【導(dǎo)讀】螈裊羈薄蚄襖肀莇薀羃膂薃蒅芅蒞螄羄膈螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂罿羈蒂蒈羈肁芅螇羇膃蒀蚃肆芅芃蕿肆羅葿蒅肅肇芁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁蠆膄莈蕆蚈芆薃螆螇羆莆螞螆肈薂薈螅膁蒞薄螄莃膇袂螄肅蒃螈螃膅芆蚄螂芇蒁薀螁羇芄蒆袀聿葿螅衿膁節(jié)蟻袈莄蒈蚇袈肅芁薃袇膆薆葿袆羋荿螈裊羈薄蚄襖肀莇薀羃膂薃蒅芅蒞螄羄膈螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂罿羈蒂蒈羈肁芅螇羇膃蒀蚃肆芅芃蕿肆羅葿蒅肅肇芁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁蠆膄莈蕆蚈芆薃螆螇羆莆螞螆肈薂薈螅膁蒞薄螄莃膇袂螄肅蒃螈螃膅芆蚄螂芇蒁薀螁羇芄蒆袀聿葿螅衿膁節(jié)蟻袈莄蒈蚇袈肅芁薃袇膆薆葿袆羋荿螈裊羈薄蚄襖肀莇薀羃膂薃蒅芅蒞螄羄膈螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂罿羈蒂蒈羈肁芅螇羇膃蒀蚃肆芅芃蕿肆羅葿蒅肅肇芁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁蠆膄莈蕆蚈芆薃螆螇羆莆螞螆肈薂薈螅膁蒞薄螄莃膇袂螄肅蒃螈螃膅芆蚄螂芇蒁薀螁羇芄蒆袀聿葿螅衿膁節(jié)蟻袈莄蒈蚇袈肅芁薃袇膆薆葿袆羋荿螈裊羈薄蚄襖肀莇薀羃膂薃蒅芅蒞螄羄膈螀羈膇蒄

　　

【正文】 學(xué)生實(shí)習(xí)，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)，還要對(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)，并從中學(xué)會(huì)如何采取有效的應(yīng)急措施去處理各種險(xiǎn)情，以提高人員素質(zhì)，排除事故隱患。而且由于 “虛擬環(huán)境 ”所具有的交互性，礦工能很快的掌握書面資料。 . 先進(jìn)的安全管理方式 安全方面的應(yīng)用 礦井火災(zāi)的瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主 要災(zāi)害。礦井火災(zāi)災(zāi)害的的 VR 系統(tǒng)，首先要解決兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)： 一個(gè)是災(zāi)害的數(shù)值模擬，另一個(gè)是災(zāi)害現(xiàn)象的真實(shí)描述。其中第二個(gè)問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于第一個(gè)問題的計(jì)算結(jié)果，逼真的展示出火災(zāi)或爆炸發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程與發(fā)展趨勢(shì)。第一個(gè)問題是用數(shù)值模擬方法將礦井火災(zāi)時(shí)期溫度度及煙流場(chǎng)分布情況表現(xiàn)出來(lái)。如何將火災(zāi)時(shí)期火災(zāi)現(xiàn)象及煙流流動(dòng)形態(tài)用可視化的方式表現(xiàn)出來(lái)是礦 19 井火災(zāi)災(zāi)害 VR 系統(tǒng)的基礎(chǔ) ，既是系統(tǒng)特點(diǎn)也是系統(tǒng)難點(diǎn)。 也可以用于模擬火災(zāi)周邊環(huán)境的虛擬表現(xiàn)。進(jìn)行該方面的應(yīng)用時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)程序可以模擬起火部位附近的巷道場(chǎng)景，突出其中與滅火相關(guān)的信息（如防爆水袋等），以便幫助滅火人員了解消防設(shè)施的位置，以及起火巷道附近布局及巷道特征，以便幫助迅速確定滅火和營(yíng)救方案。 實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的主要需求是建立巷道和消防設(shè)施的三維模型，另外，還需要使用程序具備沿一定路線漫游的功能，以便可以在近距離內(nèi)觀察信息。 . 礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì) 礦井工業(yè)廣場(chǎng)的合理布局是礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容，是礦區(qū)設(shè) 施規(guī)劃與設(shè)計(jì)的結(jié)果的外在體現(xiàn)，礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì)是為新建，擴(kuò)建或改建礦山的生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)，綜合考慮相關(guān)因素進(jìn)行分析，構(gòu)思，規(guī)劃，論證和設(shè)計(jì)，作出全面安排，使系統(tǒng)中的人力，財(cái)力，物力和人流，物流，信息流得到最合理，最經(jīng)濟(jì)，最有效的配置和安排，使系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行，以最少的投入獲得最大的利益，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。對(duì)于礦業(yè)生產(chǎn)而言，礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要而又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，既關(guān)系到企業(yè)各種資源能否得到合理利用，企業(yè)的整體形象以及與環(huán)境的適應(yīng)性，又關(guān)系到企業(yè)末來(lái)的發(fā)展前景。因此，必須科學(xué)，合理地進(jìn)行礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì) 。 礦井工業(yè)廣場(chǎng)的可控可視化研究有兩個(gè)重要目的：協(xié)助決策者對(duì)礦區(qū)設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行選擇，對(duì)比；輔助工業(yè)工程專業(yè)的教學(xué)工作。 . 在采礦設(shè)備研制中的應(yīng)用 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。礦井設(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。按照常規(guī)，一臺(tái)新設(shè)備的研制一般要經(jīng)過設(shè)計(jì)，樣機(jī)試制，井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)，定型和批量生產(chǎn)這么一個(gè)過程，研制周期長(zhǎng)，需耗費(fèi)大量的資金和人力。而且由于井下工作 環(huán)境惡劣，采礦設(shè)備尤其是大型設(shè)備的井下實(shí)驗(yàn)非常困難，這在某種程度上阻礙了采礦設(shè)備的研制發(fā)展。而應(yīng)用 VR 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中借助多種交互手段，直接觀察設(shè)備的井下運(yùn)行情況，并針對(duì)實(shí)際情況實(shí)時(shí)修改設(shè)計(jì)，從而大大縮短設(shè)備的研制周期，節(jié)省了研制費(fèi)用。 VR 在礦山施工工藝研究主要著眼于對(duì)一些采礦作業(yè)進(jìn)行模擬，即通過桌 20 面 VR 軟件生成一系列虛擬作業(yè)場(chǎng)景。例如：模擬露天礦中挖掘機(jī)裝 載，車輛卸載到卸料點(diǎn)的過程。車輛行駛過來(lái)，由挖掘機(jī)裝載后，行駛到卸料點(diǎn)卸料點(diǎn)卸料，如果已有車輛裝載或卸業(yè)則其它車輛排隊(duì)。所有這些都是實(shí)時(shí)進(jìn)行的。工程師們可以 “親臨現(xiàn)場(chǎng) ”駕駛汽車，坐上挖掘機(jī)調(diào)整車輛的運(yùn)行速度，裝載面的裝載速度及裝載的循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，確定最優(yōu)施工工藝。 . 可進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是評(píng)價(jià)人員對(duì)評(píng)價(jià)的生產(chǎn)過程進(jìn)行識(shí)別，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已成為現(xiàn)代礦山生產(chǎn)管理的重要組成部分，但由于識(shí)別復(fù)雜情形下的所有因素是困難的，這必然影響到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果?？梢暬?VR 技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供 了一種新的更有效的手段，應(yīng)用計(jì)算機(jī)生成某一工程作業(yè)的虛擬環(huán)境，它可以交互的方式從任何點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。不僅由計(jì)算機(jī)代替評(píng)價(jià)員的大部分識(shí)別工作，而且由于構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)模型考慮了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的三維性質(zhì)，模型環(huán)境中的人及設(shè)備行為，模型環(huán)境中等人及設(shè)備的位置及運(yùn)動(dòng)等因素，能夠給出一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)值，從而提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的效果。 . 在礦山設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用 把可視化 VR 技術(shù)用于礦山系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以生成礦山 VR 設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它可以即時(shí)生成礦山工程師們?cè)O(shè)計(jì)的開拓，運(yùn)輸，通風(fēng)壓供排等大系統(tǒng)的三維虛擬模型，并且這些模型可以與設(shè)計(jì)者們實(shí)現(xiàn)自然交第。 VR 在礦山管理中的應(yīng)用主要首眼于生產(chǎn)高度，安全環(huán)保，設(shè)備得理等方面它主要利用 VR的實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)生成場(chǎng)景的能力， VR 生成的場(chǎng)景可在總控室里演播，領(lǐng)導(dǎo)可實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)進(jìn)度，礦山規(guī)劃等進(jìn)行評(píng)估決策。 另外，由于礦產(chǎn)資源的不可再生性，采礦業(yè)的發(fā)展必將是向深學(xué)問開采，甚至到海洋和太空越來(lái)越復(fù)雜特殊的環(huán)境中去開采。 VR 技術(shù)的因有特性使得它可以為上述條件下進(jìn)行先期的，指導(dǎo)性的研究工作。其具體過程是先經(jīng)過地質(zhì)勘控獲取必要的開采資料，利用 VR 建立相應(yīng)的虛擬采礦環(huán)境，采礦工程師可在此環(huán)境中進(jìn)行交互式 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出適合特殊環(huán)境的采礦方法并確定相應(yīng)的開采參數(shù)，之后可通過對(duì)采礦作業(yè)的虛擬確定施工工藝參數(shù)，并且可培訓(xùn)員工適應(yīng)這種工作方式，用此方式可以避免在物殊環(huán)境中開采的盲目性。 . 工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 21 工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，其破壞特征和極限承載力是人們所關(guān)心的。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷及材料特性復(fù)雜時(shí)，人們往往求助于模型試驗(yàn)來(lái)沒定其受力性能，但模型試驗(yàn)往往受到場(chǎng)地和設(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗(yàn)，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。若用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的實(shí)驗(yàn)，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如建筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車高速碰撞的檢驗(yàn)試驗(yàn)等只有采用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，分析才能大量進(jìn)行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)很快，人們?cè)谡鎸?shí)試驗(yàn)中只能觀察到最終結(jié)果，而不能觀察試驗(yàn)的全過程。如果采用計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，則可觀察其破壞的全過程，便于機(jī)理的研究。對(duì)于長(zhǎng)期的改變過程則可在 模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。在運(yùn)用傳統(tǒng)的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式描繪出來(lái)，給人以直觀的印象。利用仿真虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點(diǎn)去觀察。還可以利用 VR 的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，以便對(duì)各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念易于理解。 . 在巖土工程中的應(yīng)用 巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可把內(nèi)部過程 展現(xiàn)出來(lái)，有很大實(shí)用價(jià)值。例如，地下工程開挖經(jīng)常會(huì)塌方冒頂。根據(jù)地質(zhì)勘罕，我們可以知道斷層，裂隙和節(jié)理的走向密度，通過小型試驗(yàn)，可以確定巖體本身的力學(xué)性能及巖體夾層界面的圖學(xué)特性，強(qiáng)度條件，并存入計(jì)算機(jī)中，在數(shù)值模型中，除了有限元方法外，還可利用分離單元，分離單元在平衡狀態(tài)下的性能與有限元相仿，而當(dāng)它失去平衡時(shí)，則在外力和重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定時(shí)，可以把節(jié)理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來(lái)，最終可以看到塌方的區(qū)域及范圍，這就為 支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。 . 救災(zāi)指揮決策 發(fā)生事故時(shí)，救災(zāi)指揮一方面需要準(zhǔn)確掌握事故現(xiàn)場(chǎng)的情況，另一方面要了解事故可能的發(fā)展趨勢(shì)。這對(duì)于煤礦事故的處理， VR 技術(shù)顯得尤為重要。對(duì)于礦井火災(zāi)爆炸之類的事故，由于這類災(zāi)害具有突發(fā)性，破壞性，災(zāi)難性，繼發(fā)性等點(diǎn)，常 22 使救災(zāi)指揮人員在重大事故的沖擊下難以冷靜，快速的做出正確的救災(zāi)決策，加之礦井生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜，救災(zāi)時(shí) 間緊迫，尤其是火情瞬息萬(wàn)變，即使具有豐富救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)的指揮人員，也難以在緊急時(shí)刻做出正確而全面的救災(zāi)決策，以致貽誤戰(zhàn)機(jī)造成災(zāi)害事故的擴(kuò)大。通過建立全礦井虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，我們不僅可以清楚地了解事故發(fā)生所在地的詳細(xì)情況，還可以通過VR 所模擬結(jié)果，直觀的了解事故發(fā)生，發(fā)展的趨勢(shì)，煙流在種巷道中的分布狀況等，為救災(zāi)指揮決策提供切實(shí)可行的依據(jù)。 . 實(shí)地運(yùn)行管理 VR 在礦山管理的應(yīng)用主要著眼于生成調(diào)度，安全環(huán)保，設(shè)備管理等方面，而礦山管理的其它方面則可由普通的管理系統(tǒng)來(lái)完成。實(shí)現(xiàn)上述幾個(gè)方面的功能主要利用 VR 的實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)生成場(chǎng)景的能力，它所需要的數(shù)據(jù)可由相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)提供并由礦山局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送。 VR 生成的場(chǎng)景可在總控室里演播，領(lǐng)導(dǎo)們可實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)進(jìn)度，礦山規(guī)劃進(jìn)行評(píng)估決策。 運(yùn)用這種對(duì)虛擬礦井總體結(jié)構(gòu)研究的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)礦井的虛擬?，F(xiàn)取生產(chǎn)礦井中已經(jīng)生成的虛擬部分加以說明（如下圖所示）。工人可以在巷道中隨意地行走，觀察巷道中的各個(gè)角落。割煤、推溜、移架、運(yùn)煤整個(gè)動(dòng)作過程已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)的效果。 虛擬采煤工作面 虛擬運(yùn)輸 順槽 23 6. 數(shù)字化采礦系統(tǒng) DMVR . 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 虛擬數(shù)字化采礦系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)構(gòu)成，硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 建模工作系統(tǒng) 數(shù)字化采礦系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)字化采礦系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由：立體投影系統(tǒng)、數(shù)字化顯示系統(tǒng)、立體生成系統(tǒng)、立體眼鏡、實(shí)時(shí)操作模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套、 3D 鼠標(biāo)、數(shù)字建模系統(tǒng)等一系列傳感輔助設(shè)備構(gòu)