代張音

(貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州貴陽 550003)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山設(shè)計中的應(yīng)用探討＊

代張音

(貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州貴陽 550003)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的手工繪圖設(shè)計被二維AutoCAD繪圖設(shè)計代替,而二維圖形反應(yīng)現(xiàn)實三維地質(zhì)現(xiàn)象和復(fù)雜的井筒巷道的分布,仍很不直觀易懂,圖紙繁多,容易出錯。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山開采設(shè)計、安全設(shè)施設(shè)備布置設(shè)計、安全評價中的應(yīng)用將解決這些問題,這也是礦山設(shè)計的發(fā)展趨勢。

虛擬現(xiàn)實;礦山設(shè)計;安全評價;礦山開采

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù) (Virtual Reality Technology,簡稱VR),也稱靈境技術(shù),是 20世紀(jì) 80年代后期興起的計算機圖形新技術(shù),它利用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺、觸覺乃至嗅覺、味覺等感覺形式的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)自 20世紀(jì) 80年代末開始,在西方先進國家的軍事、航天、航空領(lǐng)域開始運用。在我國,近幾年除軍事航天、航空領(lǐng)域開始運用這項技術(shù)外,在一些民用領(lǐng)域也開始運用。盡管目前 VR技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的研究還剛剛起步,但通過國內(nèi)外專家學(xué)者的不斷努力,已顯示出VR技術(shù)的獨特性和在礦業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景,隨著該技術(shù)的進一步發(fā)展,它必將對礦山開采和管理技術(shù)的重大革新產(chǎn)生積極的影響。

礦山建設(shè)投資大、工期長、工藝系統(tǒng)多、地質(zhì)條件復(fù)雜、可預(yù)見性強等特點,決定礦山開采設(shè)計、安全設(shè)施設(shè)備布置設(shè)計、安全預(yù)評價的重要性和復(fù)雜性[1]。目前,礦山設(shè)計采用 AutoCAD繪制二維圖紙,而二維圖形反應(yīng)現(xiàn)實三維地質(zhì)現(xiàn)象和復(fù)雜的井筒巷道的分布,仍很不直觀易懂,圖紙繁多,容易出錯。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山設(shè)計中的應(yīng)用將解決這些問題,使礦山設(shè)計更直觀、易懂,且具有更好的兼容性、修改性、實時性。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及基本特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機技術(shù)為平臺,利用虛擬現(xiàn)實硬件、軟件資源而實現(xiàn)的一種極其復(fù)雜的人與計算機之間的交互和溝通過程。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可為人類創(chuàng)建一個虛擬空間,可向參與者提供視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、導(dǎo)航漫游等身臨其境的感覺,并與虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的三維實體進行交互和感知,親身體驗在虛擬現(xiàn)實世界中遨游的神秘、浩瀚的感受。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與其他計算機系統(tǒng)的最本質(zhì)區(qū)別是“模擬真實的環(huán)境”。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模擬的是“真實的環(huán)境、場景和造型”,把“虛擬空間”和“現(xiàn)實空間”有機地結(jié)合而形成一個虛擬的時空隧道。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感、交互性、想象力,簡稱 3 I特性,以及網(wǎng)絡(luò)功能、多媒體技術(shù)、人工智能、計算機圖形學(xué)、動態(tài)交互智能感知和程序驅(qū)動三維立體模型與場景等特點[2]。

目前,虛擬現(xiàn)實相關(guān)軟件發(fā)展迅速,種類較多。其中典型代表有VRLM、JAVA3D、X3D、OpenGL及Vega等軟件產(chǎn)品。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在礦業(yè)領(lǐng)域很多方面得到應(yīng)用并取得令人注目的成就,這些研究成果已經(jīng)顯示出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用大潛力。目前國外的許多工業(yè)組織和科研院校紛紛加大研究力度和深度,積極開發(fā)和探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。目前虛擬現(xiàn)實在國內(nèi)外礦業(yè)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面[3]:

(1)礦山生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險評價。

通過應(yīng)用 VR技術(shù)輔助識別和評價對象 (如設(shè)備、人員等)的風(fēng)險狀況,從而得出更客觀的風(fēng)險評價。這種VR計算機系統(tǒng)可動態(tài)的進行生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險分析。

(2)礦山生產(chǎn)過程的動態(tài)模擬與技術(shù)培訓(xùn)。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的礦山生產(chǎn)環(huán)境具有逼真、交互作用的特點。應(yīng)用 VR技術(shù)制作出的軟件或錄像,可以直觀模擬采礦環(huán)境及其作業(yè)過程、適于礦山職業(yè)教育和崗位培訓(xùn)。

(3)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的虛擬設(shè)計和制造。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于大型設(shè)施、設(shè)備的設(shè)計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于對煤礦新設(shè)備的設(shè)計方案進行性能評估,則更顯示出虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢。由于井下場地狹窄,環(huán)境惡劣,因此煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計和制造,其意義不僅僅是節(jié)約資源和時間,而是完成在地面或在常規(guī)條件下無法進行的工作。

(4)礦井事故模擬與調(diào)查分析。

應(yīng)用計算機繪圖和虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現(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)計和現(xiàn)場人員的動作行為。這個在公安部門的案例分析中已有應(yīng)用,在礦業(yè)領(lǐng)域還沒有涉及。

(5)礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸模擬。

計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得在災(zāi)變條件下復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的快速解算成為可能,從而指導(dǎo)井下火災(zāi)發(fā)生時正確地控制風(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。

(6)生態(tài)重建。

在生態(tài)重建的規(guī)劃設(shè)計、方案論證的過程中,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),能夠把各種不同的方案在計算機中逼真的體現(xiàn)出來,給決策者提供一種直觀形象的輔助決策手段,對于方案中不完美之處可以快速修改,這對于生態(tài)重建最優(yōu)方案的確定有重要意義。

4 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山設(shè)計

新建、改建、擴建礦井必須進行礦山開采方案設(shè)計、安全專篇、安全預(yù)評價等有關(guān)保證安全有效生產(chǎn)的設(shè)計和評價。然而礦山建設(shè)投資大、工期長、工藝系統(tǒng)多、地質(zhì)條件復(fù)雜、可預(yù)見性強等特點決定了礦山設(shè)計的重要性和復(fù)雜性,目前工程技術(shù)人員在進行礦山設(shè)計和評價時,都是采用AutoCAD繪制二維圖紙,CAD技術(shù)與傳統(tǒng)的人工設(shè)計和繪圖相比具有效率高,繪圖方便,迅速地編輯、修改,成圖質(zhì)量好等優(yōu)點。但用二維圖形表示三維的地質(zhì)現(xiàn)象和復(fù)雜的井筒巷道的分布,很不直觀,圖紙繁多。而且,實際中設(shè)計圖紙所反映的是礦山的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系,這個空間構(gòu)造關(guān)系需要完全憑借設(shè)計者去想象,但設(shè)計者很難在腦海里形成一個完整的礦山,設(shè)計方案一旦有誤,或者不是最優(yōu),其經(jīng)濟損失將是無法挽回的。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以即時生成礦床及開采、掘進、運輸、通風(fēng)等系統(tǒng)的三維虛擬模型,并且這些模型可以與設(shè)計者實現(xiàn)實時交互,操作者可以進入該交互環(huán)境中,判斷并校驗設(shè)計的結(jié)果,對于不令人滿意的地方或設(shè)計不合理的地方,可即時調(diào)整參數(shù)和進行修改并馬上在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)[4]。在對不合理的設(shè)計進行整改之后,可據(jù)此制定合理的開采規(guī)劃,合理布置巷道、運輸路線、通風(fēng)網(wǎng)路等,以達到令人滿意的程度。在設(shè)計中所獲得的數(shù)據(jù)可通過傳感器或測量、探測獲得的,通過VR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時傳送功能傳遞到系統(tǒng)中后,便可用來開展礦山設(shè)計。另外還可根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)模擬礦床分布,進行礦井設(shè)計。這些數(shù)據(jù)可以建成DT M實體模型,也可以以其他形式存儲并顯示。對于露天開采,該系統(tǒng)還能根據(jù)對環(huán)境狀況的測定,合理圈定露天開采范圍。

圖 1 AutoCAD礦山設(shè)計制圖與VR礦山設(shè)計比較圖

對比AutoCAD礦山設(shè)計制圖與VR礦山設(shè)計流程,如圖 1所示?？梢娺\用VR礦山設(shè)計,除具有直觀易懂的優(yōu)點外,還具有流程簡易,便于修改,減少浪費等優(yōu)點。而且,在基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山開采方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行礦山安全專篇設(shè)計和安全預(yù)評價,可將開采設(shè)施設(shè)備、安全設(shè)施設(shè)備等系統(tǒng)直觀的反映在一個三維立體圖中顯示,減少遺漏和錯誤,能避免繁瑣的圖紙,降低礦山企業(yè)技術(shù)人員的工作量,并方便礦山企業(yè)管理人員系統(tǒng)直觀的進行綜合生產(chǎn)管理,還可以在以后的生產(chǎn)中,實時交互校正。

5 展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦山設(shè)計中的應(yīng)用是礦山設(shè)計和評價的必然趨勢,具有重大的社會價值和經(jīng)濟價值,其直觀、形象、易懂等優(yōu)點,都是傳統(tǒng)方法不可比擬的。但要將虛擬現(xiàn)實技術(shù)真正應(yīng)用于礦山設(shè)計中,還需要重點研究礦山三維模型的真實性、互動性,以及三維硬件系統(tǒng)方面的技術(shù)支持等。

REFERENCES

[1] 張建桃,伏永明.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦業(yè)規(guī)劃與設(shè)計[J].計算機時代,2005,3.

[2] 張金釗,張金銳,張金鏑,等.VRML編程實訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[3] 顧海霞,萬瑋.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電腦知識與技術(shù),2008,6.

[4] 鹿浩,羅周全,楊彪.等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在礦業(yè)中的應(yīng)用[J].中國鎢業(yè),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

貴州大學(xué)自然科學(xué)青年科研基金項目

代張音(1981-),女,土家族,貴州銅仁人,碩士,貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院講師,主要從事礦山安全生產(chǎn)技術(shù)方面的科研與教學(xué)工作。Email:490945568@qq.com