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1、计算机仿真技术 一 初级仿真 二 虚拟现实技术 1 虚拟现实技术起源 2 虚拟现实技术特征 3 虚拟现实技术种类 4 虚拟现实技术应用 5 虚拟现实技术在煤矿中的应用 6 虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用 7 虚拟现实技术在煤矿应用中的不足 一 初级仿真 1 理论再现 根据现有的理论公式或理论基础对事物运动变化的实质进 行简化，突出某些方面因素的作用。并通过计算机技术将这些 现象表现出来达到视觉效果。 2 理论+实际抽象 采用目前已经形成的一些计算软件，通过对实体间的力学联 系来对一些采矿现象进行仿真模拟。 l离散元模拟程序UDEC煤层开 采过程中水平为一变化情况 l有限元模 拟软件 FLA
2、C模 拟切眼支 护 RFPA 分析 煤层开采覆 岩运动情况 二 虚拟现实技术 1 虚拟现实技术起源及特征 虚拟现实技术的起源可追溯到1965年IvanSutherland在IEIP 会议上所作的题“The Ultimate Display”的报告，他指出:人们可 以把显示屏当作一个窗户来观察一虚拟世界，其挑战性就在于 窗口中的图像必须看起来真实，而且其中物体的行为也很真。 1989年美国VPL Research公司的Jaron Lanier提出 虚拟现实(Virtual Reality，VR)，又称为虚拟环境 (Viriua1 Environment，VE) 二 虚拟现实技术 2 虚拟现实技术
3、特征 虚拟现实涉及计算机图形学、图象处理、多媒体技术、人 机交互、传感器技术、人工智能、仿真技术、并行实时计算 技术、人体工程学、及心理学等多门学科， 其目的是以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对 象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感 知行为的逼真体验中，使参与者可以直接参与和探索虚拟对 象在所处环境中的作用和变化产生沉浸感。 VR的3个特征（1）沉浸感；（2）交互性；（3）构想性 二 虚拟现实技术 3 虚拟现实技术种类 （1）桌面虚拟现实 （2）沉浸式虚拟现实 （3）增强现实技术 二 虚拟现实技术 4 虚拟现实技术的应用 20世纪80年代中后期，虚拟现实技术己经开始走出实
4、验室， 进入实际的应阶段，并在军事、航天航空、医疗等领域发挥了 重要的作用。 (l)医疗中的应用 虚拟解剖训练系统、外科手术模拟系统、遥控手术手功能诊 断、虚拟训练机、轮椅虚拟现实系统等。 (2)娱乐、艺术和教育上的应用 采用头盔显示器的娱乐系统 、虚拟演员，虚拟博物馆，虚拟 音乐等。 二 虚拟现实技术 (3)军事与航空航天领域的应用 坦克训练网络SIMNET、虚拟毒刺导弹训练系统、反潜艇作战 系统ASW等，以及在航空航天上的NASA虚拟现实训练系统、EVA 训练系统及虚拟座舱等系统。 (4)商业中的应用 证券交易可视化系统 、灯饰可视化系统 (5)自动控制与制造业领域的应用 处于早期的研究和
5、开发阶段，主要的有机器人辅助设计、脱 机编程仿真机器人、远程操作等。 二 虚拟现实技术 5 虚拟现实在煤矿领域的应用 与这些领域相比，煤炭企由于资金等条件的限制，虚拟现 实技术应用研究显得比较滞后，一直没有能够得到人们重视。 直到20世纪90年代后期，随着煤炭行业信息化进程的日益加快 ，国内外的研究人员才逐渐认识到虚拟现实技术应用于煤炭行 业的重要性，并在理论和实际应用方面做了探索性的研究。主 要体现在： (l) 矿井规划、设计与辅助决策 该虚拟煤矿模型将深度转换的3D地震反射表面，与透明显示的 煤层底板(矿井模型)、钻孔资料、工作面和断层情况充分集成， 表达了地质结构与地层的断裂情况，用户在
6、沿着主坐标轴移动时 地震情况能自动显示在界面上。 二 虚拟现实技术 (2)井下作业模拟与设备操作训练 VR创造出的矿山生产环境具有逼真、交互的特点，可 以模拟采矿作业过程和空间环境，适于井下作业模拟与 虚拟培训。 可用于工作场所与设备空间的布局 规划，且满足于现场操作人员的技 术培训工作。 系统提供了灵活的用户界面，可以设定设备型号及数量、作业参 数，也可选择煤柱尺寸、回采巷道的数量和几何参数等，而且可 动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。还可以通过对 不同型号设备、不同开采参数下的生产系统进行动态模拟，从而 达到优化生产系统的目的 二 虚拟现实技术 (3)井下环境风险评估 风险评估目
7、前已成为现代矿山生产管理的重要工作，其 主要内容是评价人员对生产过程安全状况的辨识。然而，识 别井下复杂环境下的所有因素是困难的，常常会影响到风险 分析的结果，甚至可能导致人为的失误，造成灾难性后果。 虚拟现实技术的发展为风险评价提供了有效的手段。在计算 机生成的虚拟环境中，可以交互式地对作业空间进行多角度 观测，实现对生产过程更加科学的评估。 矿工的上衣颜色作 为风险标度 显示了虚拟环境 的风险状态 显示了虚拟环境 的风险状态 二 虚拟现实技术 (4)事故调查与分析 在计算机里再现事故发生的过程，事故调查者可以从各 种角度去观测、析事故发生的经过，找出事故发生的原因 ，包括系统设计原因和现场
8、人员的动作行为；同时可以通 过交互式地改变VR环境中模型的参数或状态，找到如何避 免类似事故发生的途径，制定相关预防措施。 二 虚拟现实技术 (5)安全监察与危险识别 通过基于VR的安全监察与危险识别训练系统，训练者在 VR生成的虚拟作业现场导航，对各种动态目标和静态对象进 行观察，以识别潜在的危险、风险和行为;一经发现危险源 ，使用者必须回答一系列相关问题，选择出正确的危险处理 方法，实现训练目标。 诺丁汉大学开发的SAEF-VR系统是虚拟现实在安全监察 与危险识别中的典型应用之一。 参加训练者可以在虚拟场 景中按顶板支护规程监察顶 板的状态，发现潜在的危险 ，如不正确安装的螺栓、不 正确的
9、支架间距、渗水等。 参训者可在不同操作状 态下对设备的各个部分和 环境进行多种情形下的检 验。当参加培训者进入不 正确的位置或进行不正确 操作时，危险就会发生 二 虚拟现实技术 (6)矿井火灾、瓦斯等事故仿真 通过模拟真实的矿井作业环境，并结合通风网络分析和 CFD模拟的结果，可以逼真地展示出火灾或爆炸发生的动态 过程除了模拟烟火弥漫状况外，还可通过人机交互作用显示 出人为因素，如反风、灭火措施等对整个通风网络的影响。 在矿井的某些位置，可以对火灾或爆炸进行模拟，并随 之产生有关环境参数的各种变化。 巷道火灾 跑车事故 二 虚拟现实技术 6 在矿山安全培训方面 VRCoal主要用于采煤机的操作
10、培训。可构建较真实的 采煤环境，为用户提供了采煤机、梭式矿车、采煤工作面 、煤层、煤层顶底板的三维模型;另外，可为用户提供了 声音效果，这些声音是在真实的采矿环境中录制的，并进 行了混音处理。可使用户按照真的操作面板对采煤机进行 虚拟控制，如采煤机的前进、后退、对齐煤层、装车等。 当采煤机遇到不同岩性的岩石时，采煤速度会自动改变， 如遇到焦变煤时会加速，遇到岩石时会减速等。VRCoal可 以保存学员的培训日志，供教员在评估培训效果时参考， 以决定该员是否达到培训要求。 二 虚拟现实技术 SafeVR是英国诺丁汉大学AIMS研究所的研究人员开发的 安全培训VR软件包。可训练学员正确判断险情并作相
11、应的处 理。用户可以让学员指出一种险情并选择最佳的解决方案。 用户可以定义自己列表并创建一种险情。用户还可为每一类 对象关联声音，声音是根据情的存在与否而定的(如管道泄 露时会发出“世噬”的响声)。 使用键盘，鼠标，或者操纵杆操作，可用鼠标或触摸屏 来排查险情。系统提供培训课程的全面总结。学员可以看到 所有他所遗漏的险情，并可以让程序给出它们的位置。对于 每一个险情，都有附加的文件与其相关联。当学员要求得到 任险情的其它信息时，不同的多媒体文件(声音、录像、文 本等)，甚至其它的应用程序，能够自动地显示或打开。 二 虚拟现实技术 VROOM是AIMS的研究人员开发的另一个软件，主要用于矿 山机
12、械设备的操作培训方面，如采掘机的使用，拖车的实时 驾驶等。包含大量的虚拟矿山模型，如矿山表面纹理、卡车 、托运线路、钻机、推土机、索斗铲、维修车、矿山工人等 ，以便完成虚拟环境的创建。 VROOM具有如下功能:可以导入数字高程模型或者地表和 地下矿坑的线框模型用真实的地表纹理选择性地绘制地表 ;从三维对象库中添加植被或矿山地形;导入或者数字化 道路，并可添加活动物体，如拖车、推土机等;设置交通工 具的属性;为固定的视点位置设定坐标。完成了虚拟环境建 模，用户便可进入虚拟环境，在地表或地下飞行、行走或者 驾驶车辆。用户可以使用键、鼠标或者操纵杆来操纵方向， 在与其它车辆相遇时，还会有逼真的声音效果。 二 虚拟现实技术 7 虚拟技术在煤矿中应用的不足 （1）目前国内外煤矿VR系统中，着重于虚拟环境图形信息 的几何表达，基本未着重考虑虚拟环境的智能性问题； （2）大多数场景中的物体是静态的、被动的、无生命的， 还缺少对井下作业人员、运输车辆等高级实体的行为建模与 研究，不能表现高级实体在环境中的行为方式及其与虚拟环 境的交互作用; （3）缺少对井下物理环境的逼真表达与模拟方法，或者使 用了过于简单的自然环境模型，造成虚拟环境与真实世界有 较大差异，严重制约了VR系统的应用价值。