李東

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動時(shí)，計(jì)算機(jī)可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形（CG）技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的；而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用在軍事與航天工業(yè)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、房產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)仿真、應(yīng)急推演、文物古跡、游戲、Web3D/產(chǎn)品/靜物展示、道路橋梁、地理、教育、虛擬演播室、水文地質(zhì)研究、維修等方面。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤礦工作中的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3. 1 國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到煤礦工作中的研究現(xiàn)狀

在國外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到煤礦及其生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃、采掘工作面、礦井災(zāi)害的模擬、煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)等方面。

美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)礦工培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許用戶在虛擬工作面上檢查工作面的故障隱患，如頂板支護(hù)是否合理，查看工作面設(shè)備是否正確放置，以及應(yīng)該采取哪些措施。應(yīng)用該系統(tǒng)可以培訓(xùn)礦工的安全意識。

德國DMT大學(xué)開發(fā)的礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG，是采礦專業(yè)學(xué)生的訓(xùn)練軟件。該軟件包括地質(zhì)、開采設(shè)計(jì)、工作面狀況等方面的簡化條件，學(xué)生可以進(jìn)行決策和管理。

3. 2 國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到煤礦工作中的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實(shí)研究方面則是剛剛起步，在煤礦中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用在重大事故調(diào)查事故分析中。如陜西某礦發(fā)生的特別重大瓦斯爆炸事故，開發(fā)了煤礦瓦斯爆炸及火災(zāi)事故虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于對該礦事故的調(diào)查分析，利用粒子系統(tǒng)和動態(tài)文理技術(shù)表現(xiàn)瓦斯爆炸、火災(zāi)，形象地顯示了復(fù)雜的事故過程和發(fā)生原因。目前，中國礦業(yè)大學(xué)和DMT-TFH合作，已將STMBERC應(yīng)用于真實(shí)礦井中。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用，既屬于危險(xiǎn)環(huán)境下的操作，也屬于CAD、教育和培訓(xùn)的范疇。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和礦工技術(shù)培訓(xùn)等提供了一種更為有效的手段。

4. 1 礦井開采模擬

采掘工作面是煤礦安全生產(chǎn)的最前線，安全生產(chǎn)矛盾最為集中、安全條件最差、作業(yè)人員最多、設(shè)備集中、空間狹窄、工作行走受限，是頂板、瓦斯、煤塵、火災(zāi)等災(zāi)害的多發(fā)地點(diǎn)，也是系統(tǒng)最復(fù)雜的地方。采掘工作面的虛擬實(shí)現(xiàn)不僅包括靜態(tài)的虛擬環(huán)境（如頂板、巷道、地板等），還要包括動態(tài)的可交互的虛擬實(shí)體（如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、液壓支架等）。系統(tǒng)創(chuàng)造的這一三維環(huán)境與現(xiàn)實(shí)中的房柱式開采情況極為接近，無論是采礦作業(yè)過程，還是工藝設(shè)備的運(yùn)行都如同是現(xiàn)場拍攝。更有意義的是操作人員可與這一系統(tǒng)進(jìn)行交互作用，可以在任意時(shí)刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬出的任何區(qū)域，通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示出所視空間的采礦作業(yè)情況，如設(shè)備當(dāng)前位置和運(yùn)行狀況，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動態(tài)信息。這種模擬超過之前以任何方法建立的模型所達(dá)到的效果。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以通過對不同型號設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的目的。顯然，這類系統(tǒng)還可用于礦井開采計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)監(jiān)控、管理和技術(shù)培訓(xùn)等方面。

4. 2 煤礦人員技術(shù)培訓(xùn)

在礦業(yè)領(lǐng)域可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)虛擬井下各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，供采礦工程專業(yè)的學(xué)生實(shí)習(xí)訓(xùn)練，這樣既可以降低實(shí)習(xí)費(fèi)用，又可縮短教學(xué)時(shí)間，讓更多的人接受高等教育，同時(shí)還可對井下工人進(jìn)行上崗前的操作及安全教育培訓(xùn)。如虛擬井下的各種工況及險(xiǎn)情，使被訓(xùn)練者身臨其境地去體驗(yàn)，并學(xué)會采取有效的應(yīng)急措施去處理各種險(xiǎn)情，以提高人員素質(zhì)，消除事故隱患。

諾丁漢大學(xué)AIMS研究室應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的房柱式開采模擬系統(tǒng)VR-MINE、蓄電池機(jī)車模型、露天礦單斗卡車工藝生產(chǎn)系統(tǒng)等可分別用于相應(yīng)環(huán)境下工作人員的培訓(xùn)。如用于露天礦卡車司機(jī)及相關(guān)人員的培訓(xùn)的露天礦卡車模擬器，該模擬器除采用一般的VR模擬系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行人機(jī)交互外，還可通過方向盤、加速器和剎車板控制屏幕上卡車的運(yùn)行，猶如駕駛真正的卡車一般。當(dāng)受訓(xùn)者操作這些硬件時(shí)，面對的計(jì)算機(jī)屏幕或投影大屏幕上呈現(xiàn)出一個三維的真實(shí)直觀的露天礦作業(yè)環(huán)境，包括聲音、甚至煙霧，如同駕駛著一輛真實(shí)的卡車運(yùn)行在露天礦的礦坑內(nèi)，無論是駕駛的卡車本身，還是環(huán)境中運(yùn)行的其它設(shè)備，均按照受訓(xùn)者的操作或依據(jù)系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系運(yùn)行。比如，受訓(xùn)者操作出錯時(shí)，同樣會造成撞車或從臺階滾落下去的事故。顯然，這種培訓(xùn)手段使人與環(huán)境結(jié)合起來，通過人機(jī)交互使受訓(xùn)者產(chǎn)生身臨其境的感覺并達(dá)到或超過以往其它任何培訓(xùn)形式所能產(chǎn)生的效果。

4. 3 煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于大型設(shè)施、設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造已有許多成功的實(shí)例。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于對煤礦新設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可視化的性能評估，則更顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢。由于井下場地狹窄，環(huán)境惡劣，因此對井下設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維修都提出了很高的要求。煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造，其意義不僅僅是節(jié)約資源和時(shí)間，而是完成在地面或在常規(guī)條件下無法進(jìn)行的工作。例如采煤機(jī)虛擬設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員不必等到樣機(jī)制造出來，再去修改其中不理想、不合理的部分，因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以容納他們“進(jìn)入”計(jì)算機(jī)中的三維空間圖像，借助多種交互手段直接對采煤機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行觀察、討論和修改，從而大大縮短設(shè)備的研制周期，節(jié)省研制費(fèi)用。

4. 4 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行礦井事故調(diào)查和研究

應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以快速、有效地以一系列三維圖像在計(jì)算機(jī)屏幕上再現(xiàn)各種事故發(fā)生的過程，事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測、分析事故發(fā)生的過程，找出事故原因，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場人員的動作行為。同時(shí)通過交互式地改變這虛擬模型中環(huán)境的參數(shù)或狀態(tài)，從而防止其它與此相關(guān)的潛在事故的出現(xiàn)。

礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災(zāi)害。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得在災(zāi)變條件下復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)快速解算成為可能，從而指導(dǎo)井下火災(zāi)發(fā)生時(shí)正確地控制風(fēng)流，確保井下工作人員安全撤出，防止火災(zāi)和有害氣體、煙塵等的蔓延。

AIMS的研究人員目前正致力于礦井火災(zāi)VR系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)通過模擬某個真實(shí)的礦井作業(yè)環(huán)境，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)分析和CFD模擬的結(jié)果，可以逼真地展示出火災(zāi)或爆炸發(fā)生的動態(tài)過程。除了模擬火煙彌漫狀況外，該系統(tǒng)還可通過人機(jī)交互作用顯示出人為因素，如反風(fēng)、滅火措施等對整個通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響。此類系統(tǒng)的開發(fā)，無疑可以廣泛地用于礦井火災(zāi)的防治、救災(zāi)和人員培訓(xùn)等方面。

4. 5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在煤礦防治水工作中

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維可視化功能可以真實(shí)的再現(xiàn)地下含水層和隔水層的分布、含水層的厚度空間的變化情況。以往工作中，通過剖面圖展示含水層、隔水層的分布特點(diǎn)，在平面圖中通過含水層厚度等表現(xiàn)含水層的空間分布狀況，總的來說不直觀也不全面。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中隨著資料的進(jìn)一步完善，能夠直接的將含水系統(tǒng)真實(shí)的展現(xiàn)出來。水文地質(zhì)研究中的重要部分是地下水流的運(yùn)動規(guī)律，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以研究的不僅是含水層的展布，同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變化功能也可以對地下水流的運(yùn)動變化特征進(jìn)行虛擬表達(dá)，充分展現(xiàn)地下水流的特點(diǎn)：其流向、流速和流量乃至儲存量的變化等，為礦井防治水提供可靠的依據(jù)。

5.煤礦虛擬礦井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成結(jié)構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用現(xiàn)狀、虛擬環(huán)境中多智能體技術(shù)建模方法研究，系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是：

（1）控制與反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過傳感器進(jìn)行控制并作用于虛擬環(huán)境和反饋來自虛擬世界的信息。

（2）主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是進(jìn)行計(jì)算、模擬的主要計(jì)算機(jī)設(shè)備。

（3）三維模型。通過建模軟件形成的礦井中物體的三維模型。

（4）三維模型運(yùn)動控制接口。三維模型運(yùn)動控制接口程序控制礦井生產(chǎn)系統(tǒng)以及礦井中一切需要移動的物體。

6.結(jié)束語

盡管有限于當(dāng)前軟、硬件技術(shù)水平，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前還只能達(dá)到部分真實(shí)感的程度，但其前景誘人，已成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)科技之一。虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦的應(yīng)用雖屬于起步階段，但此方面的研究成果已顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)在煤礦中應(yīng)用的廣闊前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦業(yè)方面應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，其必將成為礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、危險(xiǎn)性評價(jià)及礦工培訓(xùn)等方面的重要手段。

作者單位：中國煤炭科工集團(tuán) 天地科技股份有限公司