1　 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介 　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使人們?yōu)榱诉m應(yīng)未來(lái)信息社會(huì)的需要，必須提高人與信息社會(huì)的接口能力，提高人對(duì)信息的理解能力。人們不僅要求能通過(guò)打印輸出或顯示屏幕的窗口，在外部 去觀察信息處理的結(jié)果，而且還希望能通過(guò)人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)，以及形體、手勢(shì)或口令 參與到信息處理的環(huán)境中去，獲得身臨其境的體驗(yàn)。這種信息處理方法已不再是建立在一個(gè) 單維的數(shù)字化的信息空間上，而是建立在一個(gè)多維化的信息空間，建立在一個(gè)定性和定量相 結(jié)合，感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相結(jié)合的綜合集成環(huán)境。20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是支撐這個(gè)多維信息空間的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）要把計(jì)算機(jī)從善于處理 數(shù)字化的單維信息改變?yōu)樯朴谔幚砣怂芨惺艿降?、在思維過(guò)程中所接觸到的、除了數(shù)字化信息之外的其他各種表現(xiàn)形式的多維信息。 　　VP技術(shù)近年來(lái)在技術(shù)研究領(lǐng)域十分活躍，它匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)和人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵 技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是多媒體技術(shù)發(fā)展的更高境界，是這些技術(shù)高層次的集成和滲透。它給用戶(hù) 以更逼真的體驗(yàn)，它為人們探索宏觀世界和微觀世界中由于種種原因不便于直接觀察的事物 的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，提供了極大的便利。目前，新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已滲透到科學(xué)、技術(shù)、工程、醫(yī)學(xué)、文化、娛樂(lè)的各個(gè)領(lǐng) 域，引起許多行業(yè)的變革。例如在設(shè)計(jì)領(lǐng)域,人們已經(jīng)可以在樓房或飛機(jī)的圖紙還未出來(lái)之 前,到樓房中巡視,到飛機(jī)中檢查設(shè)計(jì)是否合理；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它不僅已經(jīng)在診斷、治療甚至 手術(shù)中發(fā)揮作用，而且已經(jīng)使某些醫(yī)療培訓(xùn)工作在虛擬環(huán)境中進(jìn)行了，既不會(huì)對(duì)病人造成生 命危險(xiǎn)，又可以重現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)、低概率的手術(shù)病例，可供培訓(xùn)對(duì)象反復(fù)練習(xí);“上海虛擬未來(lái) 城市"模型展則向人們展示了未來(lái)大上海的神奇魅力。 　　2　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用 　　VR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。VR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。  　　2.1　礦井開(kāi)采模擬 　　由英國(guó)諾丁漢大學(xué)的人工智能及其礦業(yè)應(yīng)用研究室（簡(jiǎn)稱(chēng)AIMS）開(kāi)發(fā)研制的房柱式開(kāi)采模擬VR -MINE系統(tǒng)可以對(duì)連續(xù)采煤機(jī)、頂板錨桿機(jī)、蓄電池機(jī)車(chē)和給料破碎機(jī)構(gòu)成的生產(chǎn) 系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維實(shí)時(shí)模擬,該系統(tǒng)不僅提供了靈活的用戶(hù)界面,既可以設(shè)定設(shè)備型號(hào)及數(shù)量 、作業(yè)參數(shù),又可以選擇煤柱尺寸、回采巷道數(shù)量和幾何參數(shù),而且可以通過(guò)全屏幕或多窗口 視圖的形式，動(dòng)態(tài)顯示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于它的 真 實(shí)性和人與系統(tǒng)的交互性。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(kāi)采情況極為接近, 無(wú)論是采礦作業(yè)過(guò)程,還是工藝設(shè)備的運(yùn)行都如同是現(xiàn)場(chǎng)拍攝的錄像。更有意義的是操作人 員可以與這一系統(tǒng)進(jìn)行交互作用,他可以在任意時(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(guò)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(dòng)態(tài)信息。這種模擬超過(guò)以往以任何方法建立的模型所達(dá)到 的效果。應(yīng)用VR-MINE系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)不同型號(hào)設(shè)備、不同開(kāi)采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(lèi)系統(tǒng)還可用于礦井開(kāi)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。 　　2.2　煤礦人員技術(shù)培訓(xùn) 　　在礦業(yè)領(lǐng)域可以借助VR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(zhuān)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(duì)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(huì)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ＶＲ技術(shù)開(kāi)發(fā)的房柱式開(kāi)采模擬系統(tǒng)ＶＲ-ＭＩＮＥ、蓄電 池機(jī)車(chē)模型、露天礦單斗卡車(chē)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(chē)司機(jī)及相關(guān)人員的培訓(xùn)的露天礦卡車(chē)模擬器， 該模擬器除了采用一般的V R模擬系統(tǒng)硬件及軟件進(jìn)行人機(jī)交互外,還可通過(guò)方向盤(pán)、加速器和剎車(chē)板控制屏幕上卡車(chē)的 運(yùn)行，就如同駕駛真正的卡車(chē)一樣。當(dāng)受訓(xùn)者操作這些硬件時(shí),面對(duì)的計(jì)算機(jī)屏幕或投影大 屏幕上呈現(xiàn)出一個(gè)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(chē)運(yùn)行在露天礦的礦坑內(nèi),無(wú)論是駕駛的卡車(chē)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(dòng)態(tài)關(guān)系運(yùn)行。比如,受訓(xùn)者操作出錯(cuò)時(shí),同樣會(huì)造成撞車(chē) 或從臺(tái)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(lái),通過(guò)人機(jī)交互使受訓(xùn)者 產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)并達(dá)到或超過(guò)以往其它培訓(xùn)形式所能產(chǎn)生的效果。 　　2．3　 煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造 　　VR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(duì)煤礦新設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可視化的性能評(píng)估，則更顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。由于井下場(chǎng)地狹窄，環(huán)境惡劣，因此對(duì)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(wú) 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(lái)，再去修改其 中不太理想、不太合理的部分，因?yàn)閂R系統(tǒng)可以容納他們“進(jìn)入”電腦中的三維空間圖像， 借助多種交互手段直接對(duì)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。 　　2．4　 應(yīng)用ＶＲ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(guò)程,事故調(diào)查者可以從各種角度去觀測(cè)、分析事故發(fā)生的過(guò)程,找出事故原因 , 包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)人員的動(dòng)作行為。同時(shí)通過(guò)交互式地改變這一ＶＲ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(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。近幾年來(lái),計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （簡(jiǎn)稱(chēng)ＣＦＤ）已廣泛用于工業(yè)火災(zāi)、爆炸和煤礦火災(zāi),ＣＦＤ通過(guò)解算與火災(zāi)和爆炸物相關(guān) 的數(shù)學(xué)模型,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火區(qū)附近的溫度、火風(fēng)壓及其燃燒產(chǎn)物的實(shí)時(shí)分布狀況。 　?。粒桑停拥难芯咳藛T目前正致力于礦井火災(zāi)ＶＲ系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)通過(guò)模擬某個(gè) 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(dòng)態(tài)過(guò)程。除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統(tǒng)還可通過(guò)人機(jī)交互作用顯示出人為因素， 如 反風(fēng)、滅火措施等對(duì)這整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響。此類(lèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),無(wú)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。 　　3　結(jié)束語(yǔ) 　　盡管限于當(dāng)前軟、硬件技術(shù)水平，VR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。 VR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VR在煤礦中應(yīng)用的廣闊前景。隨著VR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(píng)價(jià)及礦工培訓(xùn)等方面的重要手段。 轉(zhuǎn)自：中國(guó)煤炭