1 虛擬現實技術簡介

科學技術的發展促使人們為了適應未來信息社會的需要，必須提高人與信息社會的接口能力，提高人對信息的理解能力。人們不僅要求能通過打印輸出或顯示屏幕的窗口，在外部 去觀察信息處理的結果，而且還希望能通過人的視覺、聽覺、觸覺，以及形體、手勢或口令 參與到信息處理的環境中去，獲得身臨其境的體驗。這種信息處理方法已不再是建立在一個 單維的數字化的信息空間上，而是建立在一個多維化的信息空間，建立在一個定性和定量相 結合，感性認識和理性認識相結合的綜合集成環境。20世紀90年代初出現的虛擬現實技術將是支撐這個多維信息空間的關鍵技術。虛擬現實技術（VR）要把計算機從善于處理 數字化的單維信息改變為善于處理人所能感受到的、在思維過程中所接觸到的、除了數字化信息之外的其他各種表現形式的多維信息。

VP技術近年來在技術研究領域十分活躍，它匯集了計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術、高度并行的實時計算技術和人的行為學研究等多項關鍵 技術。虛擬現實是多媒體技術發展的更高境界，是這些技術高層次的集成和滲透。它給用戶 以更逼真的體驗，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 的運動變化規律，提供了極大的便利。目前，新興的虛擬現實技術已滲透到科學、技術、工程、醫學、文化、娛樂的各個領 域，引起許多行業的變革。例如在設計領域,人們已經可以在樓房或飛機的圖紙還未出來之 前,到樓房中巡視,到飛機中檢查設計是否合理；在醫學領域，它不僅已經在診斷、治療甚至 手術中發揮作用，而且已經使某些醫療培訓工作在虛擬環境中進行了，既不會對病人造成生 命危險，又可以重現高風險、低概率的手術病例，可供培訓對象反復練習;“上海虛擬未來 城市"模型展則向人們展示了未來大上海的神奇魅力。

2 虛擬現實技術在煤礦的應用

VR技術在煤礦的應用既屬于危險環境下的操作,也屬于CAD、教育和培訓的范疇。VR技術為煤 礦安全生產、優化設計和礦工技術培訓等提供了一種更為有效的手段。 

2.1　礦井開采模擬
由英國諾丁漢大學的人工智能及其礦業應用研究室（簡稱AIMS）開發研制的房柱式開采模擬VR -MINE系統可以對連續采煤機、頂板錨桿機、蓄電池機車和給料破碎機構成的生產 系統進行動態三維實時模擬,該系統不僅提供了靈活的用戶界面,既可以設定設備型號及數量 、作業參數,又可以選擇煤柱尺寸、回采巷道數量和幾何參數,而且可以通過全屏幕或多窗口 視圖的形式，動態顯示房柱式生產系統的平面圖或三維立體圖。該系統的主要特點在于它的 真 實性和人與系統的交互性。系統創造的這一三維環境與現實中的房柱式開采情況極為接近, 無論是采礦作業過程,還是工藝設備的運行都如同是現場拍攝的錄像。更有意義的是操作人 員可以與這一系統進行交互作用,他可以在任意時刻穿越任何空間進入系統模擬出的任何區 域,通過計算機屏幕顯示出所視空間的采礦作業情況，如：設備當前位置和運行狀況,設備運行的時間、產量、設備間的距離等動態信息。這種模擬超過以往以任何方法建立的模型所達到 的效果。應用VR-MINE系統可以通過對不同型號設備、不同開采參數下的生產系統進行動態 模擬,從而達到優化生產系統的目的。顯然,這類系統還可用于礦井開采計算機輔助設計、生 產監控、管理和技術培訓等方面。

2.2　煤礦人員技術培訓
在礦業領域可以借助VR系統虛擬井下各種復雜的作業環境，供采礦工程專業的學生實習 訓練，這樣既可以降低實習費用，又可縮短教學時間，讓更多的人接受高等教育，同時還可對井下工人進行上崗前的操作及安全教育培訓。如虛擬井下的各種工況及險情，使被訓練者 身臨其境地去體驗，并學會采取有效的應急措施去處理各種險情，以提高人員素質，消除事 故隱患。

諾丁漢大學ＡＩＭＳ研究室應用ＶＲ技術開發的房柱式開采模擬系統ＶＲ-ＭＩＮＥ、蓄電 池機車模型、露天礦單斗卡車工藝生產系統等可分別用于相應環境下工作人員的培訓。 如用于露天礦卡車司機及相關人員的培訓的露天礦卡車模擬器， 該模擬器除了采用一般的V R模擬系統硬件及軟件進行人機交互外,還可通過方向盤、加速器和剎車板控制屏幕上卡車的 運行，就如同駕駛真正的卡車一樣。當受訓者操作這些硬件時,面對的計算機屏幕或投影大 屏幕上呈現出一個三維的真實直觀的露天礦作業環境，包括聲音、甚至煙霧,如同駕駛著一 輛 真實的卡車運行在露天礦的礦坑內,無論是駕駛的卡車本身,還是環境中運行的其它設備,均 按照受訓者的操作或依據系統間的動態關系運行。比如,受訓者操作出錯時,同樣會造成撞車 或從臺階滾落下去的事故。顯然,這種培訓手段使人與環境結合起來,通過人機交互使受訓者 產生身臨其境的感覺并達到或超過以往其它培訓形式所能產生的效果。

2.3　 煤礦設備的虛擬設計和制造
VR技術用于大型設施、設備的設計和制造已有許多成功的實例。把虛擬現實技術用于 對煤礦新設備的設計方案進行可視化的性能評估，則更顯示出虛擬現實技術的優勢。由于井下場地狹窄，環境惡劣，因此對井下設備的設計、運行、維修都提出了很高的要求。煤礦設 備的虛擬設計和制造，其意義不僅僅是節約資源和時間，而是完成在地面或在常規條件下無 法進行的工作。例如采煤機虛擬設計中，設計人員不必等到樣機制造出來，再去修改其 中不太理想、不太合理的部分，因為VR系統可以容納他們“進入”電腦中的三維空間圖像， 借助多種交互手段直接對采煤機的設計進行觀察、討論和修改，從而大大縮短設備的研制周期，節省研制費用。

2.4　 應用ＶＲ技術進行礦井事故調查和研究
應用計算機繪圖和虛擬現實技術可以快速、有效地以一系列三維圖像在計算機屏幕上再現各 種事故發生的過程,事故調查者可以從各種角度去觀測、分析事故發生的過程,找出事故原因 , 包括系統設計和現場人員的動作行為。同時通過交互式地改變這一ＶＲ模型中環境的參數 或狀態,從而防止其它與此相關的潛在事故的出現。

礦井火災和瓦斯爆炸是井下工作人員所面臨的主要災害。計算機技術的高速發展使得在災變 條件下復雜通風網絡的快速解算成為可能,從而指導井下火災發生時正確地控制風流,確保井 下工作人員安全撤出,防止火災和有害氣體、煙塵等的蔓延。近幾年來,計算流體動力學 （簡稱ＣＦＤ）已廣泛用于工業火災、爆炸和煤礦火災,ＣＦＤ通過解算與火災和爆炸物相關 的數學模型,可以較準確地預測火區附近的溫度、火風壓及其燃燒產物的實時分布狀況。

ＡＩＭＳ的研究人員目前正致力于礦井火災ＶＲ系統的開發。該系統通過模擬某個 真實的礦井作業環境,并結合網絡分析和ＣＦＤ模擬的結果,可以逼真地展示出火災或爆炸發 生的動態過程。除了模擬火煙彌漫狀況外,該系統還可通過人機交互作用顯示出人為因素， 如 反風、滅火措施等對這整個通風網絡的影響。此類系統的開發,無疑可以廣泛地用于礦井火 災的防治、救災和人員培訓等方面。

3 結束語

盡管限于當前軟、硬件技術水平，VR系統目前還只能達到部分真實感的程度，但其前景誘人 ，已成為當今世界關注的熱點科技之一。 VR在煤礦的應用雖屬于起步階段，但此方面的研 究成果已顯示出VR在煤礦中應用的廣闊前景。隨著VR技術在礦業方面應用研究的進一步深入 ,其必將成為礦山優化設計、生產管理、危險性評價及礦工培訓等方面的重要手段。