型等.通過應用VR技術(shù)輔助識別和評價所研究對象(如設(shè)備、人員)的風險狀況,從而得出更客觀的風險評價.

這種VR計算機系統(tǒng)可自動地進行任何生產(chǎn)環(huán)境的風險分析.該系統(tǒng)考慮虛擬環(huán)境中每一臺設(shè)備和危險地段周圍的“風險區(qū)”.風險值是按照“風險標度”所處的位置來度量的,風險標度是用不同顏色的立體框表示,不同的色彩表征風險的大小,如綠色表征低風險、黃色為中等風險、紅色則為高風險[3～5].采礦設(shè)備周圍的風險區(qū)域是動態(tài)的,它依據(jù)當前時刻虛擬環(huán)境中所處的狀態(tài)來變化.圖1(a)是井下長壁采煤工作面作業(yè)環(huán)境風險評價模型[3～5].該系統(tǒng)可對回采工作的多個工序如割煤、支架前移等進行風險評價.圖1(b)給出的是一個露天礦正在作業(yè)的挖掘機和卡車某一時刻的風險評價結(jié)果,以不同色彩

收稿日期:1998-03-10

第1期　　　　　　　　　　　張瑞新等:虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展71的立體框架表示出風險中等或高風險的區(qū)域

.

圖1　VR風險評價系統(tǒng)

Fig11　VRriskassessmentsystem

(a)礦井作業(yè)環(huán)境;(b)露天礦作業(yè)環(huán)境

VR模型為用戶提供了一種強有力的觀測風險分析環(huán)境的方法,風險標度可以放置在環(huán)境中的任何位置甚至是附著在移動的物體上,這就是說可以給出人或用戶的風險標度以及在一段時間內(nèi)的風險動態(tài)值.這種風險評價方法考慮如下因素:

(1)風險評價的三維性質(zhì).

(2)模型環(huán)境中的人及設(shè)備的位置及其運動.

(3)模型環(huán)境中的人及設(shè)備的行為.

2　應用VR技術(shù)進行礦山工作人員的技術(shù)培訓

VR創(chuàng)造出的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真、交互作用的特點.因此,應用VR技術(shù)制作出的軟件或錄像,可以模擬采礦作業(yè)的過程和空間環(huán)境,較適于培訓礦工或用于生產(chǎn)安全的監(jiān)督.目前這方面的研究成果也較多[1～4].諾丁漢大學AIMS研究室應用VR技術(shù)開發(fā)的房柱式開采的模擬系統(tǒng)VR2MINE[3,4,6],電池式機動礦車FSV(FreeSteeredVehicles)模型[4,5],露天礦單斗-卡車工藝生產(chǎn)系統(tǒng)[2,5]等可分別用于相應環(huán)境下工作人員的培訓.

圖2是AIMS開發(fā)的露天礦開采VR培訓系統(tǒng),用于露天礦卡車司機及相關(guān)人員的培訓.該系統(tǒng)除了采用一般的VR硬件進行人機交互外,還可通過圖中左上角顯示的方向盤、

加速器和剎車板操作投影屏幕

圖2　露天礦VR培訓系統(tǒng)

Fig12　VRtrucktrainingsystemforsurfacemine

上卡車的運行,就如同駕駛真正的卡車一樣.當受訓者操作這些硬件時,面對的計算機屏幕或投影大屏幕上呈現(xiàn)出一個三維的真實直觀的露天礦作業(yè)環(huán)境(如右圖所示的),包括聲音、甚至煙霧,如同駕駛著一

72煤　　炭　　學　　報　　　　　　　　　　　　1999年第24卷輛真實的卡車運行在露天礦的礦坑內(nèi),無論是駕駛的卡車本身,還是環(huán)境中運行的其它設(shè)備,均按照受訓者的操作或依據(jù)系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系運行.比如,受訓者操作出錯時,同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故.顯然,這種培訓手段使人與環(huán)境結(jié)合起來,通過人機交互使受訓者產(chǎn)生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它培訓形式所能產(chǎn)生的效果.

3　應用VR技術(shù)進行事故調(diào)查

應用計算機繪圖和虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以快速、有效地以一系

列三維圖像在計算機屏幕上再現(xiàn)事故發(fā)生的過程,可以從各種角度去觀測、分析事故發(fā)生的過程,的原因,防止其它與此相關(guān)的潛在事故的出現(xiàn)通過VR[4,5].,VR技術(shù)再現(xiàn)

,包

.同時通過交互式地改變這

一VR模型中環(huán)境的參數(shù)或狀態(tài),從而找到如何避免類似事故

發(fā)生的途徑和注意事項.

4　應用VR技術(shù)進行礦井火災和瓦斯爆炸的研究圖3　礦井事故再現(xiàn)系統(tǒng)Fig13　VRsystemformineaccidentreconstruction

　　礦井火災和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災害.計算機技術(shù)的高速發(fā)展,使得在災變條件下復雜通風網(wǎng)絡(luò)的快速解算成為可能,從而指導井下火災發(fā)生時正確地控制風流,確保井下工作人員安全撤出,防止火災和有害氣體、煙塵等的蔓延.近幾年來,計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,簡稱CFD)已廣泛用于工業(yè)火災、爆炸和煤礦火災[7,8],CFD通過解算與火災和爆炸物相關(guān)的數(shù)學模型,可以較準確地預測火區(qū)附近的溫度、火風壓及其它燃燒產(chǎn)物的實時分布狀況.

AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災VR系統(tǒng)的開發(fā)[1,5].該系統(tǒng)通過模擬某個真實的礦井作業(yè)環(huán)境,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析和CFD模擬的結(jié)果,可以逼真地展示出火災或爆炸發(fā)生的動態(tài)過程.除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統(tǒng)還可通過人機交互作用顯示出人為因素如反風、滅火措施等對這整個通風網(wǎng)絡(luò)的影響.此類系統(tǒng)的開發(fā),無疑可以廣泛地用于礦井火災的防治、救災和人員培訓等方面.

5　結(jié)　　語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來發(fā)展完善起來的高新技術(shù),在許多工程領(lǐng)域和基礎(chǔ)研究方面已得到較廣泛的應用.盡管目前VR在礦業(yè)領(lǐng)域的研究還剛剛起步,但通過本文對礦山安全工程方面VR技術(shù)的研究進展的綜述,已顯示出VR技術(shù)的獨特性和在礦山安全方面的發(fā)展前景.隨著該技術(shù)的進一步發(fā)展,也必將成為其它工業(yè)領(lǐng)域的安全管理、危險性評價、人員培訓及指導妥善處理災變情況的有效手段.

參考文獻

1　張瑞新,任廷祥.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山工程中的應用.見:中國科協(xié)第三屆青年學術(shù)年會論文集———材料科學與工程技

術(shù)卷.北京:中國科學技術(shù)出版社,525～527

2　張瑞新,任廷祥,SchofieldD,etal.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在礦山工程中的應用.中國礦業(yè)大學學報,1998,27(3):229

～234

3　DenbyB,SchofieldD,WalshaT.Virtualrealityfortherealtimevisualisationofenvironmentaldata.27thAPCOM,London,

UK,1998.

4　SchofieldD,DenbyB,WillamsM,etal.Newapplicationsofcomputergraphicsandvirtualrealityinthemineralsindustries,

MineIT.1stinternationalconferenceoninformationtechnologiesinthemineralsindustry,NationalTechnicalUniversityofA2thens,Greece,1997

第1期　　　　　　　　　　　張瑞新等:虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展735　DenbyB,SchofieldD,WalshaT.Virtualrealityfortherealtimevisualisationofenvironmentaldata.27thAPCOM,London,

UK,1998

6　CrawshawSAM,DenbyB,McClarnonD.Theuseofvirtualrealitytosimulateroomandpillaroperations.Coalinternational,1997,245(1):20～22

7　RenTX,EdwardsJS,JozefowiczR.Usingcomputationalfluiddynamics(CFD)tosolveminesafetyandhealthproblems.APCOMXXV1995,Brisbane,Queensland,1995

8　LeaCJ.Computationalmodellingofminefires.Miningtechnology,1994,76(875),17～21

作者簡張瑞新,博士,中國礦業(yè)大學副教授,.、系統(tǒng)工程方面的教學和科研工作.,任廷祥,博士,.主要從事采礦工程、礦山安全工程和環(huán)境工程方面的研究工作.,Engineering,UniversityofNottingham,NottinghamNG72RD,UnitedKTHEDEVELOPMENTOFVIRTUALREALITYINMINESAFETY

ZhangRuixin

(ChinaUniversityofMiningandTechnology)

RenTingxiang　D1Schofield　B1Denby　T1Walsha

(UniversityofNottingham)

Abstract　TheresearchresultsofVirtualReality(VR)whichisappliedinminingsafetyengineering.Asimulationminingenvironmentwithreal,man2machineinteractive,three2dimentionalanddynamiccharacteris2ticsiscreatedthroughVR,whichcanbeusedindynamicriskassessment,safetytraining,realtimecontrolandsoon.WiththefurtherresearchanddevelopmentofVR,itwillbeanimportantmeansinthestudyofminingengineering.

Keywords　VirtualReality,computersimulation,miningsafetyengineering,riskassessment,pitdisaster

筆耕文化傳播（http://www.bigengculture.com）包含各類專業(yè)文獻、文學作品欣賞、高等教育、幼兒教育、小學教育、各類資格考試、行業(yè)資料、應用寫作文書、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展67等內(nèi)容。

最新搜索

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展

職業(yè)學院監(jiān)理招標文件_圖文

電大本科-中國現(xiàn)代文學專題期末考試題

關(guān)鍵人才培養(yǎng)的困惑與解囊98

54留學生志愿者納新

家庭裝修中電路改造常見問題

高分子材料助劑發(fā)展前景78

四世同堂話劇觀后感26

庫企企說課稿

單機游戲《黑手黨2》 雜志各個位置

  本文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山安全工程中的研究進展，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。