虛擬現(xiàn)實（VR）技術，實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(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。應用虛擬現(xiàn)實技術能很好地解決上述問題，依靠現(xiàn)代科學技術和系統(tǒng)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(chuàng)建礦井的三維虛擬場景。系統(tǒng)地調整巷道數(shù)據(jù)以精確生成礦井的通風網(wǎng)絡圖。用戶可以任意調節(jié)（添加或刪除、改變形狀等）通風設施（風窗、風門、風橋等）或設備（主要通風機、局部通風機等）的參數(shù)來快速真實地反映礦井的通風系統(tǒng)變化，給決策者或管理人員提供調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)井下設施和生產(chǎn)或通風狀況，帶給人以身臨其境的感覺。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、語音設備等）與井下虛擬通風系統(tǒng)交互，達到對系統(tǒng)的可控性。在此基礎上，啟發(fā)用戶的構思決斷能力，以強化管理決策。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，在關鍵的地方作出決策。同時，不論決策的正確與否，其結果都會立即反饋給受訓者。
利用虛擬現(xiàn)實技術進行礦井通風規(guī)劃和設計是一種新的嘗試，其目的是在規(guī)劃、設計階段，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系統(tǒng)進行全方位的審視。這是傳統(tǒng)的礦井通風系統(tǒng)圖所無法達到的效果。因此，這一技術有可能繼計算機三維動畫之后，成為礦井通風規(guī)劃和設計方案投標、論證及評審的有力手段。利用虛擬現(xiàn)實技術可實現(xiàn)礦井中的計算機通風管理、通風網(wǎng)絡解算以及礦井巷道的三維立體顯示的維護。這樣，我們不僅能夠進行定性分析，而且還能進行定量分析，達到安全可靠、技術可行、經(jīng)濟合理的目的。
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，用專用用景攝影機或者普通照相機拍攝的照片等為素材，利用圖像數(shù)字化變形技術，在計算機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，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：不強調交互性，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調可操作性、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。巷道模型應根據(jù)礦井通風系統(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)的獲取和預處理。建立一個真實感巷道模型，首先應該根據(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)域內和適當比例、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設備建模
井下設備采用幾何建模，對于外形輪廊接近矩型的建筑物和設備，可以用事先拍攝的該建筑物及設備各個立面的照片作材質貼圖，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)設備的結構特點選擇基本的幾何體，比如風窗選擇Box，液壓支柱選擇CyIin-der；對基本幾何體的點、面、邊界進行詳細加工；根據(jù)實際情況對設備表面材質設定。需要說明的是，為了減少實體的面數(shù)，在進行點、線、面的詳細修改時，應刪除兩兩有疊加關系的實體中相對較小的面。
建好的設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直接選中模型，在場景中通過拖放、拉伸和旋轉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通風系統(tǒng)仿真
目前通風網(wǎng)絡解算用得最多的Cross迭代法。該方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(jù)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(wǎng)解算可得各分支風量。但礦井中通風設備及影響通風的相關參數(shù)非常多，若用迭代法計算是很費時間的。通常風網(wǎng)解算都是隔一時期進行一次，由于通風系統(tǒng)是一個動態(tài)的系統(tǒng)，解算結果不能真正地反映實際的動態(tài)變化情況。為了提高礦井通風管理的質量和通風網(wǎng)絡解算的速度，可采取MuIti-agent系統(tǒng)的通風仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時進行解算。在通風系統(tǒng)中，某一些地方風量發(fā)生改變就會影響到其它地方的風量，甚至會發(fā)生方向逆轉。但在大多數(shù)實際情況中，某處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(shù)巷道的通風要求，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對新方案進行投票，以滿足大多數(shù)Agents。以多Agents系統(tǒng)構筑的礦井通風仿真系統(tǒng)能夠對預期的通風方案進行仿真，并將結果與現(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。實際通風系統(tǒng)中主要組成有：通風網(wǎng)絡，包括礦井巷道的拓樸結構及巷道的風阻系數(shù)等；通風設備及通風設施，包括風機、風窗、風門等。在仿真系統(tǒng)中，Agents根據(jù)功能可被分為四類：設備Agents、網(wǎng)絡Agents、接口Agents和學習Agents。Agents自己決定對哪些事件響應以及如何進行處理，Agents不斷學習和適應環(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)，設備Agents通過神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練和學習，得到在不同時期相應方向風量，決定對新方案的選擇。
3結束語
虛擬現(xiàn)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(fā)展前景，可讓決策者提前看到?jīng)Q策的仿真結果，肯定設計中的成功之處，改正設計中的缺點，避免因設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用實踐證明，該成果能較好地適應礦井通風系統(tǒng)安全可靠性的動態(tài)管理，能及時給出定量評價結果，準確及時發(fā)現(xiàn)問題，提出整改措施，使管理決策由經(jīng)驗化邁向科學化。在很大程度上提高了礦井通風系統(tǒng)安全可靠性管理的技術水平，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)濟效益。
《煤礦安全》 （華臻 范輝 李晉江 劉敬云 靳鐘銘）
