虚拟现实技术在采煤工艺仿真中的应用
摘要：采煤生产工艺过程循环框图矿山天地摘要：井下煤矿开采是一个非常复杂的系统，作业环境恶劣，人、机、环境多种因素共同起作用。虚拟现实技术(VR)技术的发展，为井下的工作者提供一种新的、更容易接受的方式来真正了解采煤工艺，对解决当前煤矿安全、高效生产有着重要的意义。
关键词：虚拟现实技术采煤工艺仿真
虚拟现实技术就是利用虚拟现实的手法将采煤工艺中最为复杂、最为重要的综采工作面的生产场景生动形象的显示出来，实现整个综采工艺过程的模拟，实现人机交互操作。新、老员工都可以在模拟的常规作业环境中到适合自己的工作方法，使自己的工作技巧可以不受地点的限制而得到很好的磨练或改进。同样可以在模拟的抢险救灾场景中寻找逃生自救的方法及必需的救护设施，并作为安全经验积累下来。
1、虚拟现实建模技术
1.1建模技术简介及评述。目前，国内外虚拟现实仿真的建模方案有很多种，鉴于其主要的应用功能，我们常见的开发的虚拟环境较少涉及利用外接设备进行触感和行为反应的真实感觉，而是更加注重于模型，在这里介绍几种常见的方案：1.1.1第一种方案主要是利用SGI公司开发的独立于操作系统和硬件系统的图形开发系统OpenGL开发平台的通用接口，这是一种完全从底层进行开发的系统，在开发过程中主要采用编程语言如C/C++。由于这种系统已经具有完整的绘图命令和函数库(基本库、实用库和辅助库)，开发人员可以直接进行开发，利用数据库中的各种命令和函数，将各种几何形体转述为数学模型并加以控制，从而实现虚拟现实的实现。
1.1.2第二种开发方案是以一些商业虚拟现实引擎为基础进行虚拟现实系统的仿真开发，这样就避免了需进行大规模底层编程，不仅简化了代码的编写过程，缩短了开发时间。其达到的虚拟效果能够包含透明、动画和反射贴图纹理，可以直接可以执行3D内容回放，为复杂界面提供场景的`多层次的有效设置。
1.2设备建模技术。采煤工艺采涉及的设备很多，包括采煤机，刮板输送机，液压支架，顺槽里的转载机，破碎机，转载机自移装置，皮带机自移机尾，皮带机，乳化液泵站，喷雾泵站，移动变电站等。设备多并且造型复杂。而且，很多机械设备还在实时运转，还需考虑到动画效果。因此，设备建模时，编程实现起来难度太大，本文拟采用前面提到的第三方建模软件来实现。目前，三维建模软件比较多，常用到的有以下几类：1.2.1 3DS MAX建模软件。3DS MAX被广泛地应用于建筑、机械电视及娱乐业中，比如实现建筑工程的效果图像，影视作品中片头动画和视频游戏的制作及影视特效等方面。今年随着国内房地产发展，3DS MAX在国内发建筑效果图和建筑动画制作中的应用越来越成熟。
1.2.2 MAYA建模软件。这种建模软件具有许多突出的功能，目前许多国内的影视公司也在使用MAYA制作项目，其特点是具有完整的建模系统、强大的程序纹理材质和粒子系统、出色的角色动画系统以及MEL脚本语言。
1.2.3 Sumatra建模软件。它的功能与MAYA不相上下，拥有真实的程序纹理材质，出色的角色动画系统，强大的动画编辑能力。但由于国内应用的较少，导致在后期制作应用交流起来的不方便，同时其最大的缺点就且它对硬件的要求过高。
2、采煤工艺过程系统分析
综采工作面采煤工艺过程的动态仿真其实就是将各个工序按照时间的配合，一个工序或几个工序在某一时刻同时进行，形成连续的动画过程。
前面提到的采煤工艺，首先是端部斜切进刀，这一过程包括割三角煤的各个步骤;采煤机正常割煤15m后开始推移刮板输送机，推刮板输送机后开始移架，采取单架依次顺序移动的方式，包括降架、移架、升架三个步骤;在采煤机割至下端头之前，刮板运输机和液压支架互为支点依次前移。采煤机割至下端头后，工作面前进一刀煤的距离0.75m，完成一个循环，然后又从端部进刀开始重复上述过程。生产过程的简易循环图如右所示：整个工艺循环，采煤机的运动是主线，液压支架、刮板输送机的运动都是配合采煤机运动的。在配合过程中，液压支架的升降，时间是运动进行或终止的决定因素。对液压支架的控制是通过控制时钟来实现的，当系统时间到达某一点时时钟激活，这时液压支架开始动作，而采煤机和刮板运输机也在同时运动。时钟是设备实现自动控制的主要途径，设备每一个部件如每一个液压支架的降架、移架和升架过程都有其始点和终点，这一过程必须由时钟来对其进行控制。
3、虚拟现实技术在采煤工艺应用发展趋势分析
随着整个信息行业的不断发展，与虚拟现实技术相关硬件、软件成本的逐渐降低，技术也有很大提高。虚拟现实技术在矿山优化设计、矿产资源普查，环境保护、矿山安全与救灾等方面都有广阔的应用前景。笔者认为，目前和今后一段时间内以下几方面还有很大的发展空间：
3.1 矿山系统虚拟设计。目前的国内外工程技术人员在进行矿山设计时，应用较多的都是在二维坐标系下进行设计的，如矿井开拓平面图、工程平面图、井上下对照图等。如澳大利亚CSIRO MineEngineering GROUP研究开发了Virtual Mine虚拟煤矿环境系统。但是基于虚拟现实技术的矿山设计应用系统可以使设计者“所想即所见”，用户可以将自己置身于虚拟矿山中，身临其境、多视角的观察目标对象，并可进行交互操作和单通道立体现实。形象直观表现了矿山开采的整个工艺过程，对矿山开采提供决策支持，具有重要的现实意义和应用价值。
3.2矿井重大灾害模拟。南非(Centre of Scientific and In-dus trial Res earch，CSIR)公司矿业分公司用区域3D沉积模型来模拟各种断裂构造，通过该模型可以看到断裂面之间复杂的内部关系，预测断裂构造在时间和空间上的分布，加深对地质条件的了解和掌握，从而能更有效地采取防灾、减灾和救灾措施。煤矿常见五大自然灾害中，瓦斯、水、火和煤尘引发的灾害后果是煤矿五大自然灾害中最常见的，也是产生后果最严重的造成了重大的人员伤亡和巨大的财产损失。而虚拟现实技术的发展和应用为矿井灾害机理研究及重大灾害的模拟预测提供有力的工具和手段。
3.3矿山工作人员技能及安全培训。虚拟软件的应用通，使矿山工作人员能够身临其境，多视角的观察目标对象增强其安全意识，提高管理水平，安全有效，同时还能节省大量的培训费用。