本文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山安全工程中的研究進(jìn)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(xué)報(bào)JOURNALOFCHIN；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山安全工程中的研究進(jìn)展；張瑞新；(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))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(dòng)態(tài)礦業(yè)空間環(huán)境,可實(shí)現(xiàn)采實(shí)；關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)模擬礦山安全工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)礦山；中圖分類號(hào)TD76；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualRe

　第24卷第1期

　1999年　2月煤　　炭　　學(xué)　　報(bào)JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.24　No.1Feb.　1999

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山安全工程中的研究進(jìn)展

張瑞新

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))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(dòng)態(tài)礦業(yè)空間環(huán)境,可實(shí)現(xiàn)采實(shí)時(shí)監(jiān)控等.VR技術(shù)的進(jìn)一步的研究和開發(fā)將會(huì)成為礦業(yè).

關(guān)鍵詞　虛擬現(xiàn)實(shí)　計(jì)算機(jī)模擬　礦山安全工程　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)　礦山災(zāi)害

中圖分類號(hào)　TD76

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualReality簡(jiǎn)稱VR)是近幾年來(lái)逐漸發(fā)展完善起來(lái)的高新技術(shù).該技術(shù)以多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖像生成、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(guò)人機(jī)交互參與其間的活動(dòng).人從這一三維動(dòng)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(dá)到礦山作業(yè)人員的安全教育和技術(shù)培訓(xùn)等目的.與此同時(shí),VR系統(tǒng)輔助人類了解實(shí)際的礦山作業(yè)環(huán)境,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和典型礦山事故的分析與再現(xiàn)等;通過(guò)傳感器或效能器等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用使用戶“浸入”所創(chuàng)造的環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)災(zāi)害識(shí)別、救災(zāi)訓(xùn)練.這種應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)無(wú)疑對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn),礦工的安全保護(hù)意識(shí)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值[1,2].

1　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行礦山生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)分析的大部分工作是評(píng)價(jià)人員對(duì)所評(píng)價(jià)的生產(chǎn)過(guò)程的識(shí)別.然而,識(shí)別復(fù)雜的情形下的所有因素是困難的,這必然影響到風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果,甚至可能導(dǎo)致人們的其它錯(cuò)誤行為.

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理日常工作的一部分.計(jì)算機(jī)繪圖和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了一種新的、更有效的手段.應(yīng)用計(jì)算機(jī)生成某一個(gè)工程作業(yè)的虛擬環(huán)境,它可以交互的方式從任何點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè),這樣就由計(jì)算機(jī)替代了本來(lái)由評(píng)價(jià)員進(jìn)行的識(shí)別工作,這一技術(shù)被稱作“智力放大”.用戶就不必花費(fèi)太多時(shí)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(shí)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(guò)應(yīng)用VR技術(shù)輔助識(shí)別和評(píng)價(jià)所研究對(duì)象(如設(shè)備、人員)的風(fēng)險(xiǎn)狀況,從而得出更客觀的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).

這種VR計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可自動(dòng)地進(jìn)行任何生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)分析.該系統(tǒng)考慮虛擬環(huán)境中每一臺(tái)設(shè)備和危險(xiǎn)地段周圍的“風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”.風(fēng)險(xiǎn)值是按照“風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度”所處的位置來(lái)度量的,風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度是用不同顏色的立體框表示,不同的色彩表征風(fēng)險(xiǎn)的大小,如綠色表征低風(fēng)險(xiǎn)、黃色為中等風(fēng)險(xiǎn)、紅色則為高風(fēng)險(xiǎn)[3～5].采礦設(shè)備周圍的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是動(dòng)態(tài)的,它依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻虛擬環(huán)境中所處的狀態(tài)來(lái)變化.圖1(a)是井下長(zhǎng)壁采煤工作面作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[3～5].該系統(tǒng)可對(duì)回采工作的多個(gè)工序如割煤、支架前移等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).圖1(b)給出的是一個(gè)露天礦正在作業(yè)的挖掘機(jī)和卡車某一時(shí)刻的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(shí)技術(shù)在礦山安全工程中的研究進(jìn)展71的立體框架表示出風(fēng)險(xiǎn)中等或高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域

.

圖1　VR風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(qiáng)有力的觀測(cè)風(fēng)險(xiǎn)分析環(huán)境的方法,風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度可以放置在環(huán)境中的任何位置甚至是附著在移動(dòng)的物體上,這就是說(shuō)可以給出人或用戶的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度以及在一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)值.這種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法考慮如下因素:

(1)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(yùn)動(dòng).

(3)模型環(huán)境中的人及設(shè)備的行為.

2　應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行礦山工作人員的技術(shù)培訓(xùn)

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(diǎn).因此,應(yīng)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(guò)程和空間環(huán)境,較適于培訓(xùn)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(xué)AIMS研究室應(yīng)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(jī)動(dòng)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(yīng)環(huán)境下工作人員的培訓(xùn).

圖2是AIMS開發(fā)的露天礦開采VR培訓(xùn)系統(tǒng),用于露天礦卡車司機(jī)及相關(guān)人員的培訓(xùn).該系統(tǒng)除了采用一般的VR硬件進(jìn)行人機(jī)交互外,還可通過(guò)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(xùn)系統(tǒng)

Fig12　VRtrucktrainingsystemforsurfacemine

上卡車的運(yùn)行,就如同駕駛真正的卡車一樣.當(dāng)受訓(xùn)者操作這些硬件時(shí),面對(duì)的計(jì)算機(jī)屏幕或投影大屏幕上呈現(xiàn)出一個(gè)三維的真實(shí)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(xué)　　報(bào)　　　　　　　　　　　　1999年第24卷輛真實(shí)的卡車運(yùn)行在露天礦的礦坑內(nèi),無(wú)論是駕駛的卡車本身,還是環(huán)境中運(yùn)行的其它設(shè)備,均按照受訓(xùn)者的操作或依據(jù)系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系運(yùn)行.比如,受訓(xùn)者操作出錯(cuò)時(shí),同樣會(huì)造成撞車或從臺(tái)階滾落下去的事故.顯然,這種培訓(xùn)手段使人與環(huán)境結(jié)合起來(lái),通過(guò)人機(jī)交互使受訓(xùn)者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)并達(dá)到或超過(guò)以往其它培訓(xùn)形式所能產(chǎn)生的效果.

3　應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行事故調(diào)查

應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以快速、有效地以一系

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

,包

.同時(shí)通過(guò)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(xiàng).

4　應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行礦井火災(zāi)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(zāi)和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災(zāi)害.計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,使得在災(zāi)變條件下復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的快速解算成為可能,從而指導(dǎo)井下火災(zāi)發(fā)生時(shí)正確地控制風(fēng)流,確保井下工作人員安全撤出,防止火災(zāi)和有害氣體、煙塵等的蔓延.近幾年來(lái),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(ComputationalFluidDynamics,簡(jiǎn)稱CFD)已廣泛用于工業(yè)火災(zāi)、爆炸和煤礦火災(zāi)[7,8],CFD通過(guò)解算與火災(zāi)和爆炸物相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火區(qū)附近的溫度、火風(fēng)壓及其它燃燒產(chǎn)物的實(shí)時(shí)分布狀況.

AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災(zāi)VR系統(tǒng)的開發(fā)[1,5].該系統(tǒng)通過(guò)模擬某個(gè)真實(shí)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(zāi)或爆炸發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程.除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統(tǒng)還可通過(guò)人機(jī)交互作用顯示出人為因素如反風(fēng)、滅火措施等對(duì)這整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響.此類系統(tǒng)的開發(fā),無(wú)疑可以廣泛地用于礦井火災(zāi)的防治、救災(zāi)和人員培訓(xùn)等方面.

5　結(jié)　　語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展完善起來(lái)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(yīng)用.盡管目前VR在礦業(yè)領(lǐng)域的研究還剛剛起步,但通過(guò)本文對(duì)礦山安全工程方面VR技術(shù)的研究進(jìn)展的綜述,已顯示出VR技術(shù)的獨(dú)特性和在礦山安全方面的發(fā)展前景.隨著該技術(shù)的進(jìn)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(xiǎn)性評(píng)價(jià)、人員培訓(xùn)及指導(dǎo)妥善處理災(zāi)變情況的有效手段.

參考文獻(xiàn)

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～234

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

UK,1998

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

作者簡(jiǎn)張瑞新,博士,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)副教授,.、系統(tǒng)工程方面的教學(xué)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

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