綜采工作面安全生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是一個的復(fù)雜時變系統(tǒng),將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)和管理中,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。針對煤礦綜采工作面的特殊復(fù)雜性,從安全生產(chǎn)角度出發(fā),對綜采工作面安全生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵理論和技術(shù)進行了深入的研究,同時開發(fā)了綜采工作面安全生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)。
　　主要研究結(jié)論如下:
　　(1)綜采工作面真三維視覺沉浸技術(shù)
　　沉浸感是虛擬現(xiàn)實重要特征之一,研究了立體視覺沉浸顯示技術(shù)的兩種方法實現(xiàn)方法:桌面式

2、立體顯示系統(tǒng)和多通道立體顯示系統(tǒng)。利用計算機視覺中的雙目立體視覺原理,采用雙中心投影算法實現(xiàn)了紅藍立體顯示系統(tǒng)。針對多通道立體投影系統(tǒng)是需要解決非線性失真、畫面的數(shù)字圖像邊緣融合與拼接、數(shù)據(jù)同步和通道間的色彩與亮度平衡四大問題,提出一種基于極坐標(biāo)系的從二維平面到三維空間的基于紋理貼圖的校正方法,解決了各種投影面幾何失真的情況;通過相鄰顯示區(qū)域小部分重疊的拼縫消除技術(shù)實現(xiàn)了畫面的數(shù)字圖像邊緣融合與拼接;通過幀緩存同步和數(shù)據(jù)多通道視景控制技

3、術(shù)實現(xiàn)了同步控制;通過相鄰?fù)队巴ǖ纆amma曲線匹配法來進行多通道畫面的通道間的色彩與亮度平衡。
　　(2)綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)仿真
　　井下三維場景的建立是整個虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。提出了利用loft放樣方法創(chuàng)建三維巷道模型,利用多邊形體元結(jié)構(gòu)創(chuàng)建地下巖層,二者進行布爾運算,然后形成真實感地下巷道。綜采工作面機械設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,提出采用OpenGL和3Dmax軟件相結(jié)合方法實現(xiàn)復(fù)雜機械建模,首先在3Dmax中進行建模,以VC

4、作為開發(fā)工具,OpenGL作為模型顯示和控制平臺,將由3Dmax中制作模型生成導(dǎo)出為3DS格式文件,經(jīng)過一系列模型簡化和顯示處理讀取到OpenGL環(huán)境中,從而實現(xiàn)綜采工作面復(fù)雜機械機構(gòu)建模。
　　綜采設(shè)備大部分屬于多剛體系統(tǒng),基于多剛體理論提出一套運動模擬方法,該方法以多體樹描述系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以體間相對角速度分量和相對位移導(dǎo)數(shù)為廣義速率,以歐拉角為體間相對方位坐標(biāo),用N-E方程推導(dǎo)出動力學(xué)方程,實現(xiàn)綜采設(shè)備的動力學(xué)和運動學(xué)規(guī)律模

5、擬。
　　(3)交互式煤礦安全培訓(xùn)技術(shù)
　　煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)是提高煤礦員工崗位安全技術(shù)操作水平和理論素質(zhì),確保礦井安全生產(chǎn)的有效途徑和重要安全措施之一。傳統(tǒng)的煤礦安全培訓(xùn)方法采用多媒體、課堂講座、試卷考試的形式,內(nèi)容枯燥,往往效果不佳。首次將網(wǎng)絡(luò)游戲思想和方法引入到煤礦安全培訓(xùn)領(lǐng)域,借鑒角色扮演類RPG網(wǎng)絡(luò)游戲的設(shè)計思想,將學(xué)習(xí)、教育、娛樂有機的結(jié)合為一體,建立一種新型的交互式煤礦安全培訓(xùn)模式。
　　首先設(shè)計了系統(tǒng)模塊

6、總體架構(gòu),從安全培訓(xùn)的情景設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、角色設(shè)計、關(guān)卡和人物設(shè)計四個方面闡述主要設(shè)計方法。設(shè)計的思想是:該角色設(shè)定為一名剛走上工作崗位的學(xué)生,從最基層礦工做起,經(jīng)過各個工種的學(xué)習(xí)和實踐工作,層層闖關(guān),然后成長為煤礦高級領(lǐng)導(dǎo)干部的人生經(jīng)歷。
　　隨后又對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)闡述,這些關(guān)鍵技術(shù)包括:碰撞檢測、虛擬礦工建模和行為控制、虛擬礦工人工智能。
　　(4)基于HLA的分布式煤礦安全應(yīng)急救援演練技術(shù)
　　高層次體

7、系結(jié)構(gòu)HLA作為美國國防部軍事戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)演練和演習(xí)技術(shù)結(jié)構(gòu),在軍事和航空航天仿真中得到廣泛應(yīng)用,但是在煤礦三維仿真領(lǐng)域還沒有得到應(yīng)用,首次將高層次體系結(jié)構(gòu)(HLA)作為分布式交互仿真的系統(tǒng)構(gòu)架引入煤礦災(zāi)害應(yīng)急救援演練中,重點研究基于HLA的煤礦聯(lián)邦成員的開發(fā)設(shè)計流程和方法,說明煤礦聯(lián)邦成員的信息管理,信息交互方法以及信息的發(fā)布、訂購原理,對礦工聯(lián)邦成員的FOM映射方法和數(shù)據(jù)的編碼、解碼,編程實現(xiàn)進行說明;然后說明聯(lián)邦間實現(xiàn)同步的方法和仿真

8、進程控制的實現(xiàn)。最后給出礦井各聯(lián)邦成員的HLA線程的仿真流程圖。
　　最后以黃陵一號礦607工作面為例,以VC作為高級語言開發(fā)平臺,OpenGL為三維圖形開發(fā)庫,開發(fā)了綜采工作面安全生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng),包括煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)仿真、安全技術(shù)培訓(xùn)、安全事故應(yīng)急救援演練、安全監(jiān)控三維可視化和移動監(jiān)控模塊,實現(xiàn)了井上下三維漫游、安全知識考核、安全避災(zāi)訓(xùn)練、災(zāi)害模擬和應(yīng)急救援、安全遠程監(jiān)控三維可視化等功能,對煤礦安全生產(chǎn)起到有力推動作用,具