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规划设计

在煤炭领域,虚拟现实技术由于具备先天的沉浸性、交互性,也越来越受到重视并在局部开展了试验性应用,取得了较多的研究成果,包括煤矿虚拟现实场景仿真、教育培训、煤矿装备虚拟现实监测监控虚拟规划和“VR AR”技术融合设计等方面。

但和其他工业领域应用相比,在深度和广度上还有较大迟滞甚至落后,离真正的工业化应用还有相当大的距离。



近期,煤矿综采装备山西省重点实验室的学者谢嘉成、王学文、李祥、杨兆建发表了题为《虚拟现实技术在煤矿领域的研究现状及展望》的文章,结合虚拟现实技术在其他通用领域中的应用,做出了对未来发展趋势的方向性判断。


煤矿“VR AR”应用现状 


近年来,随着虚拟现实技术的不断进步与成熟,虚拟现实技术逐渐被应用于综采监测监控领域,依靠虚拟画面模型变化来实时反映综采工作面实际的运行状态,进而实现稳定可靠、界面直观的远程监测和控制。并可根据其当前运行位姿和状态,进行故障预判。也可适时调整系统运行参数,进行必要的远程人工干预,达到临场式控制与调度的效果。

在综采装备虚拟监测监控技术的运用手段上,主要依赖 Virtools、EON 和 Unity3d 等虚拟现实操作平台而进行设计、整合和创新研究。 

近年来综采工作面虚拟现实监测监控研究现状


在国内,最早进行综采工作面虚拟现实监测的研究主要利用 Virtools 软件。但其监测对象主要局限在采煤机或液压支架单机。利用其与数据库现成的接口进行连接,进行了理论探索,并未进入工业试验阶段。

进行培训与教学方面应用的综采虚拟现实仿真大都是在ProE、UG等CAD建模软件和 3DMAX 等艺术性建模软件中建立模型, 并进行中间格式的转换,依托 OSG、Quest3D 和 Unity3d 等虚拟仿真软件,编写相关运行脚本和进行界面设计,实现对整个综采工作面的实景再现。


AR技术因为必须有相对应的硬件设备作支持,比如佩带相应的AR眼镜、主机连接较为繁琐等,当其在实际井下应用时更为困难,但在煤矿培训方面还是大有潜力可挖的 。


安徽淮北矿业桃园煤矿保运区职工使用VR装备观看煤矿安全事故警示片 

图片来源:安徽煤炭网


为煤矿装备服务的虚拟现实技术

“虚拟设备仿真不可控,仅是艺术性动画展示” 可以说是当前虚拟现实技术在煤矿领域应用的最大痛点。

应用虚拟现实技术为煤矿装备服务仍有很多难题需要攻克,但也有很大潜力需要进一步挖掘,主要在以下几个方面。

实际工况虚拟场景仿真方面与计算等技术支

1) 首先应针对井下工况环境煤矿装备运行以及结合三维数字化顶底板进行仿真, 这是虚拟现实监测与规划的仿真基础; 必须完成采煤机虚拟空间定位、行走与记忆截割、刮板输送机三维空间形态布置与弯曲和真实地质数据驱动的煤层构建等。
2) 虚拟现实仍然需要提供很多技术支持,比如在监测与计算方面,应该深度挖掘其潜力; 主要思路是对不同工况条件下的研究内容进行可视化仿真,主要方法为基于数学模型编译的VR软件, 进而利用VR软件进行仿真输出理论曲线, 再进行物理试验验证数学模型的正确性。 


虚拟现实规划方面
虚拟现实规划方法的目的是为了快速预选装备,并可进行预演、模拟,同时进行新的规划,达到在装备选型设计阶段即可提前发现与预判装备运行中可能遇到的各种问题。
1) 应进一步加强煤矿装备数字化设计水平, 建立一系列参数化三维模型产品库, 可随时调用各种采煤机、液压支架和刮板输送机模型资料。
2) 应进一步将现有综采装备选型方法与虚拟规划方法进行融合,利用三维模型产品库,对相关产品进行快速选型,并进行虚拟规划。
3) 应进一步将实际工况虚拟场景仿真技术应用于虚拟规划, 建立可靠的 GUI 界面与接口, 满足用户对规划的输入要求。

充分挖掘虚拟现实技术在大型复杂工况条件下的运用潜力,建立数据接口, 实现控制联动, 做到透明开采与精准开采。
1) 突破“信息采集 数据存储 网络协同 底层计算 虚拟现实”的多软件实时在线耦合问题, 实现监测数据与虚拟画面的实时融合。
2) 基于C/S架构, 采用局域网协同方式, 解决综采全景VR监测传感器节点信号多所导致的服务器数据压力大、画面卡顿等问题。
3) 底层嵌入数据分析服务器, 对历史数据进行分析、挖掘和预测, 并能将结果显示在监测画面中,为综采全景VR监测提供可靠的分布式计算解决方案。



煤机装备制造的虚拟设计方面
1) 基于“数字双胞胎”理论, 将嵌入式传感器融入煤机装备的全生命周期过程中, 借助5G等传输网络与北斗卫星导航, 将装备状态与虚拟镜像实时保持同步,煤机装备制造企业实时同步获取运行数据,实现设备自诊断与维护。
2) 将现有虚拟数字化设计成果应用于煤机装备生产制造过程中,更好地为生产服务。



透明采煤方面
1) 构建虚拟现实环境下综采工作面装备、数字化顶底板及地理环境虚拟镜像与模型, 将三机装备在一个和多个采煤循环内的连接关系, 以及三维地理环境的内在动态耦合关系真实地呈现在虚拟画面中。
2) 进行“全面实时感知工作面装备及地理环境”的关键技术与基础理论研究, 建立稳定可靠的工作面远程透明监控系统。 


随着我国煤炭工业进入高质量转型发展期,必将对煤炭装备制造提出越来越高的要求, 虚拟现实技术也将借助智能制造与更先进的技术形成融合之势,引发全新的革命性突破,定将持续大力度促进我国能源技术突飞猛进。



来源:煤机网

责编:龙志阳        | 编辑:龙志阳