虚拟现实技术在矿井通风系统中的应用

虚拟现实技术在矿井通风系统中的应用

丁浩1张清涛2

1滨州学院山东滨州256600；2滨州市安全评价中心山东滨州256600

摘要：利用虚拟现实技术实现矿井通风管理、通风网络解算以及巷道三维显示与维护。实现可控性和矿井通风可视化，结合地下人防通风控制因素的复杂变化，对气流的法律特征的综合分析，奠定了基础，准确有效地反映井下通风系统及其相关的功能，为矿井通风安全提供辅助决策功能。

关键词：虚拟现实；矿井通风；网络解算

1前言

通风系统是矿井生产的重要组成部分，影响矿井通风系统的诸多因素，具有制约性和随机性，为了保证通风系统的正常运行，必须科学地设计和管理。目前矿井通风普遍存在着工作量大、作业成本高、反馈滞后、通风系统的精度和效率低等问题，实现了矿井通风系统的局部和整体可控性和数据可视化的难度。虚拟现实技术的应用可以解决上述问题，依靠现代科学技术和系统工程的理论与方法，涉及到利用计算机科学与技术的高科技手段，建立三维虚拟场景科学。该系统用于分发巷道数据生成通风网络。用户可以调整（添加或删除，改变形状等）通风设施（窗口，门，空气桥等）或设备（风扇）参数，以实际显示矿井通风系统的变化，以提供参考调整或创新的决策者。

2系统的总体结构

近年来，VR系统开发的软硬件开发非常快，基于OpenGL开发包，如Open等发明，极大的促进了VR系统的开发。考虑到动态建模和虚拟现实的特点，将两者有机地结合起来，实现界面友好，易于修改模型参数并直接显示数据，软件具有高度模块化和可扩展性，具有良好的开放性。为了实现这一目标，该系统采用基于组件的软件开发模型，组件只通过接口交互，使用客户机/服务器模型。该接口分为2种类型：调用接口和接口。组件动态存在于系统中，提供彼此之间的控制和状态消息。根据动态设计的特点，将系统分为事务控制、虚拟环境建模、求解、漫游和交互虚拟环境。

控制部件是整个系统的控制中心，是基于计算转向，记录状态参数和每个模块的操作，控制与其他模块，如悬浮，启动和控制模块的通信。核心部件是一个状态自动机，它是一个有限状态自动机，在交互服务传递到事件的驱动中，从系统状态空间的一个节点到状态空间中的另一个节点，过程自动机状态的转换也是系统运行。每个模块运行到某个阶段向事务报告其运行状态控制模块，当组件提供给服务的其他组件时，组件事务控制组件负责定位服务，并发送请求。

3虚拟环境建模

3.1巷道建模

根据图像和几何模型的特点，采用图像建模的方法对巷道进行建模。巷道模型应基于煤矿图、巷道、巷道照片数字化建模，以显示整个巷道。虚拟环境下的隧道模型主要包括隧道信息数据的获取和预处理。为了建立一个真实的隧道模型，模型的位置和范围应根据系统仿真的要求确定。用户可以对具有不同角度和角度的隧道模型进行实时动态观察，也可以直接进入巷道。

要创建一个基于图像的虚拟现实环境，通常包括：全景模型选择；图像投影和变形，拼接，全景创建和实时浏览等。由于图像本身包含了丰富的场景信息，因此很容易得到一幅逼真的场景模型。基于图像的绘制是一种实时生成逼真的计算机图形的新方法，它可以提供逼真的场景和动画，而无需使用几何模型。

3.2设备建模

用于几何造型设备，外形接近矩形的建筑物和设备，可以使用的建筑和照片的纹理贴在矩形造型简单的外表面的外立面设备现有的图像，这有助于减少场景模型的总规模，但是效果并不真实三维模型为好。建模的方法是：根据设备的基本结构特征的几何形状，如窗口选择框，选择液压缸液压支柱；基本几何点详细的处理，边界和表面；根据材料表面的设备设置的实际情况。需要注意的是，为了减少实体的数量，在点、线、面上的详细变化，我们应该删除22的实体叠加在相对较小的面上。

构建设备模型加入场景也需要把它放在正确的位置，有时也需要改变它的方向，相对大小的过程可以参照实际场景的工程图纸。在场景编辑器中，此功能可以由鼠标模型直接选择，在场景中通过拖放，拉伸和旋转模型实现包围盒。此外，模型的表面也可以改变，场景编辑器有一个材质库，提供500多种常用材料，用户还可以定义新材质。

3.3虚拟人建模

在虚拟环境中，用户可以将虚拟人（用户头像）这个特殊的虚拟实体形成虚拟场景，用户与虚拟场景的交互是由其他虚拟人和虚拟实体在场景之间的数据交换中完成的。虚拟人体独立运动单元的铰链结构和关节运动由单元描述，20个不同的曲面和三角形描述了复杂的关节和2个自由度和手驱动的面部表情和嘴唇的11个表面。基于虚拟人的计算复杂度和实时性，采用三角形描述独立运动单元。

在虚拟环境中，学员通过操纵杆控制虚拟人的方向和速度。对于虚拟人的手势，如站立，跪和躺着可以使用操纵杆按钮。学员可以决定去哪里，进入隧道，并执行组分配。如果把摇杆和语音识别结合起来，这个动作可以用来控制这些假冒人的声音，可以产生更逼真的效果。受训人员戴着一个位置传感器的数据夹，它由一系列传感器连接在受训人员的肢体上，用来输出手臂的位置和上半身的方向。腰部位置也可以由传感器组件计算。学员可以沉浸在虚拟环境中的头盔，传感器数据的输出是用来计算的头部位置。在笛卡尔坐标系中，眼睛位置可以根据虚拟环境中虚拟人的位置来计算。

4通风系统仿真

目前，求解最常用的交叉迭代法。的风量平衡定律的浪漫主义运动，压力平衡法和电阻法的基础上，利用高斯-塞德尔迭代法求解连续循环修正量直到其值不大于一个给定日期的准确性，从而得到方程的近似解，通过求解气流可。然而，矿井通风通风参数较多，采用迭代法很费时。通常的通风网络的解决方案是分开的一段时间，由于通风系统是一个动态的系统，动态变化的结果不能真正反映实际。为了提高矿井通风网络的计算质量和管理速度，可以采用基于多Agent系统的通风仿真系统，该系统能够计算。在通风系统中，某一地点风量的变化会影响到其他地方的空气量，甚至会发生方向反转。但在大多数实际情况下，体积变化只对巷道附近的空气有很大影响，只要新的通风方案能满足巷道附近最接近通风的要求，该方案是可行的。因此，本文提出了一种新的投票策略，被称为代理，它可以满足大多数代理。基于多Agent系统的矿井通风仿真系统可以模拟预期通风方案，并与已有方案进行比较，验证新方案是否符合要求，或优于原有方案。实际通风系统的主要组成部分是：通风网络，包括隧道结构和隧道的风阻系数；通风设备，包括风扇，窗户，门等。在仿真系统中，Agent可以分为四类：Agent、Agent、Agent和Agent。Agent决定哪些事件来应对和如何应对，Agent不断学习和适应环境，不断发展和提高自己的能力。根据历史数据，设备代理商通过神经网络的训练和学习，在不同时期获得相应的风量，决定选择新的方案。

结束语：

虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性，它在矿井通风领域具有良好的发展前景，可让决策者提前看到决策的仿真结果，肯定设计中的成功之处，改正设计中的缺点，避免设计的不合理造成巨大的损失。

参考文献：

[1]王利雪.小屯矿新风井贯通及误差分析[J].煤炭与化工.2017(02)

[2]刘亮峰.矿井通风系统的优化设计[J].内蒙古煤炭经济.2017(Z2)

[3]徐凯.某矿井通风系统现状分析[J].内蒙古煤炭经济.2017(Z2)

注：国家级大学生创新创业训练计划项目资助