煤矿综掘虚拟平台技术的实践应用

1虚拟平台技术简介

虚拟现实是通过计算机三维成像技术构建虚拟空间，让学员在视觉上产生一种沉浸于真实环境的感觉，在地面即可体验井下的生产环境，通过与计算机终端的交互作用，实现各工作面上不同设备的操作学习，使学员熟悉井下工作环境的同时，对煤矿各机械设备间的配合、工作流程、操作规范及操作程序有更立体、更直观、更生动的体验。

2技术现状

虚拟现实技术又称VR技术，是多媒体技术发展的更高境界。VR技术是把计算机从善于处理数字化的单维信息改变为善于处理人所能感受到的、在思维过程中所接触到的、除了数字化信息之外的其他各种表现形式的、多维化的信息空间，是定性和定量相结合、感性认识和理性认识相结合的综合集成环境，给人们逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界中不便于直接观察的事物提供了极大的便利。VR作为一门新兴的技术，其应用己从游戏机和主题游乐园扩展到了教育培训、工业、商业、医学和军事等多个领域。

3国内外发展趋势

虚拟交互培训技术仅在美国、澳大利亚等采煤设备先进的国家得到了应用，目前在国内的煤矿机械设备操作培训中，该技术还是空白。随着煤炭开采难度的增加、国家对安全重视程度的增加及煤炭工业与国际的进一步接轨，采煤设备操作虚拟模拟培训为实现安全培训、节能低碳培训、降低实训中事故隐患发生率、降低培训成本、提高职工队伍专业技能、指导一线生产工作、实现培训与工作的无缝链接提供了便利的解决方案，该培训模式将会以优异的性能在我国采煤设备培训中发挥น巨大的作用。

4主要关键技术

1)矿井各生产系统环境及设备模型的建立。虚拟综合机械化采煤工作面要达到精细化的程度，完全要参照实际设备建立模型。各机械设备间配合工作状态，运作流程等都据实表现，多角度查看。机械作业时对外围环境的影响要生动体现，配合现场音效和采光效果营造出一个高精度仿真的作业面，给人以身临其境的感觉。

2)实现操作人员对虚拟设备的互动控ฎ制。将仿真的模拟控制器通过计算机通讯接口与系统中虚拟作业设备相关联，通过操作硬件的控制按钮实现对计算机系统中虚拟作业设备的控制，从而进行正常的生产作业。控制灵活、方便，以达到虚拟实训的目的。

利用虚拟教学仪的传感控件控制综采机械在工作面现场进行回采作业，其他设备相辅跟进配合工作。对于操作过程中出现的不规范动作，或违规操作，系统将主动予以警示，并给出正确操作方法提示。

3)实现操作人员实时考核。利用虚拟教学仪的传感控件控制综采机械作业及其他相辅跟进设备的配合操作过程中出现的不规范动作，或违规操作进行统计，并显示相应得分。实操考评标准可根据实际需求进行修改，用作技能比武。

4)理论考试。理论考试模块是系统中独立于模拟操控训练的实操考核功能，以试题的形式考查学员对综采工作面的基础安全理论知识的掌握程度。管理层可以对试题库进行修改和扩充。

5虚拟实训一体化教学平台研究设计思路

采煤机、掘进机虚拟实训一体化教学平台是根据学校教师的实际教 ت学要อ求和井下现场操作流程及规范，通过虚拟现实技术及计算机三维成像技术对综合机械化采煤工作面进行仿真模拟，完全参照实际工作环境及设备建立模型，对各机械设备间的配合、运作流程以立体、多角度的方式呈现，并将机械作业时对外围环境的影响生动地体现出来，配合现场音效和采光效果，营造出一个高精度仿真的作业面，给学员以身临其境的真实感。

传统教学模式中生产机械的硬件损耗和巨大的电能消耗，造成了大量的资源浪费;在入井操作学习时影响生产，降低了设备生产使用率，增加了不安全因素，且受各种生产环境和地质水文条件的限制，无法进行有针对性的技能操作和知识训练，培训效果不明显。虚拟实操这种教学模式彻底克服了传统培训的这些缺点，极大地调动了学员的兴趣，使学员在与计算机的互动中，对设备工作原理教学、机械的可视化仿真拆装、日常维护保养知识、常见故障排除、综采综掘工作面生产环境、安全作业注意事项等做到全面掌握。

6设计技术路线

1)矿井各生产系统动态环境的模型建立。虚拟环境的建立是VR技术的核心内容，结合矿井实际构造及设备相关数据资料，建立综采工作面仿真作业环境。

2)综采工作面的作业机械设备虚拟化。结合实际矿井构造及设备的相关数据，建立精细化的虚拟3D设备模型和操作台。本平台系统主要由3个模型即采掘机组、液压支架系统、刮板输送系统以及综采工作面的常规工序衔接组成。3个操控装置均为等比例的遥控器装置、等比例的操纵手柄、等比例的控制按钮。

3)实现基本的人际互动操作。利用VR技术，在虚拟的矿井环境中实现人机互动操作，如基本的行走巡视，视角切换，场景切换，各触发事件等。

4)行为的物理性特征模拟。在虚拟环境中发生的行为和动作，物体与场景之间，物体与角色之间、物体与物体之间的运动交互和动力学特性。制作成功的物理特性控制将使得虚拟化更加逼真。

5)与硬件操控装置关联并调试。将软件系统装入PC主机，与显示平台装置关联，调试运行状况并校验相关数据。

6)人员对于系统的适应性测试。组织人员对系统进行测试，并针对人员的反馈信息进行修改和提高。在今后的发展道路上，随着相关硬件、软件成本的逐渐降低和技术方面不断进❧步和突破，可以充分利用模拟现实技术及计算机三维成像技术，结合数字化矿山研究成果，建立更系统、更全面的安全教学培训平台，像矿井开采系统优化模拟、地质构造模拟、爆破工艺模拟、矿上安全与救灾等各个方面，使安全培训在虚拟实训的道路上取得更加辉煌的成就，为煤炭企业输送具有专业水平的技术人才，为煤炭工业的安全、快速发展提供强有力的保障。