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　　虚拟现实（VR）技术实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体变化与互相作用的三维世界，并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。它具有多媒体信息感知性、沉浸感、交互性、自主性等特点。利用虚拟现实技术进行矿井通风规划和设计是一种新的尝试，其目的是在规划、设计阶段、就使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态和交互式方式对未来的矿井通风系统进行全方位的审视。这是传统的矿井通风效果图所无法达到的效果。因此，这一技术有可能继计算机三维动画之后，成为矿井通风规划和设计方案投标、论证及评审的有力工具。利用虚拟现实技术可实现矿井中的计算机通风管理、通风网络解算、矿井巷道的三维立体显示和维护及系统图的生成，其中包含井下虚拟漫游部分。这样，不仅能够进行定性分析，而且还能进行定量分析，达到安全可靠、技术可行、经济合理的目的。

　　2 系统的总体结构

　　近年来，VR开发系统软硬件发展很快，基于OPenGL的高层开发包如OpenInventor等极大地方便了VR系统的开发。考虑到动态建模和虚拟现实的特点，将二者很好地结合起来，要做到界面友好、模型参数修改方便、显示数据自然直接等，软件应该是高度模块化和可扩展的，并且具有良好的开放性。为了达到这一目的，系统采用基于组件的软件开发模式，组件之间仅仅通过接口进行交互，采用客户/服务器模式。接口根据是提供服务还是请求服务分为调出接口和调入接口2类。组件动态存在于系统中，相互之间提供控制和状态消息，实现组件的即插即用，无缝集成。根据动态设计的特点，该系统被划分为事务控制、虚拟环境建模、风网解算、虚拟环境漫游与交互等几个部分。

　　事务控制组件是整个系统的控制中枢，是实现驾驭式计算的基础，它记录了每个模块的状态参数和运行阶段，控制着其它各模块的通信，并且可控制各个模块的运行如中止、启动。该组件的核心是一个运行状态自动机，它是一个有限状态自动机，在交互服务传送来的事件的驱动之下，从系统的状态空间的一个结点转移到状态空间的另一个结点，自动机状态转换的过程也是本系统的运行的过程。各模块运行到一定的阶段都要向事务控制组件报告各自的运行状态，当某个组件需要其它组件提供的服务时，事务控制组件负责定位提供服务的组件，并传送请求。

　　3 虚拟环境建模

　　根据虚拟环境建模所采用的对象、工具不同，生成虚拟环境的目的不同，虚拟环境建模方法大体可分为基于图像和基于景物几何2大类。基于图像的虚拟环境建模方法是以虚拟景观浏览为目的，针对现实世界已经存在的客观对象、用专用全景摄像机或者普通照相机拍摄的照片等为素材、利用图像数字化变形技术，在计算机上生成与实际视觉效果相一致的虚拟世界，简言之即实物虚化[3]。该方法须采用图像透视变换、图像拼合、图像变形、图像合成与裁剪等技术，用二维图像描述三维世界。与几何模型场景的真实感图形生成算法相比，其计算量较小，也不受场景复杂度的限制，且对硬件的要求也不及几何建模那样高，还可以在微机上实现。在建模之初，根据在虚拟环境中模型的地位、功能，将模型分为图像模型和景物几何模型2大块。应用基于图像的虚拟环境建模方法的建模对象必须是：不强调交互性，模型数据量小，模型在虚拟环境中的作用主要是以浏览和布景为主要目的的真实感静态图形。基于景物几何的虚拟环境生成方法的建模对象主要是强调可操作性、可交互性的三维几何模型，模型数据量大，在实际工作中通常是来自于三维CAD软件的模型。分析2种建模方法的适用对象，根据具体模型在虚拟环境中的作用，做出正确的建模决策。为增加场景的真实性，矿井虚拟环境采用图像与景物几何相结合的虚拟环境建模方法来完成。

　　3.1 巷道建模

　　在明确了基于图像和几何建模型特点后，对巷道建模采取基于图像模型的方法。巷道模型应根据煤矿地图、巷道图、巷道照片数字化建模，以便表现矿井巷道的整个概貌。虚拟环境中的巷道模型主要包括巷道信息数据的获取和预处理。建立一个真实感巷道模型，首先应该根据系统仿真的需求确定该模型的位置和范围，采集该区域内和适当比例、多种类形数据。用户可以对具有真实感的巷道模型进行不同方位和角度的实时动态观察，还可以直接“步入”到巷道之中进行漫游。

　　创建一个基于图像的虚拟现实环境，通常包括：全景图模型选择；图像投影及变形、缝合，全景图创建和实时浏览等。由于图像本身包含着丰富的场景信息，自然容易从图像获得照片般逼真的场景模型，基于图像的绘制是实时地生成照片般逼真的计算机图形的一种新方法，该方法不用建立几何模型就可提供逼真的场景和动画。

　　3.2 设备建模

　　井下设备采用几何建模，对于外形轮廓接近矩形的建筑物和设备，可以用事先拍摄的该建筑物及设备各个立面的照片作材质贴图，贴在矩形简易建模的外表面，这样有助于减小视景模型的总尺寸，但效果不如真实的三维模型。具体建模方法有：根据设备的结构特点选择基本的几何体，比如风窗选择Box，液压支柱选择Cylinder；对基本几何体的点、面、边界和面片进行详细加工；根据实际情况对设备表面材质设定。需要说明的是，为了减少实体的面数，在进行点、线、面的详细修改时，应删除两两有叠加关系的实体中相对较小的面。
建好的设备模型加入场景中还需要把它放置到合适的位置，有时还需要改变它的朝向、相对大小，这个过程可能要参考实际场景的工程图纸。在场景编辑器中，这个功能可以通过鼠标直接选中模型，在场景中通过拖放、拉伸和旋转模型的包围盒来实现。另外，模型的表面材料也可以改变，场景编辑器有一个材料库，提供了500多种常用的材料，用户还可以定义新的材料。

　　3.3 虚拟人建模

　　在虚拟环境中，用户可以虚拟人(用户化身)这个特殊的虚拟实体对象的形式进入虚拟场景，即用户与虚拟场景的交互是通过虚拟人与场景中其它虚拟实体对象间的数据交换来完成的。虚拟人采用独立运动单元与活动关节铰接结构，由20个不同曲面和三角形描述的运动单元、11个曲面描述的关节、2个具有复杂自由度的手和一个表情及口型驱动的面部组成。基于计算复杂性和虚拟人的实时性，独立运动单元采用三角形描述。

　　在虚拟环境中受训者通过游戏杆控制虚拟人的方向与速度，对于虚拟人的姿态，例如站、跪及卧都可以通过使用游戏杆的按钮来完成。受训者可以决定往哪儿走、进入巷道、实施分组调遣。如果把游戏杆和语音识别结合起来，这一动作能够用声音命令来控制这些仿真人，就可以产生更加逼真的效果。受训者穿上具有位置传感器的数据衣，它是由一系列附在受训者肢部的位置传感器组成，用来输出手臂位置及上部身体方向。腰位置也可以由传感器部件计算。受训者带上头盔就可以沉浸在虚拟环境中，同时头盔的传感器数据的输出用来计算头位置。在直角坐标系中，眼睛位置可依据虚拟人在虚拟环境中位置的补偿进行计算，并可以通过计算头的位置来计算[4]。

　　4 通风系统仿真

　　目前，风网解算用得最多的Cross迭代法。该法以风流运动的风量平衡定律、风压平衡定律和阻力定律为依据利用高斯—塞得尔迭代法逐次求解回路修正风量，直到其值不大于一个事先给定的精度为止，从而获得方程组解的近似解，通过风网解算可得各分支风量。但矿井中通风设备及影响通风的相关参数非常多，若用迭代法计算是很费时间的，通常风网解算都是隔一时期进行一次，由于通风系统是一个动态的系统，解算结果不能真正地反映实际的动态变化情况。为了提高矿井通风管理的质量和风网解算的速度，可采取基于Multi—agent系统的通风仿真系统，该系统能够及时进行解算[6]。在通风系统中，某一地方风量发生改变就会影响到其它地方的风量，甚至会发生方向逆转。但在大多数实际情况中，某地风量的改变仅对它附近巷道风量有较大的影响，只要新的通风方案能满足附近大多数巷道的通风要求，则该方案就是可行的。因此，提出了一种“投票”式的协同策略[7]，即Agents对新方案进行投票，以满足大多数Agent。以多Agent系统构筑的矿井通风仿真系统能够对预期的通风方案进行仿真，并将结果与现有的方案比较，检查新方案是否满足要求，或比原方案更好。实际通风系统中主要组成有：通风网络，包括矿井巷道的拓扑结构及巷道的风阻系数等；通风设备，包括风机、风窗、风门等。在仿真系统中，Agent根据功能可分为设备Agent、网络Agent、接口Agent和学习Agent四类。Agent自己决定对哪些事件响应以及如何进行处理，Agent不断学习和适应环境，同时不断发展和提高自己的能力。根据历史数据，设备Agent通过神经网络的训练和学习，得到在不同时期相应方向风量，决定对新方案的选择；

　　5 虚拟环境漫游与交互

　　对虚拟环境进行漫游实际上就是在场景中设置一个照相机(或视点)，用户通过键盘或鼠标改变照相机的各种参数(如位置、方向和焦距等)，系统绘制在当前照相机参数下所成的图像。漫游过程要用到常用的技术，如视见体裁减、可见性删除和背面多边形删除等等。虽然很多成熟的图形系统(如OpenGL)中都支持这些技术，但在执行这些操作之前往往要执行图形绘制流水线前面的一些操作，直接实现这些操作以加快绘制速度。

　　虚拟通风系统实现了3种漫游方式：①自动漫游，即按设计者事先精心规划的最佳路径与最佳视角，对虚拟环境进行淋漓尽致的表现；②查询式漫游，即由用户自行设定一条漫游路径，然后沿该路径完成漫游；③交互式漫游，即漫游路径由鼠标或键盘实时控制，在此过程中记录中实时路径，并可根据用户的选择连续的回放。在漫游过程中进行的碰撞检测，其一是根据巷道的四壁对摄像机高度进行监测，避免在交互式漫游过程中发生钻入煤层的现象。其二是根据建筑物和设备的轮廓进行监测，防止“穿墙”而过的现象。

　　为避免用户在虚拟环境中“迷路”，可采用2种措施：①可根据用户要求，打开辅助的平面地图，使用户能明白身处何处；②设置摄影机复位功能，以便用户迅速返回缺省位置。

　　场景中的光照效果也可以改变，系统缺省提供了一个点光源、一个平行光源和一个锥光源。用户可以改变这些光源的属性(包括位置、方向和颜色)，还可以增加新光源或减少光源，对光源的交互过程也是可视的。

　　在虚拟矿井通风环境中，用户通过数据手套，与虚拟世界进行各种交互操作。数据手套可以报告手指各关节的状态，从而实现手势输入：为了使用户通过手势表达自己的操作意愿，计算机将用户手势翻译成操作命令，该系统实现的操作命令有选择、按下、旋转与浏览。在系统运行时，如果用户当前手势与预先定义好的参考手势匹配，计算机就执行相应的操作，对用户手势作出响应[8]。该系统定义的手势有：G0为选择某个物体，G1为控制使当前的动作停止，G2为控制视点前进，G3为控制视点后退，G4为控制视点旋转，G5为控制视点移动速度；当虚拟手与各种设备的开关接触时，G6表示按下该开关(打开或关闭，视开关状态而定)，G7表示向左旋转该开关，G8表示向右旋转该开关。采用包围盒法进行碰撞检测，主要包括抓取时手与物体的碰撞检测和手与巷道的碰撞检测，以防止出现手穿透巷道的不真实景象。手在运动过程中如果与物体碰撞，则有2种可能，一是手掌与物体接触，二是手背与物体接触，而后者不可能产生抓取动作，为了有效地判断这2种情况，系统定义了虚拟手的法线，若法线与物体相交，则可确认为手掌的碰撞，否则为手背的碰撞。

　　6 应用效果

　　6.1 解析风网

　　表1为采用山西省某大型煤矿实际数据通风仿真系统解算的结果，该矿日产7000t，现有11个采矿工区，7个辅助工区，主要采用机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法，2002年出矿量达190万t，矿井采用竖井、主斜坡道、带式输送机斜井联合开拓系统。井下采用无轨25t汽车及大型铲运机运输，每天开动无轨柴油设备约70台，额定总功率约6200kW，每小时柴油消耗量500kg，主通风系统采用多级机站并串联抽、压联合微正压通风方式，井下有11个机站，数十道通风构筑物，经适当简化后网络还有230个节点346条风路。大量算例验证，一般情况下，比传统方法运算速度提高30％。越是大型网络，越能体现其优越性。

　　6.2 最佳通风机系统的选择

　　该矿现有3台通风机同时运转，担负全矿通风任务。由于产量和工作地点的变化，现有通风机系统已不能满足生产通风的要求，经过调查分析及初步方案设计，有3种通风机系统方案都可以满足生产通风要求。应用虚拟通风系统对3种通风机系统方案进行优化选择，最后得出第二方案是最佳通风机系统方案，该方案不但能满足生产通风的要求，而且风量大，年电费也最小。

　　6.3 改造矿井通风系统

　　在该矿通风系统改造中，利用虚拟矿井通风系统对该矿井通风现状进行了全面、系统地分析，提出了通风系统的症结所在，并针对症结确定了数个通风优化方案：①确定了1150水平通风问题的方案；②确定了机站优化方案；③确定了主斜坡道的通风优化方案；④两翼对角式通风；……，经过优化选择出最佳通风系统为两翼对角式通风系统，采用该系统后，消除二水平的对角风路，形成东、西两翼独立通风，从而大大地降低了通风阻力，增加了风量。　　

表1 通风仿真系统解算结果

　　7 结语

　　虚拟现实技术的应用具有巨大实用性、真实性和灵活性，它在矿井通风领域具有良好的发展前景，可让决策者提前看到决策的仿真结果，肯定设计中的成功之处，改正设计中的缺点，避免设计的不合理造成巨大的损失。通过在山西省某大型煤矿近一年的应用实践证明，该成果能较好地适应矿井通风系统安全可靠性的动态管理，能及时给出定量评价结果，准确发现问题，提出整改措施，使管理决策由经验化迈向了科学化。在很大程度上提高了矿井通风系统安全可靠性管理的技术水平，对煤矿安全生产发挥了重大作用，取得了较大的社会效益和经济效益。