基于3DVR的综采工作面虚拟现实关键技术研究

李升+赵金升+韩伟+袁峰

摘要：虚拟现实是近几年来信息技术快速发展的产物，它涉及计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口开发技术、多媒体技术和传感 “幻真”技术，基于3DVR的综采工作面虚拟现实关键技术研究及其应用可以解决煤矿薄煤层开采的无人值守或者少人进入问题，可以实现远程操作控制，对煤炭企业危险区域及薄煤层开发与资源回收具有重要的现实意义。

关键词：虚拟现实；3DVR；真实展现；三远程操控；仿真技术

中图分类号：TD821 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0100-01

1 系统研究背景及意义

减人提效是煤炭企业的发展方向，尤其是综采工作面，而采煤机远程监控是实现减人增效的必要条件。目前，业内主要采用两种方式实现采煤机的远程监控。一种是基于组态软件界面的采煤机远程监控中心，同时配套对应摄像头采集井下现场视频监控。但是存在以下问题：

（1）煤矿井下环境特殊，气候恶劣，粉尘、水雾较大，图像不清晰而无法监视；（2）视频传输占用大量带宽，当监控多台设备时会出现监控画面停滞、延时卡顿等现象；（3）操作人员很难直观的从组态界面中获得三维立体感受，操作比较盲目；（4）监控区域及场所受条件限制，不能从多角度全方位观察。

另一种方式是基于三维虚拟现实（3DVR）的采煤机远程监控。该系统主要采用虚拟现实技术实现采煤机及其周边状态的三维仿真，并在采煤机上模拟展示设备运行情况与设备动作，并可以远程控制采煤机的开停等，具有直观、可控等优势。该技术的发展势在必行。

2 系统主要运用技术

2.1 动态环境建模技术与实时三维图形生成

主要包括采煤机、刮板运输机、液压支架、转载机等。采煤机虚拟机要分成主机、左右摇臂、破碎主机、破碎滚筒、左右截割滚筒5个主要部件来建模，并依据其运动时的先后关系及其三维图形动态生成。

2.2 立体显示和传感技术

三维GIS在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真的信息，比如剖析地质结构、仿真复杂的时空变化、反演不会重现的历史过程、推演未来发展等，由此能获得各种超越现实的空间感知经验。三维GIS海量数据的交互式真实感可视化系统配备一些先进的图形卡和工作站。

2.3 数据集成与远程控制技术

實现采煤机井下状态的真实展现，综合集成采煤机的设备数据及状态信息，对采煤机实施可视化的远程监控。为采煤机在井下的真实状态，提供了不同场景的切换按钮，实现场景自由切换及漫游，使监控人员能够从不同角度观测到采煤机的真实工作状态。调度操控人员，在地面通过计算机触发相应的控制信号，从而驱动3DVR平台的虚拟机运动，实现工作面可视化真实操作。

3 系统功能实现的平台

3.1 数据仓库平台

项目有一个强大的系统平台做支撑，以满足技术的发展和需求变化的需要，主要用于数据库结构的定制、权限管理、流程和报表的定制、WEB界面布置等。

3.2 生产管理监测功能

根据煤矿井上下巷道布置，工作面状态，设备安装位置及运行状态，人员信息等数据，通过与各系统接口对接，真实展示矿井状况，并实时更新井下状况，对其各系统及设备的变动状况做出真实的反映；当生产过程出现异常时，自助显示异常地点并弹出异常画面，并报警，同时操作员可以对井下关联设备进行远程开停、远程控制。

3.3 信息查询

可以通过建立的数据关系及定位信息，全方位的查询煤矿各场所的实时状况和设备运行信息；查询设备（巷道内）和巷道，监督生产进程和设备更新状况。

4 系统功能

（1）建立煤矿综采工作面场景，实现采煤机的开采状态割煤真实效果展现，展示煤块的开采、垮落过程；（2）建立煤矿综采工作面场景，实现刮板运输机的运煤真实效果展现，展示煤块运出的过程；（3）建立煤矿综采工作面场景，实现液压支架的推溜真实效果展现，展示整个推溜形成弯曲段的过程；（4）喷雾效果展现，可以展现采煤机喷雾特效，液压支架跟机喷雾特效等；（5）采煤机定位红外收发器、测距仪等效果展现，可以展现红外发射器和接收到红外发射信号的接收器效果，测距仪及其目标效果等。

5 效益分析

该系统为煤矿开采生产过程和设备运行提供智能的监控及管理服务。在安全生产和效率提升方面的表现异常明显，该系统的普及更有利于实现智能化矿井得建设，有助于提高企业效益和管理水平、技术创新与进步、职工观念的更新和企业形象的铸造，最终提升企业的核心竞争力。

6 结语

3DVR的综采工作面虚拟现实关键技术为提供了现场真实数据，实时展现了工作面的情况，调度人员无需下井即可了解到工作面的实时状况，为生产、调度、指挥等工作提供实时可靠的数据和图形界面支撑，达到了减员提效的功能，为建立数字矿山和智慧矿山打下坚实的基础，该系统必将受到广大煤矿的推广与应用。

参考文献

[1]孙巍.交互式多媒体关键技术的研究[M].大连理工大学出版社，2009.18-20.

[2]徐鹏.软件开发模型在三维动画模型制作中的应用[D].上海：复旦大学软件学院，2009.

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