虚拟现实技术在煤矿领域的应用

王光肇

（山西天地煤机装备有限公司，太原 030006）

0 引言

在煤矿领域应用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，主要是进行煤矿模拟或构建虚拟煤矿，使用户漫游在虚拟的矿井环境中实施一系列操作，再现或预见一些煤矿场景。基于技术优势作用，相关人员可有效优化设备选型工作，高效实施培训教学以及事故调查等，并可真实地模拟矿井灾害发生过程，针对性地制定有关防范对策，促使煤矿生产更加安全与稳定。为充分发挥虚拟现实技术在煤矿领域应用的突出优势，有必要对虚拟现实技术在煤矿领域的应用实现进行深入探究。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是一项近年来发展起来的高新技术，它集聚了实时计算技术、传感器技术、人机接口技术、计算机图形学、人工智能、多媒体技术等多个技术分支，属于最新且层次最高的模拟仿真技术之一。虚拟现实技术主要是指通过计算机建立人为虚拟环境，且计算机所构虚拟环境属于三维空间。虚拟现实技术还可基于现实环境在计算机当中进行编制，以营造出和真实环境无限接近的虚拟环境，同时利用其他专用设备，使用户置身于虚拟环境当中，在触觉、听觉、视觉等方面获得多种接近真实的感官体验。

虚拟现实技术和传统人机交互技术比较，其主要特征有构想性、沉浸感与交互性。构想性主要是在虚拟现实技术应用基础上，能够对军事、医学、工程等相关行业遇到的各种实际问题加以解决，使用户可定量、定性地在虚拟环境当中获得理性、感性认知，在深化有关概念基础上获得新的构想，同时可主动探索、搜寻与接受信息，而非被动接受信息。沉浸感主要指的是用户能够以主角身份存在于所构设的虚拟环境当中，其真实程度极高。交互性指的是用户在专用设备应用基础上，通过人类自然技能对模拟环境当中的物体进行操作，并能够从相应环境当中获得自然反馈，用户和环境之间的交互具有高度实时性。

虚拟现实系统主要组成部分包含虚拟世界、输入设备、输出设备、虚拟现实软件以及计算机。用户和虚拟世界进行交互，要先激活话筒、手套、头盔等输入设备，将信号输入到计算机当中，跟踪器、传输器将相应信号输入到虚拟现实软件当中，由软件进行解释，同步更新虚拟环境数据库，对虚拟环境场景做出调整，立足新视点将三维视觉图像和力反馈、触觉、声音等相关信息传输到数据手套、耳机、头盔、显示器等相关输出设备当中，使用户得到多种感官体验［1］。

2 虚拟现实技术在煤矿领域的应用

2.1 在煤矿培训教学方面的应用

煤矿行业作为高危险性行业，需要高度重视对从业人员的安全教育，而在煤矿安全培训环节应用虚拟现实技术，具有突出的应用价值。煤矿领域能够在VR 系统支持下，对井下复杂、高危的作业环境进行虚拟，所虚拟的环境可以作为采矿工程专业学生的实训环境，以此可以有效减少实习成本和教学时间，使更多人获得高质量教育培训［2］。所创设的虚拟作业环境还能应用在井下工人的安全教育培训以及岗前操作培训当中，比如通过VR 技术虚拟各种井下险情和工矿，受培训者可以身临其境地感受并体验井下工作环境（如图1），结合虚拟场景学习遇到各种险情的时候应该采取怎样的应急措施加以处理，促使人员素质全面提升，加强事故隐患识别和消除力度。比如，诺丁汉大学研究室基于虚拟现实技术所开发的露天矿单斗卡车工艺生产系统可以应用到相关从业人员培训当中，通过露天矿卡车模拟器实现人机交互，同时还可利用刹车板、加速器以及方向盘对屏幕当中卡车的运行进行控制，操作者就如同真正在驾驶卡车一般。从业人员在接受训练过程中，操作相关硬件并面对投影大屏幕或计算机屏幕当中呈现出的直观、真实的三维露天矿环境，环境中的烟雾、声音等都如同真实存在一般，操作者在虚拟环境中就如同真正驾驶一辆卡车在露天矿坑当中运行一般。虚拟环境中的各项设备以及卡车都会按照操作者做出的操作或按照系统动态关系实现运行，如果操作者发生操作错误，虚拟环境当中同样会显示出撞车或车辆滚落台阶等事故。

2.2 在采掘工作面中的应用

煤矿采掘工作开展过程中，受到井下多种因素局限，很难详细研究工作面设备运行情况、设备作用范围、设备相互之间的匹配度等。其间引入虚拟现实技术，能够通过VR 系统对液压支架、胶带运输机、采煤机等实际操作过程和运动轨迹进行演示，使相关人员可以更全面地理解各项设备工作状态以及发挥的作用，及时解决系统及设备存在的现实问题，不断优化设备性能，提升生产效率，并保证生产安全。虚拟工作面涉及掘进工作面和采煤工作面，这两方面分别列入不同系统当中，并且两系统除了包括底板、顶板、巷道等静态虚拟环境，还包含刮板机、掘进机、液压支架、采煤机等可交互动态虚拟实体。

2.3 在煤矿生产系统设计及规划方面的应用

目前，虚拟现实技术在煤矿领域应用的一个重要方面就是煤矿生产系统设计及规划。在技术人员设计煤矿矿井期间，以往都是通过二维坐标实现设计，包括井上下对照图、工程平面图、矿井开拓平面图等，而若只依靠图纸很难真实掌握煤矿井下实际运行与生产状况等。而将虚拟现实技术应用到矿井设计环节，能够实现所想即所见，设计者们矿井实现虚拟设计的同时，能够即时生成相应的三维虚拟模型，包括压排供、通风、运输、开拓等系统，相应模型和设计者之间可进行自然交互，相应漫游路径也能自由选择。

2.4 在矿井灾害模拟方面的应用

在煤矿领域，井下作业人员主要会面临矿井火灾、瓦斯爆炸等灾害，一旦发生瓦斯爆炸或火灾，会造成巨大的财产损失和大量人员伤亡，所以，需要采取有效策略加大力度防范瓦斯爆炸及矿井火灾。因为瓦斯爆炸过程具有突出的随机性，同时矿井开采期间井下场景非常复杂，有诸多因素会引起瓦斯爆炸，传统的实验模拟很难保证和井下环境条件一致。而在煤矿瓦斯爆炸防治研究方面应用虚拟现实技术，具有可重复操作、安全可靠且投资少等优势。结合虚拟现实技术研发瓦斯爆炸以及矿井火灾相关系统，对矿井作业环境实现真实模拟，同时基于网络分析以及计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟结果，能够对爆炸或火灾发生整个过程实现逼真的显示，这对瓦斯爆炸以及矿井火灾防范意义重大。针对矿井火灾方面设计虚拟现实软件，能够对采区火灾状态下通风系统运行情况进行模拟，比如，若运输巷皮带跑偏同时和机架因摩擦引发火灾，首先会启动自动喷淋系统实现喷水灭火，若火灾进一步蔓延，软件可对火灾后续蔓延过程进行模拟，另外还能模拟人员关闭风门、矿工撤退等过程，通过模拟人员走在巷道过程中会受到烟流的具体影响等。

2.5 在煤矿事故调查和分析方面的应用

虚拟现实技术的应用能够通过计算机再现事故整个发生过程，相关调查者可从多种角度观测并分析整个事故发生经过，明确事故引发的根本原因，如人员动作行为、系统设计原因等。另外，通过对虚拟环境当中各项模型状态与参数进行交互式的调整，能够找到规避相关事故发生的方法，及时采取有效的预防策略。

3 结语

将虚拟现实技术应用于煤矿领域，能够构建高度真实的虚拟煤矿矿井环境，在可视化场景支持下开展人员培训、生产系统设计、矿井灾害防范、设备性能优化等工作，可促进煤矿领域安全、科学的发展。目前，虚拟现实技术在煤矿领域的应用尚处于初级阶段，随着对虚拟现实技术研究的不断深入，此项技术将在煤矿领域有更广阔的应用空间。