虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體變化與相互作用的三維世界，并通過頭盔顯示器（HMD）、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供給用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可以直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化。它具有多煤體信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特點。
目前，在礦井通風(fēng)作業(yè)中普遍存在著一些有待解決的問題，例如：測量工作繁重、實際運作成本高、反饋信息數(shù)據(jù)存在著滯后性、通風(fēng)系統(tǒng)的效率及精確度低、實現(xiàn)系統(tǒng)局部或整體的可控性和可視化有一定困難等。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能很好地解決上述問題，依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)工程的方法理論，運用計算機(jī)科學(xué)技術(shù)中的相關(guān)高新技術(shù)手段，科學(xué)地創(chuàng)建礦井的三維虛擬場景。系統(tǒng)地調(diào)整巷道數(shù)據(jù)以精確生成礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。用戶可以任意調(diào)節(jié)（添加或刪除、改變形狀等）通風(fēng)設(shè)施（風(fēng)窗、風(fēng)門、風(fēng)橋等）或設(shè)備（主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等）的參數(shù)來快速真實地反映礦井的通風(fēng)系統(tǒng)變化，給決策者或管理人員提供調(diào)整或改造的參考依據(jù)。用戶可以在虛擬場景中漫游以逼真顯現(xiàn)井下設(shè)施和生產(chǎn)或通風(fēng)狀況，帶給人以身臨其境的感覺。對三維圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以滿足從不同角度的視圖以及縮放圖形來滿足對系統(tǒng)整體或局部的不同要求，從而實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可視化。而且，用戶還能以自然的方式（顯示裝置、語音設(shè)備等）與井下虛擬通風(fēng)系統(tǒng)交互，達(dá)到對系統(tǒng)的可控性。在此基礎(chǔ)上，啟發(fā)用戶的構(gòu)思決斷能力，以強(qiáng)化管理決策。另外，IVE有潛力使礦山人員以安全、良好的視覺和交互的方式置身于危險境地，并能建立總體的布局、動態(tài)的作業(yè)和開采環(huán)境下的模擬。這一虛擬礦井能允許采礦人員在其中自由走動，在關(guān)鍵的地方作出決策。同時，不論決策的正確與否，其結(jié)果都會立即反饋給受訓(xùn)者。
利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行礦井通風(fēng)規(guī)劃和設(shè)計是一種新的嘗試，其目的是在規(guī)劃、設(shè)計階段，就使人們能夠在一個虛擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)和交互式方式對未來的礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的審視。這是傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖所無法達(dá)到的效果。因此，這一技術(shù)有可能繼計算機(jī)三維動畫之后，成為礦井通風(fēng)規(guī)劃和設(shè)計方案投標(biāo)、論證及評審的有力手段。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)礦井中的計算機(jī)通風(fēng)管理、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算以及礦井巷道的三維立體顯示的維護(hù)。這樣，我們不僅能夠進(jìn)行定性分析，而且還能進(jìn)行定量分析，達(dá)到安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的目的。
1虛擬環(huán)境建模
根據(jù)虛擬環(huán)境建模所采用的對象、工具不同，生成虛擬環(huán)境的目的不同，虛擬環(huán)境建模方法大體可分為基于圖像和基于景物幾何兩大類?；趫D像的虛擬環(huán)境建模方法是以虛擬景觀瀏覽為目的，針對現(xiàn)實世界已經(jīng)存在的客觀對象，用專用用景攝影機(jī)或者普通照相機(jī)拍攝的照片等為素材，利用圖像數(shù)字化變形技術(shù)，在計算機(jī)上生成與實際視覺效果相一致的虛擬世界，簡言之即實物虛化。該方法須采用圖像透視變換、圖像拼合、圖像變形、圖像合成與裁剪等技術(shù)，用二維圖像錨述三維世界。與幾何模型場景的真實感圖形生成算法相比，其計算量較小，也不受場景復(fù)雜度的限制，且對硬件的要求也不及幾何建模那樣高，還可以在微機(jī)上實現(xiàn)。
在建模之初，根據(jù)在虛擬環(huán)境中模型的地位、功能，將模型分為圖像模型和景物幾何模型兩大塊。應(yīng)用基一圖像的虛擬環(huán)境建模方法的建模對象必須是：不強(qiáng)調(diào)交互性，模型數(shù)據(jù)量小，模型在虛擬中環(huán)境中的作用主要是以瀏覽和布景為主要目的的真實感靜態(tài)圖形?；诰拔飵缀蔚奶摂M環(huán)境生成方法的建模對象主要是強(qiáng)調(diào)可操作性、可交互性的三維幾何模型，模型數(shù)據(jù)量大，在實際工作中通常是來自于三維CAD軟件的模型。分析兩種模方法的適用對象，根據(jù)具體模型在虛擬環(huán)境中的作用，做出正確的建模決策。為增加場景的真實性，礦井虛擬環(huán)境采用圖像與景物幾何相結(jié)合的虛擬環(huán)境建模方法來完成。
1． 1巷道建模
在明確了基于圖像和幾何建模型特點后，對巷道建模采取基于圖像模型的方法。巷道模型應(yīng)根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖、巷道斷面形狀圖、巷道照片數(shù)字化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的整個概貌。虛擬環(huán)境中的巷道模型主要包括巷道信息數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理。建立一個真實感巷道模型，首先應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)仿真的需求確定該模型的位置和范圍，采集該區(qū)域內(nèi)和適當(dāng)比例、多種類形數(shù)據(jù)。
創(chuàng)建一個基于圖像的虛擬現(xiàn)實環(huán)境通常包括以下4個環(huán)節(jié)：全景圖模型選擇；圖像投影及變形、組合；全景圖創(chuàng)建和實時瀏覽等。由于圖像本身包含著豐富的場景信息，自然容易從圖像獲得照片般逼真的場景模型?；趫D像的繪制是實時地生成照片般逼真的計算機(jī)圖形的一種新方法，該方法不用建立幾何模型就可提供逼真的場景和動畫。
1． 2設(shè)備建模
井下設(shè)備采用幾何建模，對于外形輪廊接近矩型的建筑物和設(shè)備，可以用事先拍攝的該建筑物及設(shè)備各個立面的照片作材質(zhì)貼圖，貼在矩形簡易建模的外表面。這樣做有助于減小視景模型的總尺寸，但效果不如真實的三維模型。具體建模方法為：首先根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點選擇基本的幾何體，比如風(fēng)窗選擇Box，液壓支柱選擇CyIin-der；對基本幾何體的點、面、邊界進(jìn)行詳細(xì)加工；根據(jù)實際情況對設(shè)備表面材質(zhì)設(shè)定。需要說明的是，為了減少實體的面數(shù)，在進(jìn)行點、線、面的詳細(xì)修改時，應(yīng)刪除兩兩有疊加關(guān)系的實體中相對較小的面。
建好的設(shè)備模型加入場景中還需要把它放置到合適的位置，有時還需要改變它的朝向、相對大小，這個過程可能要參考實際場景的工程圖紙。在場景編輯器中，這個功能可以通過鼠標(biāo)直接選中模型，在場景中通過拖放、拉伸和旋轉(zhuǎn)模型的包圍盒來實現(xiàn)。另外，模型的表面材料也可以改變，場景編輯器有一個材料庫，提供了500多種常用的材料，用戶還可以定義新的材料。
2通風(fēng)系統(tǒng)仿真
目前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算用得最多的Cross迭代法。該方法以風(fēng)流運動的風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力定律為依據(jù)利用高斯——塞得爾迭代法逐次求解回路修正風(fēng)量，直到其值不大于一個事先給定的精度為止，從而獲得方程組解的近似解，通過風(fēng)網(wǎng)解算可得各分支風(fēng)量。但礦井中通風(fēng)設(shè)備及影響通風(fēng)的相關(guān)參數(shù)非常多，若用迭代法計算是很費時間的。通常風(fēng)網(wǎng)解算都是隔一時期進(jìn)行一次，由于通風(fēng)系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，解算結(jié)果不能真正地反映實際的動態(tài)變化情況。為了提高礦井通風(fēng)管理的質(zhì)量和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的速度，可采取MuIti-agent系統(tǒng)的通風(fēng)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時進(jìn)行解算。在通風(fēng)系統(tǒng)中，某一些地方風(fēng)量發(fā)生改變就會影響到其它地方的風(fēng)量，甚至?xí)l(fā)生方向逆轉(zhuǎn)。但在大多數(shù)實際情況中，某處風(fēng)量的改變僅對它附近巷道風(fēng)量有較大的影響，只要新的通風(fēng)方案能滿足附近大多數(shù)巷道的通風(fēng)要求，則該方案就是可行的。因此，我們提出了一種“投票”式的協(xié)同策略，既Agents對新方案進(jìn)行投票，以滿足大多數(shù)Agents。以多Agents系統(tǒng)構(gòu)筑的礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)能夠?qū)︻A(yù)期的通風(fēng)方案進(jìn)行仿真，并將結(jié)果與現(xiàn)有的方案比較，檢查新方案是否滿足要求，或比原方案更好。實際通風(fēng)系統(tǒng)中主要組成有：通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，包括礦井巷道的拓樸結(jié)構(gòu)及巷道的風(fēng)阻系數(shù)等；通風(fēng)設(shè)備及通風(fēng)設(shè)施，包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗、風(fēng)門等。在仿真系統(tǒng)中，Agents根據(jù)功能可被分為四類：設(shè)備Agents、網(wǎng)絡(luò)Agents、接口Agents和學(xué)習(xí)Agents。Agents自己決定對哪些事件響應(yīng)以及如何進(jìn)行處理，Agents不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境，同時不斷發(fā)展和提高自己和能力。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，設(shè)備Agents通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，得到在不同時期相應(yīng)方向風(fēng)量，決定對新方案的選擇。
3結(jié)束語
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用具有巨大實用性、真實性和靈活性，它在礦井通風(fēng)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，可讓決策者提前看到?jīng)Q策的仿真結(jié)果，肯定設(shè)計中的成功之處，改正設(shè)計中的缺點，避免因設(shè)計不合理造成巨大的損失。通過在山西省某大型煤礦近一年的應(yīng)用實踐證明，該成果能較好地適應(yīng)礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的動態(tài)管理，能及時給出定量評價結(jié)果，準(zhǔn)確及時發(fā)現(xiàn)問題，提出整改措施，使管理決策由經(jīng)驗化邁向科學(xué)化。在很大程度上提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性管理的技術(shù)水平，對煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重大作用，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
《煤礦安全》 （華臻 范輝 李晉江 劉敬云 靳鐘銘）
