煤矿安全虚拟现实仿真系统总体设计及关键技术的研究

发布时间：2017-04-27 22:03

  本文关键词：煤矿安全虚拟现实仿真系统总体设计及关键技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 煤炭是国民经济和社会发展的基础。我国煤矿主要是井下开采，生产环境条件复杂，煤炭开采活动中，存在着大量不安全因素，要保证人的安全，离不开对开采环境的真实了解——安全管理人员需要了解管理区域内存在的事故隐患；而煤炭开采矿工则需要有一定的安全知识和防范意识。这些都需要人们接受安全教育、救生训练等，但由于受到各种环境因素的限制，人类不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况也是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实的环境(如建筑物仅仅在设计中)，因而需要有一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。因而，随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真理论相结合，据此进行虚拟现实技术在煤炭安全管理中的应用的研究，不失为一个行之有效的方法，本文对其展开讨论，以期有所裨益。 虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。其技术特征主要表现在四个方面：①多感知性(multi-sensory)；②存在感、临境感(immersion)；③交互感(interaction)；④自主性(autonomy)。简言之，虚拟现实是由多种媒体构成的三维信息空间，其基本特征包括交互性和临场感。 以地质体三维可视化建模技术为基础，以虚拟现实仿真技术为手段的煤矿安全虚拟现实仿真是地学和煤矿安全研究的前沿领域，也是3D-GIS技术的一个重要组成部分，对它的研究可以补充和完善煤矿安全的技术手段及理论，拓宽其应用领域，同时又促进地学模拟技术的发展。 煤矿安全虚拟现实仿真系统是地质体三维可视化模拟技术和虚拟现实技术的高级体现与实际应用，为煤矿生产管理、日常安全管理和事故应急救援与决策提供技术支持，为实现数字矿山提供核心解决方案。因此，该项研究既具有理论意义，又具有较强的实践应用价值。 通过对国内外先进的矿山三维虚拟现实系统的发展和现状的探索以及对科学可视化技术、地质层面和地学三维空间构模技术的深入分析总结，提出了一个煤矿安全虚拟现实仿真系统的综合解决方案，并针对地质界面可视化、地学空间构建、虚拟场景建立与组织以及安全仿真模型构建等关键技术进行了探讨。该系统基于OpenGL，集成了虚拟现实和系统仿真建模技术、约束/非约束二维三角剖分技术及其在三维剖分中的扩展、基于广义三棱柱的三维地学空间构模技术、基于参数化的煤矿井巷及场景构模技术以及空间数据库及数据仓库挖掘技术与现代系统仿真技术。本项研究进行的开创性和探索性工作主要如下： (1)设计了一个较为完善的煤矿安全虚拟现实仿真系统。该系统主要由基于OpenGL可视化应用程序框架、空间三维地质数据库、地质层面及地学三维空间构模解决方案、煤矿井巷和虚拟场景组织解决方案以及煤矿安全仿真模型解决方案组成。 (2)在分析研究当前三维空间建模技术的基础上，建立了一个适用于地质体的三维可视化建模方案。该模型利用钻孔、物探等地学信息，设计了基于广义三棱柱体体元的逻辑数据模型、模型组成元素和对象的数据结构；提出了根据真实钻孔数据构建广义三棱柱体模型的算法，对地层广义三棱柱体建模过程中出现的特殊问题提出了合理的处理方案。在此基础上，给出了广义三棱柱体建模思路及技术路线，并就其实现三维空间构模的关键技术进行了深入的研究。 (3)针对煤矿井巷和井下场景的复杂性，提出了一个煤矿井巷和井下场景建模及场景组织的综合解决方案。基于井巷导线和规则曲面建模的技术，在分析了井巷的特征参数的基础上，为其建立了统一的数学参数化模型，对井巷进行仿真建模。系统利用3ds Max建立设备模型库并进行管理，建立井下场景模型组织的BSP树，通过井巷的中心线完成井巷漫游。 (4)利用系统分析和仿真分析技术，对煤矿安全典型模型进行了分析，并建立了仿真模型。基于图论和网络解算理论，，建立了通风系统的仿真模型及系统构建，为通风安全提供有力的决策支持；基于人工神经网络，建立了煤与瓦斯突出的预测模型及构建，为煤与瓦斯突出的灾害预测提供支持。 本文所设计的系统吸收了国内外现有同类系统的优点并加以改进，系统结构合理，功能比较齐全，为正开发的煤矿安全虚拟现实仿真系统确定了设计开发大纲。文中所研究和总结的关键技术部分已在软件设计和开发中得到了应用，实践证明是比较有效的。
【关键词】：煤矿安全 虚拟现实 仿真 可视化 地质体
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TD67
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 概述12-20
• 1.1 引言12
• 1.2 虚拟现实仿真概述12-14
• 1.2.1 仿真技术概述13
• 1.2.2 虚拟现实技术概述13-14
• 1.3 国内外煤矿安全虚拟现实仿真研究现状14-17
• 1.3.1 国外研究现状14-15
• 1.3.2 国内研究现状15-17
• 1.4 研究内容目的及意义17-20
• 1.4.1 本文研究内容17-18
• 1.4.2 研究的目的及意义18-20
• 第二章 地学三维空间构模技术的研究20-33
• 2.1 空间构模技术综述20-22
• 2.2 地质层面三维可视化22-24
• 2.3 广义三棱柱的三维地学空间构模原理及其特点24-26
• 2.3.1 广义三棱柱构模原理24-25
• 2.3.2 广义三棱柱构模特点25-26
• 2.4 基于广义三棱柱的三维地学空间构建26-28
• 2.4.1 构模过程26
• 2.4.2 加入新钻孔的三维模型的更新26-27
• 2.4.3 加入新空间点的三维模型的更新27-28
• 2.5 连续地质体的构建28-31
• 2.5.1 地层分界面的生成28-29
• 2.5.2 地质构造的地层生成(垂直连体)29-31
• 2.6 有断层地质体的构建31-33
• 第三章 煤矿安全虚拟现实场景模型构建技术研究33-48
• 3.1 巷道数据特点与数据源33-34
• 3.1.1 巷道数据特点33
• 3.1.2 巷道三维建模的数据源33-34
• 3.2 巷道元素的拓扑关系及其数据结构34-38
• 3.2.1 巷道网络系统的基本元35-36
• 3.2.2 巷道空间拓扑关系的建立36-37
• 3.2.3 巷道元素的数据结构37-38
• 3.3 巷道模型算法的实现38-44
• 3.3.1 巷道中线的逼近38-39
• 3.3.2 巷道断面的加载39-44
• 3.4 煤矿虚拟现实场景的构建技术研究44-48
• 3.4.1 虚拟环境建模44-45
• 3.4.2 煤矿虚拟现实场景的组织45-48
• 第四章 煤矿安全仿真模型的构建研究48-61
• 4.1 通风安全模拟与仿真模型48-55
• 4.1.1 哈蒂─克劳斯(Hardy-Cross)法50-52
• 4.1.2 牛顿法52-55
• 4.2 基于人工神经网络的煤与瓦斯突出的预测模型55-61
• 4.2.1 BP 网络的设计55-56
• 4.2.2 煤与瓦斯突出危险性 BP 人工神经网络预测模型56-58
• 4.2.3 预测突出的基本特性指标集的确定58-59
• 4.2.4 突出危险程度分类评价集的确定59-61
• 第五章 煤矿安全虚拟现实仿真系统的总体设计与实现61-77
• 5.1 系统开发策略与原则及开发环境61-62
• 5.1.1 系统开发策略61
• 5.1.2 系统开发原则61-62
• 5.1.3 开发环境62
• 5.2 OpenGL 三维可视化仿真建模型62-66
• 5.2.1 OpenGL 基本程序框架62-63
• 5.2.2 OpenGL 基本功能63-64
• 5.2.3 OpenGL 图形操作步骤64
• 5.2.4 OpenGL 实现仿真场景建模的优点及基本步骤64-66
• 5.3 系统总体设计66-72
• 5.3.1 系统总体构架66-67
• 5.3.2 系统功能模块概述67-72
• 5.4 系统界面设计72-77
• 第六章 结论与展望77-80
• 6.1 主要结论77-78
• 6.2 存在问题78
• 6.3 应用前景与建议78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-83

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8 董剑锋;;浅谈煤矿安全管理及安全检查[J];企业技术开发;2011年13期

9 孟庆武;樊明;神文龙;;基于Maya和Virtools的煤矿虚拟现实系统开发[J];山西焦煤科技;2011年06期

10 邓巧华;;关于加强煤矿安全文化建设的探讨[J];中小企业管理与科技(下旬刊);2011年07期

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1 秦建明;李楠;刘青;谢刚生;;虚拟现实在城市规划中的辅助决策作用[A];中国地理信息系统协会第四次会员代表大会暨第十一届年会论文集[C];2007年

2 崔树礼;朱长如;韦芝芳;孙艳;;虚拟现实(VR)应用技术[A];中国工程物理研究院科技年报（1998）[C];1998年

3 杨元栋;杨泽红;贾培发;;虚拟现实中的接触力模拟算法研究[A];2001年中国智能自动化会议论文集（下册）[C];2001年

4 张二华;马仁安;赵春霞;杨静宇;;虚拟现实系统下三维地震数据可视化的实现方法[A];中国地球物理学会年刊2002——中国地球物理学会第十八届年会论文集[C];2002年

5 陶品;叶榛;王洋;;虚拟机械装配平台的设计与实现[A];2001年中国智能自动化会议论文集（下册）[C];2001年

6 王维;;虚拟现实技术在科技馆中的应用[A];2004年科技馆学术年会论文选编[C];2004年

7 David Riley;Jessie Whitesides;;虚拟现实在英国建筑业中的应用[A];勘察设计企业信息化建设研讨会资料汇编[C];2003年

8 樊少菁;何仲昆;;虚拟现实技术在环境教育中的应用研究[A];全国首届数字（虚拟）科技馆技术与应用学术研讨会论文集[C];2007年

9 霍妍妍;李爱军;刘瑜;;虚拟现实技术发展综述[A];中国图学新进展2007——第一届中国图学大会暨第十届华东六省一市工程图学学术年会论文集[C];2007年

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1 记者彭嘉陵;三个煤矿安全规章将施行[N];人民日报;2003年

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4 遵义县站记者 陈代斌;市领导在遵义县检查交通及煤矿安全[N];遵义日报;2008年

5 本报记者;突出重中之重 抓好煤矿安全[N];中国煤炭报;2008年

6 本报记者 赵长远　金华;打通煤矿安全绿色通道 关注生命安全第一重要[N];经理日报;2008年

7 宋伟　李连松 记者 张兰;古蔺县 专家“会诊”煤矿安全[N];泸州日报;2008年

8 冯波;市政府召开全市安全生产暨煤矿安全基础管理工作现场会[N];宜春日报;2008年

9 李朝贵;确保煤矿安全 云南又出新规[N];云南日报;2008年

10 邵淑娟 记者 沈福利;突出重点抓实煤矿安全[N];鸡西日报;2008年

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1 蔡林沁;基于Agent的煤矿智能虚拟环境研究[D];中国科学技术大学;2007年

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7 魏伟;基于突变论的智能建筑中突发事件处理的决策支持与虚拟仿真[D];华中科技大学;2009年

8 胡海鹰;HIT/DLR机器人灵巧手遥操作系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

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1 邱利;煤矿巷道稳定性评价与安全评价软件开发[D];河北理工大学;2005年

2 李红娟;中国煤矿安全规制效果的实证研究[D];东北财经大学;2007年

3 周庆安;矿工安全心理分析及煤矿安全管理研究[D];辽宁工程技术大学;2001年

4 张爱霞;煤矿安全综合评价与伤亡事故预测方法研究[D];河北理工大学;2005年

5 孙春红;基于DEA模型的煤矿安全投入产出分析[D];西安科技大学;2009年

6 桑红星;帷幕截流技术在大水矿井治水中的应用[D];山东科技大学;2005年

7 刘勇燕;基于网格的矿井通风计算并行处理模式研究[D];西安科技大学;2003年

8 张立俊;废弃矿井高强渗流水害识别与封堵技术研究[D];山东科技大学;2005年

9 胡斯亮;我国小煤矿环境法制问题研究[D];昆明理工大学;2006年

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