虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展67

发布时间：2016-12-03 19:48

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第24卷第1期；1999年2月煤炭学报JOURNALOFCHIN；虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展；张瑞新；(中国矿业大学)任廷祥D.SchofieldB.；()；摘要,在矿山安全工程方面所取得的最新；研究成果.、三维的、动态矿业空间环境,可实现采实；关键词虚拟现实计算机模拟矿山安全工程风险评价矿山；中图分类号TD76；虚拟现实技术(VirtualRe

　第24卷第1期

　1999年　2月煤　　炭　　学　　报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.24　No.1Feb.　1999

虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展

张瑞新

(中国矿业大学)任廷祥　D.Schofield　B.　T.　　

()

摘要　,在矿山安全工程方面所取得的最新

研究成果.、三维的、动态矿业空间环境,可实现采实时监控等.VR技术的进一步的研究和开发将会成为矿业.

关键词　虚拟现实　计算机模拟　矿山安全工程　风险评价　矿山灾害

中图分类号　TD76

虚拟现实技术(VirtualReality简称VR)是近几年来逐渐发展完善起来的高新技术.该技术以多媒体计算机系统为基础,结合实时计算机图像生成、数据库、人工智能和物理模拟等手段可以构造出逼真的矿山工程三维空间环境,操作人员可以通过人机交互参与其间的活动.人从这一三维动态环境下获得的安全信息、操作规程就比以往的印在纸上的静态信息要牢固、有效的多.从而达到矿山作业人员的安全教育和技术培训等目的.与此同时,VR系统辅助人类了解实际的矿山作业环境,进行风险预测和典型矿山事故的分析与再现等;通过传感器或效能器等实现人机交互作用使用户“浸入”所创造的环境中,实现灾害识别、救灾训练.这种应用技术的研究开发无疑对提高煤矿安全生产,矿工的安全保护意识和系统优化设计具有重要的实用价值[1,2].

1　应用虚拟现实技术进行矿山生产环境的风险评价

风险分析的大部分工作是评价人员对所评价的生产过程的识别.然而,识别复杂的情形下的所有因素是困难的,这必然影响到风险分析的结果,甚至可能导致人们的其它错误行为.

风险评价已成为现代矿山生产管理日常工作的一部分.计算机绘图和虚拟现实技术的发展为风险评价提供了一种新的、更有效的手段.应用计算机生成某一个工程作业的虚拟环境,它可以交互的方式从任何点进行观测,这样就由计算机替代了本来由评价员进行的识别工作,这一技术被称作“智力放大”.用户就不必花费太多时间去想象发生的情形,而是把更多的“智力”集中用在手头的工作上.

AIMS的研究人员已经开发出一系列的虚拟现实模型,如露天矿单斗-卡车作业系统、矿井开采系统模拟模型等.通过应用VR技术辅助识别和评价所研究对象(如设备、人员)的风险状况,从而得出更客观的风险评价.

这种VR计算机系统可自动地进行任何生产环境的风险分析.该系统考虑虚拟环境中每一台设备和危险地段周围的“风险区”.风险值是按照“风险标度”所处的位置来度量的,风险标度是用不同颜色的立体框表示,不同的色彩表征风险的大小,如绿色表征低风险、黄色为中等风险、红色则为高风险[3～5].采矿设备周围的风险区域是动态的,它依据当前时刻虚拟环境中所处的状态来变化.图1(a)是井下长壁采煤工作面作业环境风险评价模型[3～5].该系统可对回采工作的多个工序如割煤、支架前移等进行风险评价.图1(b)给出的是一个露天矿正在作业的挖掘机和卡车某一时刻的风险评价结果,以不同色彩

收稿日期:1998-03-10

第1期　　　　　　　　　　　张瑞新等:虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展71的立体框架表示出风险中等或高风险的区域

图1　VR风险评价系统

Fig11　VRriskassessmentsystem

(a)矿井作业环境;(b)露天矿作业环境

VR模型为用户提供了一种强有力的观测风险分析环境的方法,风险标度可以放置在环境中的任何位置甚至是附着在移动的物体上,这就是说可以给出人或用户的风险标度以及在一段时间内的风险动态值.这种风险评价方法考虑如下因素:

(1)风险评价的三维性质.

(2)模型环境中的人及设备的位置及其运动.

(3)模型环境中的人及设备的行为.

2　应用VR技术进行矿山工作人员的技术培训

VR创造出的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点.因此,应用VR技术制作出的软件或录像,可以模拟采矿作业的过程和空间环境,较适于培训矿工或用于生产安全的监督.目前这方面的研究成果也较多[1～4].诺丁汉大学AIMS研究室应用VR技术开发的房柱式开采的模拟系统VR2MINE[3,4,6],电池式机动矿车FSV(FreeSteeredVehicles)模型[4,5],露天矿单斗-卡车工艺生产系统[2,5]等可分别用于相应环境下工作人员的培训.

图2是AIMS开发的露天矿开采VR培训系统,用于露天矿卡车司机及相关人员的培训.该系统除了采用一般的VR硬件进行人机交互外,还可通过图中左上角显示的方向盘、

加速器和刹车板操作投影屏幕

图2　露天矿VR培训系统

Fig12　VRtrucktrainingsystemforsurfacemine

上卡车的运行,就如同驾驶真正的卡车一样.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(如右图所示的),包括声音、甚至烟雾,如同驾驶着一

72煤　　炭　　学　　报　　　　　　　　　　　　1999年第24卷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培训形式所能产生的效果.

3　应用VR技术进行事故调查

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事故发生的过程,可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程,的原因,防止其它与此相关的潜在事故的出现通过VR[4,5].,VR技术再现

,包

.同时通过交互式地改变这

一VR模型中环境的参数或状态,从而找到如何避免类似事故

发生的途径和注意事项.

4　应用VR技术进行矿井火灾和瓦斯爆炸的研究图3　矿井事故再现系统Fig13　VRsystemformineaccidentreconstruction

　　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通风网络的快速解算成为可能,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.近几年来,计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics,简称CFD)已广泛用于工业火灾、爆炸和煤矿火灾[7,8],CFD通过解算与火灾和爆炸物相关的数学模型,可以较准确地预测火区附近的温度、火风压及其它燃烧产物的实时分布状况.

AIMS的研究人员目前正致力于矿井火灾VR系统的开发[1,5].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、灭火措施等对这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.

5　结　　语

虚拟现实技术是近年来发展完善起来的高新技术,在许多工程领域和基础研究方面已得到较广泛的应用.尽管目前VR在矿业领域的研究还刚刚起步,但通过本文对矿山安全工程方面VR技术的研究进展的综述,已显示出VR技术的独特性和在矿山安全方面的发展前景.随着该技术的进一步发展,也必将成为其它工业领域的安全管理、危险性评价、人员培训及指导妥善处理灾变情况的有效手段.

参考文献

1　张瑞新,任廷祥.虚拟现实技术在矿山工程中的应用.见:中国科协第三届青年学术年会论文集———材料科学与工程技

术卷.北京:中国科学技术出版社,525～527

2　张瑞新,任廷祥,SchofieldD,etal.虚拟现实技术及其在矿山工程中的应用.中国矿业大学学报,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　　　　　　　　　　　张瑞新等:虚拟现实技术在矿山安全工程中的研究进展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

作者简张瑞新,博士,中国矿业大学副教授,.、系统工程方面的教学和科研工作.,任廷祥,博士,.主要从事采矿工程、矿山安全工程和环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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