基于3DVR的綜采工作面虛擬現實關鍵技術研究

李升+趙金升+韓偉+袁峰

摘要：虛擬現實是近幾年來信息技術快速發展的產物，它涉及計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口開發技術、多媒體技術和傳感 “幻真”技術，基于3DVR的綜采工作面虛擬現實關鍵技術研究及其應用可以解決煤礦薄煤層開采的無人值守或者少人進入問題，可以實現遠程操作控制，對煤炭企業危險區域及薄煤層開發與資源回收具有重要的現實意義。

關鍵詞：虛擬現實；3DVR；真實展現；三遠程操控；仿真技術

中圖分類號：TD821 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0100-01

1 系統研究背景及意義

減人提效是煤炭企業的發展方向，尤其是綜采工作面，而采煤機遠程監控是實現減人增效的必要條件。目前，業內主要采用兩種方式實現采煤機的遠程監控。一種是基于組態軟件界面的采煤機遠程監控中心，同時配套對應攝像頭采集井下現場視頻監控。但是存在以下問題：

（1）煤礦井下環境特殊，氣候惡劣，粉塵、水霧較大，圖像不清晰而無法監視；（2）視頻傳輸占用大量帶寬，當監控多臺設備時會出現監控畫面停滯、延時卡頓等現象；（3）操作人員很難直觀的從組態界面中獲得三維立體感受，操作比較盲目；（4）監控區域及場所受條件限制，不能從多角度全方位觀察。

另一種方式是基于三維虛擬現實（3DVR）的采煤機遠程監控。該系統主要采用虛擬現實技術實現采煤機及其周邊狀態的三維仿真，并在采煤機上模擬展示設備運行情況與設備動作，并可以遠程控制采煤機的開停等，具有直觀、可控等優勢。該技術的發展勢在必行。

2 系統主要運用技術

2.1 動態環境建模技術與實時三維圖形生成

主要包括采煤機、刮板運輸機、液壓支架、轉載機等。采煤機虛擬機要分成主機、左右搖臂、破碎主機、破碎滾筒、左右截割滾筒5個主要部件來建模，并依據其運動時的先后關系及其三維圖形動態生成。

2.2 立體顯示和傳感技術

三維GIS在很大程度上也依賴視覺表現提供更為豐富逼真的信息，比如剖析地質結構、仿真復雜的時空變化、反演不會重現的歷史過程、推演未來發展等，由此能獲得各種超越現實的空間感知經驗。三維GIS海量數據的交互式真實感可視化系統配備一些先進的圖形卡和工作站。

2.3 數據集成與遠程控制技術

實現采煤機井下狀態的真實展現，綜合集成采煤機的設備數據及狀態信息，對采煤機實施可視化的遠程監控。為采煤機在井下的真實狀態，提供了不同場景的切換按鈕，實現場景自由切換及漫游，使監控人員能夠從不同角度觀測到采煤機的真實工作狀態。調度操控人員，在地面通過計算機觸發相應的控制信號，從而驅動3DVR平臺的虛擬機運動，實現工作面可視化真實操作。

3 系統功能實現的平臺

3.1 數據倉庫平臺

項目有一個強大的系統平臺做支撐，以滿足技術的發展和需求變化的需要，主要用于數據庫結構的定制、權限管理、流程和報表的定制、WEB界面布置等。

3.2 生產管理監測功能

根據煤礦井上下巷道布置，工作面狀態，設備安裝位置及運行狀態，人員信息等數據，通過與各系統接口對接，真實展示礦井狀況，并實時更新井下狀況，對其各系統及設備的變動狀況做出真實的反映；當生產過程出現異常時，自助顯示異常地點并彈出異常畫面，并報警，同時操作員可以對井下關聯設備進行遠程開停、遠程控制。

3.3 信息查詢

可以通過建立的數據關系及定位信息，全方位的查詢煤礦各場所的實時狀況和設備運行信息；查詢設備（巷道內）和巷道，監督生產進程和設備更新狀況。

4 系統功能

（1）建立煤礦綜采工作面場景，實現采煤機的開采狀態割煤真實效果展現，展示煤塊的開采、垮落過程；（2）建立煤礦綜采工作面場景，實現刮板運輸機的運煤真實效果展現，展示煤塊運出的過程；（3）建立煤礦綜采工作面場景，實現液壓支架的推溜真實效果展現，展示整個推溜形成彎曲段的過程；（4）噴霧效果展現，可以展現采煤機噴霧特效，液壓支架跟機噴霧特效等；（5）采煤機定位紅外收發器、測距儀等效果展現，可以展現紅外發射器和接收到紅外發射信號的接收器效果，測距儀及其目標效果等。

5 效益分析

該系統為煤礦開采生產過程和設備運行提供智能的監控及管理服務。在安全生產和效率提升方面的表現異常明顯，該系統的普及更有利于實現智能化礦井得建設，有助于提高企業效益和管理水平、技術創新與進步、職工觀念的更新和企業形象的鑄造，最終提升企業的核心競爭力。

6 結語

3DVR的綜采工作面虛擬現實關鍵技術為提供了現場真實數據，實時展現了工作面的情況，調度人員無需下井即可了解到工作面的實時狀況，為生產、調度、指揮等工作提供實時可靠的數據和圖形界面支撐，達到了減員提效的功能，為建立數字礦山和智慧礦山打下堅實的基礎，該系統必將受到廣大煤礦的推廣與應用。

參考文獻

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