基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真系统

张光磊，张登崤，程海星

(中煤西安设计工程有限责任公司 陕西 西安 710054)

矿井工作面为煤炭开采的第一现场，位于地下深处，由于矿道狭窄、作业设备多且环境温度高，极易发生安全事故，其中在煤炭开采过程中，从煤炭本身和矿井壁散发的瓦斯在矿压环境不佳且温度过高环境中，易发生瓦斯爆炸情况[1-2]。因此，矿井工作面的矿压处理极其重要，是煤矿企业管理环节的重中之重。为解决矿井工作面矿压过程中存在的问题，杨帅等[3]通过监测和解算矿井内矿压参数，实现矿井综采工作面矿压显现仿真，该方法虽然可实现矿井综采工作面矿压显现仿真，但受矿井内环境因素影响，无法做到实时解算监测到的参数，存在一定程度延迟，故此应用效果不理想；李曼等[4]通过设置监测点对矿井工作面矿压进行仿真，建立矿井显现仿真模型，从传感器获取到的矿压分布云图内分析矿井矿压值，但由于矿井内环境复杂，监测到矿压据掺杂不同程度噪声，而该方法并未对噪声进行处理，因此应用性较差。

虚拟现实技术将计算机技术、仿真技术等结合在一起通过计算机模拟虚拟环境，使用户仿佛置身于真实环境内，提升用户环境沉浸感[5]。因此，本文结合虚拟现实技术，以建立虚拟矿井工作面环境方式，研究基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真方法，为煤炭企业矿井工作面管理提供技术支持。

1 虚拟现实技术的综采工作面矿压显现仿真

1.1 工作面矿压显现系统虚拟环境构建

矿井综采工作面矿压显现仿真的目的是通过模拟矿井内煤炭开采作业环境与操作过程，研究矿井内矿压情况，因此矿井综采工作面矿压显现仿真分为2个步骤：①矿井工作面虚拟场景建立；②利用矿压变化数学模型，分析矿井内矿压变化情况，在矿井工作面矿压显现系统虚拟环境中可实现矿井巷道矿压计算功能，为后续矿井综采工作面矿压显现仿真提供数据基础。

(1)虚拟现实技术开发工具选择。在建立矿井工作面矿压虚拟环境之初，需选择相应虚拟现实技术开发工具，在此选取Multigen软件负责构建矿井工作面矿压虚拟环境，利用Vega软件设计交互界面，为Multigen软件建模提供调用函数。三维建模工具选择Multigen软件，该软件为3D建模软件[6]，其数据库结构为树状层次结构，具备光照选择、纹理映射以及3D声音等功能。实时仿真软件选择Vega，该软件由Lynx图形工具箱和C语言运行环境的Vega函数库组成[7]，为Multigen软件提供用户界面设计与场景建模调用函数。

图1 矿井工作面矿压显现系统的仿真流程Fig.1 Simulation flow of mine pressure display system in mine working face

1.2 工作面矿压显现系统虚拟场景构建

矿井工作面虚拟场景构建主要由场景建模、几何建模、场景形象建模、行为建模、人物建模。

(1)场景建模。矿井工作面场矿压系统景建模可看作是矿井内三维图形对象的集合，是将矿井工作面矿压场景以数学的方式在计算机内呈现出来的过程[8]。矿井工作面矿压场景建模为矿井巷道模型和设备模型，巷道模型包括运输槽、矿压槽等，设备模型包括采煤机、传输设备等，而运输槽、矿压槽等设备或场景需经过几何模型、形象模型和运动模型共同组成。

(2)几何建模。对于场景建模中的矿井巷道模型和设备模型构建，可将矿井巷道和设备当作是由各种形状的组成的物体，通过绘图软件内的OpenGL可实现矿井巷道和设备轮廓构建[9]，其步骤为利用VC++软件依据矿井巷道和设备的特征，定义相框和设备的点、面以及形状，经过连接点、面和形状，完成矿井巷道和设备绘制。

(3)场景形象建模。形象建模是将几何建模后的矿井巷道和设备进行纹理和颜色填充以及光照渲染，其中纹理映射也称纹理贴图，是将场景数据库内存储的矿井巷道和设备图像贴到几何构建后的矿井巷道和设备内，通过调整颜色和光照情况，使矿井巷道和设备场景与实际场景相似度最大，完成场景形象建模。纹理映射是一个放射转换和双线性转换的过程[10]，面对矿井工作面复杂场景，需不同纹理映射方式完成其场景形象建模。

纹理映射方式如下：① Wrap映射方式，当需要映射的场景或物体为立方体形状时，利用该映射方式，从立方体的面的6个顶点出发，纹理贴图方向依据该6个顶点呈现柱面环绕，完成纹理映射。②Cylindrical映射方式，该映射方式适用于柱形物体贴图。③Spherical该纹理方式适用于有圆弧状的物体，如矿井巷道顶端和侧边缘等。④Planai Eahc Face映射方式，该映射方式适用于大面积平面，如矿井巷道地面、煤炭断层平面等，均采用该技术进行映射。

(4)行为建模。行为建模是矿井工作面虚拟场景的重要组成部分，通过行为模型，实现矿井工作面虚拟场景运动控制，井工作面虚拟场景的行为建模利用Multigen软件内的DOF节点建立运动设备或人物的相对坐标后，利用Vc模块建立行为对象类别，完成行为建模过程。

(5)人物建模。用户通过操控矿井工作面虚拟场景内的人物，实现虚拟对象和实体对象之间的数据交换，其中虚拟人物利用独立运动单元和活动关节铰接相结合，以曲面、三角形等形状呈现运动单元，关节则利用曲面呈现，虚拟人物的手、面部表情和口型等均使用复杂自由度驱动构成。虚拟人物构建完成后，利用手柄按钮操控人物动作，用户可通过手柄控制虚拟场景人物进入到矿井巷道内，可操控设备运行，变更设备位置等。

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1.3 虚拟环境漫游与交互设计

矿井工作面矿压显现系统漫游方式可划分为自动式、查询式和交互式三种形式漫游，用户可自定义漫游位置与方式，迅速到达矿井工作面的任意位置。而虚拟场景与现实场景的交互则利用数据手套实现，利用计算机将数据手套内的操作指令发送至矿压系统的虚拟场景内，通过控制虚拟人物实现矿压系统内设备位置变更以及矿压操作。

1.4 数据库设计

矿井工作面矿压显现系统虚拟场景构建是通过数据运算实现的，因此外部数据库与场景数据库构建尤为重要，在场景数据库内，由压缩形式的图像和向量、参数等形式的图形组成，是虚拟场景建模必不可少的素材，是提升虚拟场景真实感的途径之一，而图像数据来源于摄像机拍摄的矿井工作面实景，视频经过相关软件剪辑处理后，以OpenGL格式存储为视频数据。图形数据则由动态和静态两种图形数据组成，其中动态图像数据为煤炭开采活动中的相关参数，静态图形数据则利用高清摄像机拍摄，将矿井工作面的煤层情况、设备位置、断层构造以及煤炭开采场景的各种细节以图片形式记录下来，对画面清晰度不够和光照不均匀数据等经过处理后存储为通用图片格式备用，利用上述数据组成外部数据库与场景数据库，通过输入设备和输入接口为虚拟场景构建提供场景数据和参数数据。

综上所述，矿井工作面矿压显现系统虚拟场景构建的基础即为数据库设计，而场景数据库构建是通过摄像机拍摄即可实现，而外部数据库则是矿井工作面矿压显现系统当前矿压参数，该参数依据其矿压的基本数学模型获取，其步骤如下。

设b为矿压数量，矿井工作面矿压可以表示为Gy=(gy1，gy2，…，gyb)，由此得到如下方程：

(1)

式中，Rij为i时的第j个矿压值；Rii为i时矿压；Pi为第i时刻的矿压能量代数和；gyi、gyj为风量。

(2)

式中，ci1为第1个元素；Rl、gl分别为矿压和风量。

G=(V，E)为矿井工作面矿压图，令|V|、|E|数值分别为m、n，将该矿压图看作一棵树，依据余弦方式对该网络图进行排序，其顺序为树在前树枝在后，令Bk、Uk分别为矿压图的基本关联矩阵和独立回路矩阵，由Bk=(B11B12)、Uk=(U11U12)=(IU12)表示。

其中，B11、B12和U11、U12分别为(m-1)×(n-m+1)、(m-1)×(m+1)阶矩阵；I为n-m+1阶单位矩阵，依据矿压图的基本关联矩阵，获取到堵路回路矩如下：

(3)

式中，T为可变参量。QN为矿压图分支的有风量，则树和树枝的风量由Qy、Qz表示，依据风量平衡原理可知独立回路矩阵与矿压图与风量关系如下：

QN=QyUk

(4)

通过上述公式可推导出，矿井工作面矿压图内只有树的风量向量表现为独立状态，因此某一独立矿压回路内存在分支矿压阻力代数与恒等于矿压能量和，其表达公式如下：

(5)

式中，hj、pj分别为j个分支矿压阻力和矿压能量代数和。

将公式(5)转换为矩阵，其表达式如下：

Uk(HT-PT)=0

(6)

式中，HT、PT分别为矿压阻力和矿压能量代数和的矩阵表达形式。

式(3)、式(4)组成矿井工作面矿压显现系统基本回路方程，式(5)和式(6)组成矿井工作面矿压显现系统基本数学方程，经过2个方程组的反复运算，可获取到该框架工作面矿压系统的基本参数，并利用该参数构建外部数据库，为矿井工作面矿压显现系统虚拟场景构建提供矿压相关参数。

至此，矿井工作面矿压显现系统虚拟场景构建完毕，当矿井工作面矿压显现系统发生变化时，通过求解矿压基本数学模型，变更矿井工作面矿压显现系统虚拟场景，实现矿井综采工作面矿压显现仿真。

2 仿真模拟测试

以某省大型矿区为实验对象，使用本文方法构建该矿区矿井工作面矿压显现系统虚拟仿真场景，分析该矿井内矿压情况。

2.1 虚拟场景性能测试

虚拟场景构建效果是影响矿井工作面仿真结果的重要因素，从虚拟场景构建角度进行测试，分析本文方法虚拟场景构建能力，结果如图2所示。分析图2可知，在采煤机控制界面内包含任务列表、机械认知、工具背包、井下导航以及采煤机开关等控制按钮，通过该控制按钮实现采煤机运作，而在图2(b)内，虚拟任务关节弯曲度以及人物动作较为逼真，而人物的行进方向与箭头指示方向一致，综上而言，本文方法构建的矿井工作面矿压显现系统虚拟场景具备较强功能，且画面感十足，可较好地呈现矿井工作面矿压显现系统当前情况。

图2 虚拟场景构建测试结果Fig.2 Test results of virtual scenario construction

为更好地呈现本文方法构建的矿井矿压系统虚拟场景应用效果，以矿井巷道为例，设置当前矿井巷道矿压为2 154 Pa，使用本文方法获取矿井巷道当前矿压结果如图3所示。分析图3可知，在本文构建的工作面虚拟场景内，不仅可获取到该矿井巷道矿压2情况，还可实时获取风机当前功率以及其工作效率。利用本文构建的矿压显现系统虚拟场景可获取工作面当前矿压情况，且数值不存在误差，可有效应用于后续该矿井矿压仿真。

图3 矿井巷道虚拟场景Fig.3 Virtual scene of mine roadway

2.2 矿井工作面矿压测试

从矿压监测角度展开测试，以该矿井工作面的12个分支矿压巷道作为测试对象，使用本文方法统计该12个分支矿压巷道24 h内矿压情况，结果见表1。

表1 矿压监测结果Tab.1 Monitoring results of ore pressure Pa

分析表1可知，12个矿井分支巷道的最大矿压、最小矿压、平均矿压以及当前矿压数值均不同，状态描述的是当前矿压情况，在12个矿井分支巷道内的当前矿压中，第8个、第9个和第12个矿井分支巷道的当前矿压数值较其24 h内平均矿压数值相差较大，被描述为当前矿压过小，而第6个和第10个矿井分支巷道的当前矿压已超过其24 h内的平均矿压，因此其状态描述为当前矿压过大，该结果表明，本文方法可有效仿真矿井工作面内矿压巷道的当前矿压情况，并可依据24 h内该巷道矿压平均值判断当前矿压是否符合矿压需求，具备较高的实际应用价值。

2.3 应用性测试

对矿井工作面矿压进行仿真的目的是实现矿井瓦斯浓度监测，避免矿难事故发生，对该矿井工作面某一主巷道未进行矿压处理之前的瓦斯浓度展开仿真，而后对该主巷道进行5 min矿压处理，并对矿压处理后的主巷道瓦斯浓度进行仿真，分析本文方法的实际应用效果，结果如图4所示。为更便捷呈现瓦斯浓度与矿井埋深关系，分析图4可知，主巷道瓦斯浓度呈现山峰状分布，在矿井埋深为20～80 m时，其瓦斯浓度最高，进行矿压前该矿井主巷道的瓦斯浓度高达0.27%左右，随着矿井埋深的增加，瓦斯浓度逐渐下降，而进行5 min矿压处理后的主巷道瓦斯浓度曲线虽然与矿压处理前整体趋势相同，但瓦斯浓度下降明显，瓦斯浓度最高为0.22%左右，矿压5 min后瓦斯浓度下降约0.05%，该结果表明，本文方法可有效对矿井巷道瓦斯浓度进行监测仿真，也从侧面印证了该方法对矿井工作面矿压情况仿真效果好。

图4 矿压前后瓦斯浓度情况Fig.4 Gas concentration before and after ore pressure

3 结语

本文依托虚拟现实技术，对基于虚拟现实技术的矿井综采工作面矿压显现仿真方法展开研究，并从不同角度对该方法进行了测试。测试结果表明，本文方法构建的矿井工作面矿压显现系统虚拟场景画面感十足且功能众多，可有效仿真矿井工作面矿压情况；可依据24 h内该巷道矿压平均值判断当前矿压是否符合矿压需求，实际应用性强；可有效仿真风机矿压，并描述矿井工作面矿压调整过程。