虚拟现实技术在矿山设计中的应用探讨＊

代张音

(贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550003)

虚拟现实技术在矿山设计中的应用探讨＊

代张音

(贵州大学矿业学院,贵州贵阳 550003)

随着计算机技术的发展,传统的手工绘图设计被二维AutoCAD绘图设计代替,而二维图形反应现实三维地质现象和复杂的井筒巷道的分布,仍很不直观易懂,图纸繁多,容易出错。虚拟现实技术在矿山开采设计、安全设施设备布置设计、安全评价中的应用将解决这些问题,这也是矿山设计的发展趋势。

虚拟现实;矿山设计;安全评价;矿山开采

1 引言

虚拟现实技术 (Virtual Reality Technology,简称VR),也称灵境技术,是 20世纪 80年代后期兴起的计算机图形新技术,它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、触觉乃至嗅觉、味觉等感觉形式的虚拟世界。虚拟现实技术自 20世纪 80年代末开始,在西方先进国家的军事、航天、航空领域开始运用。在我国,近几年除军事航天、航空领域开始运用这项技术外,在一些民用领域也开始运用。尽管目前 VR技术在矿业领域的研究还刚刚起步,但通过国内外专家学者的不断努力,已显示出VR技术的独特性和在矿业领域的发展前景,随着该技术的进一步发展,它必将对矿山开采和管理技术的重大革新产生积极的影响。

矿山建设投资大、工期长、工艺系统多、地质条件复杂、可预见性强等特点,决定矿山开采设计、安全设施设备布置设计、安全预评价的重要性和复杂性[1]。目前,矿山设计采用 AutoCAD绘制二维图纸,而二维图形反应现实三维地质现象和复杂的井筒巷道的分布,仍很不直观易懂,图纸繁多,容易出错。虚拟现实技术在矿山设计中的应用将解决这些问题,使矿山设计更直观、易懂,且具有更好的兼容性、修改性、实时性。

2 虚拟现实技术及基本特点

虚拟现实技术是以计算机技术为平台,利用虚拟现实硬件、软件资源而实现的一种极其复杂的人与计算机之间的交互和沟通过程。利用虚拟现实技术可为人类创建一个虚拟空间,可向参与者提供视觉、听觉、触觉、嗅觉、导航漫游等身临其境的感觉,并与虚拟现实环境中的三维实体进行交互和感知,亲身体验在虚拟现实世界中遨游的神秘、浩瀚的感受。虚拟现实系统与其他计算机系统的最本质区别是“模拟真实的环境”。虚拟现实系统模拟的是“真实的环境、场景和造型”,把“虚拟空间”和“现实空间”有机地结合而形成一个虚拟的时空隧道。

虚拟现实技术的特点主要体现在虚拟现实技术的沉浸感、交互性、想象力,简称 3 I特性,以及网络功能、多媒体技术、人工智能、计算机图形学、动态交互智能感知和程序驱动三维立体模型与场景等特点[2]。

目前,虚拟现实相关软件发展迅速,种类较多。其中典型代表有VRLM、JAVA3D、X3D、OpenGL及Vega等软件产品。

3 虚拟现实技术在矿业中的应用现状

虚拟现实技术已在矿业领域很多方面得到应用并取得令人注目的成就,这些研究成果已经显示出虚拟现实技术在矿业领域应用大潜力。目前国外的许多工业组织和科研院校纷纷加大研究力度和深度,积极开发和探索虚拟现实技术应用的新领域。目前虚拟现实在国内外矿业中的应用主要集中在以下几个方面[3]:

(1)矿山生产环境的风险评价。

通过应用 VR技术辅助识别和评价对象 (如设备、人员等)的风险状况,从而得出更客观的风险评价。这种VR计算机系统可动态的进行生产环境的风险分析。

(2)矿山生产过程的动态模拟与技术培训。

利用虚拟现实技术创建的矿山生产环境具有逼真、交互作用的特点。应用 VR技术制作出的软件或录像,可以直观模拟采矿环境及其作业过程、适于矿山职业教育和岗位培训。

(3)煤矿生产设备的虚拟设计和制造。

虚拟现实技术用于大型设施、设备的设计和制造已有许多成功的实例。把虚拟现实技术用于对煤矿新设备的设计方案进行性能评估,则更显示出虚拟现实技术的优势。由于井下场地狭窄,环境恶劣,因此煤矿设备的虚拟设计和制造,其意义不仅仅是节约资源和时间,而是完成在地面或在常规条件下无法进行的工作。

(4)矿井事故模拟与调查分析。

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各种事故发生的过程,事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程,找出事故原因,包括系统设计和现场人员的动作行为。这个在公安部门的案例分析中已有应用,在矿业领域还没有涉及。

(5)矿井火灾和瓦斯爆炸模拟。

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。

(6)生态重建。

在生态重建的规划设计、方案论证的过程中,采用虚拟现实技术,能够把各种不同的方案在计算机中逼真的体现出来,给决策者提供一种直观形象的辅助决策手段,对于方案中不完美之处可以快速修改,这对于生态重建最优方案的确定有重要意义。

4 基于虚拟现实技术的矿山设计

新建、改建、扩建矿井必须进行矿山开采方案设计、安全专篇、安全预评价等有关保证安全有效生产的设计和评价。然而矿山建设投资大、工期长、工艺系统多、地质条件复杂、可预见性强等特点决定了矿山设计的重要性和复杂性,目前工程技术人员在进行矿山设计和评价时,都是采用AutoCAD绘制二维图纸,CAD技术与传统的人工设计和绘图相比具有效率高,绘图方便,迅速地编辑、修改,成图质量好等优点。但用二维图形表示三维的地质现象和复杂的井筒巷道的分布,很不直观,图纸繁多。而且,实际中设计图纸所反映的是矿山的空间结构关系,这个空间构造关系需要完全凭借设计者去想象,但设计者很难在脑海里形成一个完整的矿山,设计方案一旦有误,或者不是最优,其经济损失将是无法挽回的。

应用虚拟现实技术可以即时生成矿床及开采、掘进、运输、通风等系统的三维虚拟模型,并且这些模型可以与设计者实现实时交互,操作者可以进入该交互环境中,判断并校验设计的结果,对于不令人满意的地方或设计不合理的地方,可即时调整参数和进行修改并马上在虚拟环境中再现[4]。在对不合理的设计进行整改之后,可据此制定合理的开采规划,合理布置巷道、运输路线、通风网路等,以达到令人满意的程度。在设计中所获得的数据可通过传感器或测量、探测获得的,通过VR系统的数据实时传送功能传递到系统中后,便可用来开展矿山设计。另外还可根据钻孔数据模拟矿床分布,进行矿井设计。这些数据可以建成DT M实体模型,也可以以其他形式存储并显示。对于露天开采,该系统还能根据对环境状况的测定,合理圈定露天开采范围。

图 1 AutoCAD矿山设计制图与VR矿山设计比较图

对比AutoCAD矿山设计制图与VR矿山设计流程,如图 1所示。可见运用VR矿山设计,除具有直观易懂的优点外,还具有流程简易,便于修改,减少浪费等优点。而且,在基于虚拟现实技术的矿山开采方案设计的基础上,进行矿山安全专篇设计和安全预评价,可将开采设施设备、安全设施设备等系统直观的反映在一个三维立体图中显示,减少遗漏和错误,能避免繁琐的图纸,降低矿山企业技术人员的工作量,并方便矿山企业管理人员系统直观的进行综合生产管理,还可以在以后的生产中,实时交互校正。

5 展望

虚拟现实技术在矿山设计中的应用是矿山设计和评价的必然趋势,具有重大的社会价值和经济价值,其直观、形象、易懂等优点,都是传统方法不可比拟的。但要将虚拟现实技术真正应用于矿山设计中,还需要重点研究矿山三维模型的真实性、互动性,以及三维硬件系统方面的技术支持等。

REFERENCES

[1] 张建桃,伏永明.基于虚拟现实技术的矿业规划与设计[J].计算机时代,2005,3.

[2] 张金钊,张金锐,张金镝,等.VRML编程实训教程[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3] 顾海霞,万玮.虚拟现实技术在矿业领域应用现状综述[J].电脑知识与技术,2008,6.

[4] 鹿浩,罗周全,杨彪.等.虚拟现实技术及其在矿业中的应用[J].中国钨业,2007,4.

D iscussion on Application of Virtual Reality Technology in M ine Design

DA I Zhang-yin
(Mining College of Guizhou University,Guiyang,Guizhou,China 550003)

Alongwith calculator technical development,the traditionalmanual graphic design is instead by two-dimensionalAutoCAD graphic design.However,it is not visual and understandability that two-dimensional graphics reflect three-dimensional geological phenomena and the distribution of shaft.The issue will be solved with the application of virtual reality technology in mining design,safety assess ment,and the design of safety facilities and equipment layout.Therefore it is the trend that application virtual reality technologies in mine design.

Virtual Reality;mine design;safety assessment;mine exploiting

book=23,ebook=110

TP391.9;TD2

A

1009-3842(2010)02-0023-03

2010-03-22

贵州大学自然科学青年科研基金项目

代张音(1981-),女,土家族,贵州铜仁人,硕士,贵州大学矿业学院讲师,主要从事矿山安全生产技术方面的科研与教学工作。Email:490945568@qq.com