基于虚拟现实技术的综放工作面仿真研究_张光磊.pdf

控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于虚拟现实技术的综放工作面仿真研究张光磊1,2,汪海涛1,2,张 磊3(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710000；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710000;3.陕西金合信息科技股份有限公司，陕西 西安 710000)摘要:为了实现矿井环境可视化，研究基于虚拟现实技术的综放工作面仿真。创建虚拟场景内部综放设备的数据库，结合纹理映射技术实现场景的真实化处理，将虚拟场景内综放设备的文本信息以及仿真过程中的设备信息储存至二维数据库，场景内可见的全部目标与其对应位置关系储存至三维场景数据库，通过ODBC方式实现数据库通信，利用OpenGL在人机界面显示中文信息。实验结果表明方法能够清晰、逼真地展示矿井下的作业环境，提升综放工作面内综放设备运动行为的仿真准确率，并且可以快速、准确地规划路径，保证矿井人员在最短路径内逃生。关键词:虚拟现实技术；综放工作面仿真；综放设备建模；纹理映射中图分类号：TP391.9文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0062-05Simulation of Fully Mechanized Caving FaceBased on Virtual Reality TechnologyZHANG Guang-lei1,2,WANG Hai-tao1,2,ZHANG Lei3(1.China Coal Xian Design Engineering Co.,Ltd.,Xian 710000 China;2.China Coal Energy Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710000 China;3.Shaanxi Jinhe Information Technology Co.,Ltd.,Xian 710000 China)Abstract:In order to realize the visualization of mine environment,the simulation of fully mechanized top coal caving face based on virtualreality technology is studied.The text information of fully mechanized top coal caving equipment in virtual scene and the equip-ment information in simulation process are stored in two-dimensional database.All the visible objects in the scene and their corre-sponding positions are stored in three-dimensional database.The database communication is realized by ODBC,OpenGL is usedto display Chinese information in man-machine interface.The experimental results show that this method can clearly and realisti-cally show the working environment under the mine,improve the simulation accuracy of the movement behavior of fully mecha-nized top coal caving equipment in the fully mechanized top coal caving face,and can quickly and accurately plan the path to en-sure that the mine personnel escape in the shortest path.Keywords:virtual reality technology;fully mechanized caving working face simulation;fully mechanized mining equipment modeling;tex-ture mapping收稿日期:2021-05-26DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0062-05.1引言煤矿综放工作面是补充运输采煤机未切割的大功率运输机放置的普通综放工作面，主要位于厚煤层。煤矿井下具有事故高发、能见度低的问题，在教学与培训矿工安全方面的隐患较大1-2。针对这一问题，Kong D等人3分析了综放工作面软厚顶板破坏规律，但是该方法参数调节难度较高；胡雪雪等人与薛光辉等人分别以ARIMA模型与随机森林为出发点对煤矿综放工作面展开仿真4-5，但这两种方法均较为理论，对综放工作面的运动行为仿真准确率低。综上分析上述方法在实际中的应用性有待提升，为此本文研究基于虚拟现实技术的综放工作面仿真，将虚拟现实技术与综放工作面相结合。虚拟现实技术是结合计算机与其他硬软件将仿真的现实世界进行三维动态可视化的反映，用户可以体验到“身临其境”的感觉6。基于虚拟现实技术的综放工作面仿真能够清晰模拟出全部生产工艺过程，具有耗资少、安全方便、可重复操作的优点，并且有积极的抢险救灾意义。2基于虚拟现实技术的综放工作面仿真为实现对矿井下工作环境与生产工艺的模拟，提出62自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications结合虚拟现实技术仿真综放工作面，令用户能够切身体验矿井下工作环境以及综放工作面的整个生产过程，在综放工作面虚拟场景中自由漫游，深入了解生产煤的工艺7。综放工作面仿真主要包括以下两个方面：(1)虚拟场景的构建：综放工作面是一个大型复杂系统，构建其虚拟场景的第一步是确定三维场景的基本布局(图1)，其主要通过回风顺槽、运输顺槽以及综放工作面三条相连的巷道构成，得到一个基本的生产系统。需要在场景内构建的模型除图1中所标注内容外还有巷道、煤壁等结构，通过对其配置要求的高度现代化实现虚拟场景的逼真与自由漫游。图1综放工作面虚拟场景布局图(2)生产工艺过程的模拟：综放工作面共有采、装、运煤以及支护、采空区处理五部分的生产工艺过程，包括手动操作与自动演示两种生产工艺过程模拟方法，主要是利用图1中各设备的自身运动与交互操作表示生产工艺过程。2.1仿真结构根据图1所示的综放工作面虚拟场景布局图，进行综放工作面仿真分析，构建三维模型以完成综放工作面的功能交互。结合虚拟现实技术仿真综放工作面，得到综放工作面仿真结构如图2。图2仿真结构按照模块化设计思想分析综放工作面仿真结构，主要将其分为建模、煤流粒子系统设计、场景合成、场景真实化处理、数据库设计、人机界面开发六大部分8。建模主要分为几何与运动建模，通过工作面平面图、机械设备的零件、施工图纸、纹理映射以及运动数学模型实现几何与运动建模。通过煤流粒子系统可以模拟综放工作面上的煤炭颗粒运动，并定义煤流粒子内各粒子在喷出时其寿命、速度以及方向跟随模拟时间变化而经历各个阶段，利用场景数据库和几何和运动模型呈现真实感最佳的综放工作面煤流效果。利用实时仿真软件Vega中的Lynx工具，添加光照、声音等外部条件，并利用选取工具，将各项外部条件的参数进行调整和优化，达到综放工作面中实物可视化的目的。采用在综放工作面内部设定物表材质及纹理贴图、调整场景光照效果的方式可实现场景的真实化处理，提高场景真实感。通过数据库主体部分的三维场景数据库对场景中所有可见目标及其对应位置关系进行具体描述，可以实现对三维模型的管理和操作，为统一管理工作过程中三维对象的文本信息和仿真过程中的设备信息，需要在VC软件中建立一个二维数据库，以保存和输出仿真文本信息，通过ODBC实现数据库间的通信。通过该方法可以令用户在亲自操作设备的过程中实现与设备交互，并通过矿井下的游览规划出最优逃生路径以应对意外发生。2.2运动模型的实现仿真综放工作面的核心工作是研究综放工作面内各设备在运动过程中是否配套，已知综放工作面内以液压支架和采煤机两种设备为最主要，此处仅以液压支架为例描述运动模型完成的过程。液压支架的简化模型如图3所示。图3液压支架数学模型图在图3中，点Q、点M、点N、点P均为铰接点，O点为液压支架瞬时运动的中心位置，L1、L2、L4为长度，、为夹角。跟随推进综放工作面，虚拟场景中的液压支架降架、移架与升架的动作不断重演，其中，移架过程的实质为模63控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications型各点坐标平移的过程，即依靠改变交接点的角度实现降架和升架，完成液压支架在维持底座不动的同时上下运动的过程。由此可知，在实现综放工作面运动模型设计过程时，首先需要确定铰接点位置，结合图3内容得到P、M、N点的坐标为：(1)根据图3所示的液压支架数学模型可知，液压支架的初始支撑高度即立柱高度为H：(2)液压支架上下运动的过程中前连杆围绕Q点进行圆周运动，得到坐标N点符合方程：(3)结合公式(2)、(3)得出、关于H的关系函数为：(4)在液压支架升架与降架的情况下，可根据支柱的变化量H得出完成变化的、，进一步得出新P、M、N点坐标后更新液压支架模型。2.3纹理映射原理完成综放工作面内三维模型与虚拟场景构建后需要对三维模型进行纹理映射并设定控制参数，通过纹理映射能够模拟综放设备表面精细、不规则的颜色纹理，还可以在三维模型表面覆盖任意平面图像，令三维模型表面生成逼真的色彩纹理，提高三维模型真实性的同时简化建模过程。纹理映射的具体过程为，在构建的虚拟综放工作面中，判断综放设备表面的纹理参数，在此基础上对纹理、综放设备以及屏幕三部分空间进行映射，得到映射定义如图4。图4映射定义在图4中，(u,v)为纹理坐标，若只包含基础轮廓特征缺乏表面纹理细节，其真实性就会下降，通过对各模块的纹理映射，可有效提升三维模型的真实性。得到曲面片投影的空间取决于曲面片的总体方向，投影位置为曲面片总体方向与平面夹角最小的平面。已知综放设备表面部分区域为曲面，需要求取曲面片的总体方向。设曲面片的法向量为V，为掌握综放工作面内三维模型的整体方向，需要求取综放工作面内三维模型中各个模块的平均矢量和，通过计算全部面片法向量的和平均值描述，得到：(5)通过透视投影变换计算网格点的纹理坐标分析曲面片与其对应纹理坐标之间的映射关系，得到公式如下：(6)(7)式中，s1，s2，s3，s4，s5均为未知参数，X和X分别为映射前后的坐标，S为网格点纹理坐标的映射矩阵，k为常数。综上所述并结合所得纹理图片大小设置纹理图片尺寸为a*b，简化公式(7)过程如下：(8)式中，r、t均为未知参数，(g，j，z)为曲面顶点坐标。纹理提取时的全部纹理均做最小包围，图片边缘包含大量相切的点，极易得到一组特征点，而在公式(8)中仅代入一组特征点就可以得出未知参数。若设定纹理坐标(u,v)和曲面顶点坐标(g,j,z)为一组特征点，那么代入该组特征点至公式(8)中可得出：(9)3实验分析将本方法应用在某煤矿的矿井中，验证方法的仿真性能。图5为本方法仿真的综放工作面内综放设备模型64自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications以及煤矿采煤机操作场景。(a)采煤机三维模型(b)液压支架三维模型(c)煤矿采煤机操作作业实物仿真图5本文方法的综放设备与场景仿真结果根据图5可知，本方法具有较好的三维模型仿真效果，原因是在仿真过程中加入了纹理映射技术，可以清晰、逼真地仿真出三维模型效果。图6综放设备运动行为仿真准确率对比结果以综放设备的运动行为仿真准确率为指标评价综放工作面仿真效果，综放设备的运动行为仿真效果越好，综放工作面最终的体验效果相对更逼真，为验证本文方法的综放设备运动行为仿真效果，选取基于ARIMA模型的煤矿综放工作面仿真方法4和基于随机森林的综放工作面仿真方法5为对比方法，对比三种方法的综放设备运动行为仿真准确率，对比结果如图6所示。由图6可知，三种方法的综放设备运动行为仿真准确率在18 s之前均呈上升趋势，并且在18 s时均抵达最高点，但在18秒以后，三种方法的仿真准确率都开始下降，其中本文方法的运动行为仿真准确率一直高于其他两个对比系统，实验结果表明，本文方法可以精准展现综放工作面中设备运动情况，仿真效果较好。由于矿井下意外多发、安全系数较低，测试本文方法仿真逃生路径的规划性能，采用三种方法在实验矿井网格内实行逃生路径规划，测试结果如图7所示。分析图7可知，本文方法规划的逃生路径转角最少，能有效降低人员在逃生过程中与障碍物产生碰撞的情况，并且路径最短；文献4方法与文献5方法规划的逃生路径转角较多，容易令人员在逃生过程中与障碍物发生碰撞，并且路径较长。说明本文方法仿真的路径规划效果最好，在突发意外时能够保证矿井中人员在最短路径内逃生，增加逃生效率与安全系数。统计上述三种方法的仿真路径规划结果数据，结果如表1所示。表1三种方法的测试结果相关数据对比路径长度/像素转角数量/个搜索节点数量/个运行时间/s本文方法58.46111280.194文献4方法77.55641640.345文献5方法62.84441720.391分析表1可得，本文方法所仿真的路径长度比文献4方法缩短了19.095像素，比文献5方法缩短了4.383像素；图7逃生路径规划测试结果(a)本文方法(b)文献4方法(c)文献5方法(下转第86页)65计算机与通信技术Computer and Communication Technology自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications可知，传统应急处理系统1在处理应急网元时，产生的平均负载数值为70 kW，实际产生的负载数值最大。传统应急处理系统2产生的平均负载数值为61 kW，在应急处理网元时，系统对应产生的负载较小。而所设计的应急处理服务系统产生的平均负载数值为20 kW，与两种传统应急服务系统相比，所设计的系统在执行相同的应急网元时，对应产生的负载数值最小。图7三种应急处理服务系统负载结果5结束语智能电网概念一经提出，就衍生出了多方面的学术研究，在云平台技术的支持下，设计电力用户远程网络充值应急处理服务系统，能够改善传统应急处理服务系统负载过大的不足，为今后研究电力应急服务系统提供理论支持。参考文献:1 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