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計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 一初級(jí)仿真二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)種類4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用7虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦應(yīng)用中的不足 一初級(jí)仿真 1理論再現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有的理論公式或理論基礎(chǔ)對(duì)事物運(yùn)動(dòng)變化的實(shí)質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)化 突出某些方面因素的作用 并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將這些現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)達(dá)到視覺(jué)效果 2理論 實(shí)際抽象采用目前已經(jīng)形成的一些計(jì)算軟件 通過(guò)對(duì)實(shí)體間的力學(xué)聯(lián)系來(lái)對(duì)一些采礦現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬 離散元模擬程序UDEC煤層開(kāi)采過(guò)程中水平為一變化情況 有限元模擬軟件FLAC模擬切眼支護(hù) RFPA分析煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)情況 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源及特征虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IEIP會(huì)議上所作的題 TheUltimateDisplay 的報(bào)告 他指出 人們可以把顯示屏當(dāng)作一個(gè)窗戶來(lái)觀察一虛擬世界 其挑戰(zhàn)性就在于窗口中的圖像必須看起來(lái)真實(shí) 而且其中物體的行為也很真 1989年美國(guó)VPLResearch公司的JaronLanier提出虛擬現(xiàn)實(shí) VirtualReality VR 又稱為虛擬環(huán)境 Viriua1Environment VE 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征虛擬現(xiàn)實(shí)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 圖象處理 多媒體技術(shù) 人機(jī)交互 傳感器技術(shù) 人工智能 仿真技術(shù) 并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù) 人體工程學(xué) 及心理學(xué)等多門學(xué)科 其目的是以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖像世界 在視 聽(tīng) 觸 嗅等感知行為的逼真體驗(yàn)中 使參與者可以直接參與和探索虛擬對(duì)象在所處環(huán)境中的作用和變化產(chǎn)生沉浸感 VR的3個(gè)特征 1 沉浸感 2 交互性 3 構(gòu)想性 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)種類 1 桌面虛擬現(xiàn)實(shí) 2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) 3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用20世紀(jì)80年代中后期 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)己經(jīng)開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)入實(shí)際的應(yīng)階段 并在軍事 航天航空 醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用 l 醫(yī)療中的應(yīng)用虛擬解剖訓(xùn)練系統(tǒng) 外科手術(shù)模擬系統(tǒng) 遙控手術(shù)手功能診斷 虛擬訓(xùn)練機(jī) 輪椅虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等 2 娛樂(lè) 藝術(shù)和教育上的應(yīng)用采用頭盔顯示器的娛樂(lè)系統(tǒng) 虛擬演員 虛擬博物館 虛擬音樂(lè)等 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 3 軍事與航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用坦克訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)SIMNET 虛擬毒刺導(dǎo)彈訓(xùn)練系統(tǒng) 反潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)ASW等 以及在航空航天上的NASA虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng) EVA訓(xùn)練系統(tǒng)及虛擬座艙等系統(tǒng) 4 商業(yè)中的應(yīng)用證券交易可視化系統(tǒng) 燈飾可視化系統(tǒng) 5 自動(dòng)控制與制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用處于早期的研究和開(kāi)發(fā)階段 主要的有機(jī)器人輔助設(shè)計(jì) 脫機(jī)編程仿真機(jī)器人 遠(yuǎn)程操作等 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 5虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用與這些領(lǐng)域相比 煤炭企由于資金等條件的限制 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究顯得比較滯后 一直沒(méi)有能夠得到人們重視 直到20世紀(jì)90年代后期 隨著煤炭行業(yè)信息化進(jìn)程的日益加快 國(guó)內(nèi)外的研究人員才逐漸認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤炭行業(yè)的重要性 并在理論和實(shí)際應(yīng)用方面做了探索性的研究 主要體現(xiàn)在 l 礦井規(guī)劃 設(shè)計(jì)與輔助決策 該虛擬煤礦模型將深度轉(zhuǎn)換的3D地震反射表面 與透明顯示的煤層底板 礦井模型 鉆孔資料 工作面和斷層情況充分集成 表達(dá)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層的斷裂情況 用戶在沿著主坐標(biāo)軸移動(dòng)時(shí)地震情況能自動(dòng)顯示在界面上 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 2 井下作業(yè)模擬與設(shè)備操作訓(xùn)練VR創(chuàng)造出的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真 交互的特點(diǎn) 可以模擬采礦作業(yè)過(guò)程和空間環(huán)境 適于井下作業(yè)模擬與虛擬培訓(xùn) 可用于工作場(chǎng)所與設(shè)備空間的布局規(guī)劃 且滿足于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作 系統(tǒng)提供了靈活的用戶界面 可以設(shè)定設(shè)備型號(hào)及數(shù)量 作業(yè)參數(shù) 也可選擇煤柱尺寸 回采巷道的數(shù)量和幾何參數(shù)等 而且可動(dòng)態(tài)顯示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖 還可以通過(guò)對(duì)不同型號(hào)設(shè)備 不同開(kāi)采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 3 井下環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目前已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理的重要工作 其主要內(nèi)容是評(píng)價(jià)人員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程安全狀況的辨識(shí) 然而 識(shí)別井下復(fù)雜環(huán)境下的所有因素是困難的 常常會(huì)影響到風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果 甚至可能導(dǎo)致人為的失誤 造成災(zāi)難性后果 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了有效的手段 在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中 可以交互式地對(duì)作業(yè)空間進(jìn)行多角度觀測(cè) 實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程更加科學(xué)的評(píng)估 礦工的上衣顏色作為風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)度 顯示了虛擬環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài) 顯示了虛擬環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài) 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 4 事故調(diào)查與分析在計(jì)算機(jī)里再現(xiàn)事故發(fā)生的過(guò)程 事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測(cè) 析事故發(fā)生的經(jīng)過(guò) 找出事故發(fā)生的原因 包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因和現(xiàn)場(chǎng)人員的動(dòng)作行為 同時(shí)可以通過(guò)交互式地改變VR環(huán)境中模型的參數(shù)或狀態(tài) 找到如何避免類似事故發(fā)生的途徑 制定相關(guān)預(yù)防措施 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 5 安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別通過(guò)基于VR的安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別訓(xùn)練系統(tǒng) 訓(xùn)練者在VR生成的虛擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)航 對(duì)各種動(dòng)態(tài)目標(biāo)和靜態(tài)對(duì)象進(jìn)行觀察 以識(shí)別潛在的危險(xiǎn) 風(fēng)險(xiǎn)和行為 一經(jīng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源 使用者必須回答一系列相關(guān)問(wèn)題 選擇出正確的危險(xiǎn)處理方法 實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo) 諾丁漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的SAEF VR系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)在安全監(jiān)察與危險(xiǎn)識(shí)別中的典型應(yīng)用之一 參加訓(xùn)練者可以在虛擬場(chǎng)景中按頂板支護(hù)規(guī)程監(jiān)察頂板的狀態(tài) 發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn) 如不正確安裝的螺栓 不正確的支架間距 滲水等 參訓(xùn)者可在不同操作狀態(tài)下對(duì)設(shè)備的各個(gè)部分和環(huán)境進(jìn)行多種情形下的檢驗(yàn) 當(dāng)參加培訓(xùn)者進(jìn)入不正確的位置或進(jìn)行不正確操作時(shí) 危險(xiǎn)就會(huì)發(fā)生 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 6 礦井火災(zāi) 瓦斯等事故仿真通過(guò)模擬真實(shí)的礦井作業(yè)環(huán)境 并結(jié)合通風(fēng)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)程除了模擬煙火彌漫狀況外 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)整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響 在礦井的某些位置 可以對(duì)火災(zāi)或爆炸進(jìn)行模擬 并隨之產(chǎn)生有關(guān)環(huán)境參數(shù)的各種變化 巷道火災(zāi) 跑車事故 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 6在礦山安全培訓(xùn)方面VRCoal主要用于采煤機(jī)的操作培訓(xùn) 可構(gòu)建較真實(shí)的采煤環(huán)境 為用戶提供了采煤機(jī) 梭式礦車 采煤工作面 煤層 煤層頂?shù)装宓娜S模型 另外 可為用戶提供了聲音效果 這些聲音是在真實(shí)的采礦環(huán)境中錄制的 并進(jìn)行了混音處理 可使用戶按照真的操作面板對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行虛擬控制 如采煤機(jī)的前進(jìn) 后退 對(duì)齊煤層 裝車等 當(dāng)采煤機(jī)遇到不同巖性的巖石時(shí) 采煤速度會(huì)自動(dòng)改變 如遇到焦變煤時(shí)會(huì)加速 遇到巖石時(shí)會(huì)減速等 VRCoal可以保存學(xué)員的培訓(xùn)日志 供教員在評(píng)估培訓(xùn)效果時(shí)參考 以決定該員是否達(dá)到培訓(xùn)要求 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) SafeVR是英國(guó)諾丁漢大學(xué)AIMS研究所的研究人員開(kāi)發(fā)的安全培訓(xùn)VR軟件包 可訓(xùn)練學(xué)員正確判斷險(xiǎn)情并作相應(yīng)的處理 用戶可以讓學(xué)員指出一種險(xiǎn)情并選擇最佳的解決方案 用戶可以定義自己列表并創(chuàng)建一種險(xiǎn)情 用戶還可為每一類對(duì)象關(guān)聯(lián)聲音 聲音是根據(jù)情的存在與否而定的 如管道泄露時(shí)會(huì)發(fā)出 世噬 的響聲 使用鍵盤 鼠標(biāo) 或者操縱桿操作 可用鼠標(biāo)或觸摸屏來(lái)排查險(xiǎn)情 系統(tǒng)提供培訓(xùn)課程的全面總結(jié) 學(xué)員可以看到所有他所遺漏的險(xiǎn)情 并可以讓程序給出它們的位置 對(duì)于每一個(gè)險(xiǎn)情 都有附加的文件與其相關(guān)聯(lián) 當(dāng)學(xué)員要求得到任險(xiǎn)情的其它信息時(shí) 不同的多媒體文件 聲音 錄像 文本等 甚至其它的應(yīng)用程序 能夠自動(dòng)地顯示或打開(kāi) 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) VROOM是AIMS的研究人員開(kāi)發(fā)的另一個(gè)軟件 主要用于礦山機(jī)械設(shè)備的操作培訓(xùn)方面 如采掘機(jī)的使用 拖車的實(shí)時(shí)駕駛等 包含大量的虛擬礦山模型 如礦山表面紋理 卡車 托運(yùn)線路 鉆機(jī) 推土機(jī) 索斗鏟 維修車 礦山工人等 以便完成虛擬環(huán)境的創(chuàng)建 VROOM具有如下功能 可以導(dǎo)入數(shù)字高程模型或者地表和地下礦坑的線框模型 用真實(shí)的地表紋理選擇性地繪制地表 從三維對(duì)象庫(kù)中添加植被或礦山地形 導(dǎo)入或者數(shù)字化道路 并可添加活動(dòng)物體 如拖車 推土機(jī)等 設(shè)置交通工具的屬性 為固定的視點(diǎn)位置設(shè)定坐標(biāo) 完成了虛擬環(huán)境建模 用戶便可進(jìn)入虛擬環(huán)境 在地表或地下飛行 行走或者駕駛車輛 用戶可以使用鍵 鼠標(biāo)或者操縱桿來(lái)操縱方向 在與其它車輛相遇時(shí) 還會(huì)有逼真的聲音效果 二虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 7虛擬技術(shù)在煤礦中應(yīng)用的不足 1 目前國(guó)內(nèi)外煤礦VR系統(tǒng)中 著重于虛擬環(huán)境圖形信息的幾何表達(dá) 基本未著重考慮虛擬環(huán)境的智能性問(wèn)題 2 大多數(shù)場(chǎng)景中的物體是靜態(tài)的 被動(dòng)的 無(wú)生命的 還缺少對(duì)井下作業(yè)人員 運(yùn)輸車輛等高級(jí)實(shí)體的行為建模與研究 不能表現(xiàn)高級(jí)實(shí)體在環(huán)境中的行為方式及其與虛擬環(huán)境的交互作用 3 缺少對(duì)井下物理環(huán)境的逼真表達(dá)與模擬方法 或者使用了過(guò)于簡(jiǎn)單的自然環(huán)境模型 造成虛擬環(huán)境與真實(shí)世界有較大差異 嚴(yán)重制約了VR系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值