仿真術在礦井通風中的應用分析

　　一、概述
　　
　　通風系統是礦井生產的重要環節，為保證通風系統正常工作，必須科學地設計和管理。目前，在礦井通風作業中普遍存在一些問題，例如：測量工作繁重、實際運作成本高、反饋信息數據的滯后性、通風系統效率精確度低、實現系統局部或整體的可控性和可視化困難等。應用虛擬現實技術解決上述問題依靠的是現代科學技術和系統工程的方法理論，運用計算機科學技術中的相關高新技術手段，科學地創建礦井的三維虛擬場景，系統地調配巷道數據以精確生成礦井的通風網絡圖。用戶可以任意調節（添加或刪除、改變形狀等）通風設施（風窗、風門、風橋等）或設備（通風機等）的參數來高效逼真顯現礦井的通風系統變化，給決策者提供調整或革新的參考依據。用戶可以在虛擬場景中漫游，以逼真顯現井下設施和生產或通風狀況，給人身臨其境的感覺，對三維圖形進行旋轉以滿足從不同角度的視圖，以及縮放圖形以滿足對系統整體或局部的不同要求，實現礦井通風系統的可視化。而且，用戶還能以自然的方式（顯示裝置、語音設備等）與井下虛擬通風系統交互，達到對系統的可控性。在此基礎上，啟發用戶的構思決斷能力，強化管理決策。
　　
　　二、系統的總體結構
　　
　　近年來，基于OPenGL的高層開發包如OpenInventor等極大地方便了VR系統的開發?？紤]到動態建模和虛擬現實的特點，將二者很好地結合起來，要做到界面友好、模型參數修改方便、顯示數據自然直接等，軟件應該是高度模塊化和可擴展的，并且具有良好的開放性。為了達到這一目的，系統采用基于組件的軟件開發模式，組件之間僅僅通過接口進行交互，采用客戶/服務器模式。接口根據是提供服務還是請求服務分為調出接口和調入接口兩類。組件動態存在于系統中，相互之間提供控制和狀態消息，實現組件的即插即用，無縫集成。根據動態設計的特點，該系統被劃分為事務控制、虛擬環境建模、風網解算、虛擬環境漫游與交互等幾個部分。
　　
　　三、通風系統仿真
　　
　　目前，風網解算用得最多的Cross迭代法。該法以風流運動的風量平衡定律、風壓平衡定律和阻力定律為依據，利用高斯—塞得爾迭代法逐次求解回路修正風量，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，通過風網解算可得各分支風量。但風網解算都是隔一時期進行一次。由于通風系統是一個動態的系統，解算結果不能真正地反映實際的動態變化情況。為了提高礦井通風管理的質量和風網解算的速度，可采取基于Multi—agent系統的通風仿真系統，該系統能夠及時進行解算。在通風系統中，某一地方風量發生改變就會影響到其它地方的風量，甚至會發生方向逆轉。但在大多數實際情況中，某地風量的改變僅對它附近巷道風量有較大的影響，只要新的通風方案能滿足附近大多數巷道的通風要求，則該方案就是可行的。因此，提出了一種“投票”式的協同策略，即Agents對新方案進行投票，以滿足大多數Agent。以多Agent系統構筑的礦井通風仿真系統能夠對預期的通風方案進行仿真，并將結果與現有的方案比較，檢查新方案是否滿足要求，或比原方案更好。實際通風系統中主要組成有：通風網絡，包括礦井巷道的拓撲結構及巷道的風阻系數等；通風設備，包括風機、風窗、風門等。在仿真系統中，Agent根據功能可分為設備Agent、網絡Agent、接口Agent和學習Agent四類。Agent自己決定對哪些事件響應以及如何進行處理，Agent不斷學習和適應環境，同時不斷發展和提高自己的能力。根據歷史數據，設備Agent通過神經網絡的訓練和學習，得到在不同時期相應方向風量，決定新方案的選擇。
　　
　　四、虛擬環境漫游與交互
　　
　　對虛擬環境進行漫游實際上就是在場景中設置一個照相機（或視點），用戶通過鍵盤或鼠標改變照相機的各種參數（如位置、方向和焦距等），系統繪制在當前照相機參數下所成的圖像。漫游過程要用到常用的技術，如視見體裁減、可見性刪除和背面多邊形刪除等等。雖然很多成熟的圖形系統（如OpenGL）都支持這些技術，但在執行這些操作之前往往要執行圖形繪制流水線前面的一些操作，才能直接實現這些操作以加快繪制速度。
　　虛擬通風系統實現了3種漫游方式：①自動漫游，即按設計者事先精心規劃的最佳路徑與最佳視角，對虛擬環境進行淋漓盡致的表現；②查詢式漫游，即由用戶自行設定一條漫游路徑，然后沿該路徑完成漫游；③交互式漫游，即漫游路徑由鼠標或鍵盤實時控制，在此過程中記錄中實時路徑，并可根據用戶的選擇連續的回放。在漫游過程中進行的碰撞檢測，其一是根據巷道的四壁對攝像機高度進行監測，避免在交互式漫游過程中發生鉆入煤層的現象。其二是根據建筑物和設備的輪廓進行監測，防止“穿墻”而過的現象。
　　為避免用戶在虛擬環境中“迷路”，可采用兩種措施：①可根據用戶要求，打開輔助的平面地圖，使用戶能明白身處何處；②設置攝影機復位功能，以便用戶迅速返回缺省位置。
　　場景中的光照效果也可以改變，系統缺省提供了一個點光源、一個平行光源和一個錐光源。用戶可以改變這些光源的屬性（包括位置、方向和顏色），還可以增加新光源或減少光源，所以對光源的交互過程也是可視的。
　　
　　五、結束語
　　
　　虛擬現實技術的應用具有巨大實用性、真實性和靈活性，它在礦井通風領域具有良好的發展前景，可讓決策者提前看到決策的仿真結果，肯定設計中的成功之處，改正設計中的缺點，避免設計的不合理造成巨大的損失。通過在某大型煤礦近一年的應用實踐證明，該成果能較好地適應礦井通風系統安全可靠性的動態管理，能及時給出定量評價結果，準確發現問題，提出整改措施，使管理決策由經驗化邁向科學化。在很大程度上提高了礦井通風系統安全可靠性管理的技術水平，對煤礦安全生產發揮了重大作用，取得了較大的社會效益和經濟效益。
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