1、博士学位论文综采工作面安全生产虚拟现实系统关键技术研究Research on the Key Technology of Fully Mechanized Coal Face SafetyProduction of Virtual Reality System申请人姓名 ： 赵国梁指 导 教 师 ： 余学义专 业 名 称 ： 矿业工程研 究 方 向 ： 矿山虚拟现实技术西安科技大学二 O 一二年四月Research on the Key Technology of Virtual Reality System in FullyMechanized Coal Face Safety Produc
2、tionDissertation Submitted toXian University of Science and TechnologyIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of EngineeringBy Zhang PeiCollege of Energy EngineeringDissertation Directed by Professor Huang QingxiangApril,2012IV论文题目：综采工作面安全生产虚拟现实系统关键技术研究专 业：矿业工程博 士 生： 赵国梁 （签名
3、）指导教师： 余学义 （签名）摘 要煤矿生产系统是一个的复杂时变系统，将虚拟现实技术应用于煤矿安全生产和管理中，具有重要的科学意义和应用价值。针对煤矿综采工作面的特殊复杂性，从安全生产角度出发，对综采工作面安全生产虚拟现实系统的关键理论和技术进行了深入的研究，同时开发了综采工作面安全生产虚拟现实应用系统。主要研究结论如下：（1 ）综采工作面真三维视觉沉浸技术沉浸感是虚拟现实重要特征之一，研究了立体视觉沉浸显示技术的两种方法实现方法：桌面式立体显示系统和多通道立体显示系统。利用计算机视觉中的双目立体视觉原理，采用双中心投影算法实现了红蓝立体显示系统。针对多通道立体投影系统是需要解决非线性失真、画
4、面的数字图像边缘融合与拼接、数据同步和通道间的色彩与亮度平衡四大问题，提出一种基于极坐标系的从二维平面到三维空间的基于纹理贴图的校正方法，解决了各种投影面几何失真的情况；通过相邻显示区域小部分重叠的拼缝消除技术实现了画面的数字图像边缘融合与拼接；通过帧缓存同步和数据多通道视景控制技术实现了同步控制；通过相邻投影通道 gamma 曲线匹配法来进行多通道画面的通道间的色彩与亮度平衡。（2 ）综采工作面生产系统仿真井下三维场景的建立是整个虚拟现实仿真系统的基础。提出了利用 loft 放样方法创建三维巷道模型，利用多边形体元结构创建地下岩层，二者进行布尔运算，然后形成真实感地下巷道。综采工作面机械设备
5、结构复杂，提出采用 OpenGL 和 3Dmax 软件相结合方法实现复杂机械建模，首先在 3Dmax 中进行建模，以 VC 作为开发工具， OpenGL 作为模型显示和控制平台，将由 3Dmax 中制作模型生成导出为 3DS 格式文件，经过一系列模型简化和显示处理读取到 OpenGL 环境中，从而实现综采工作面复杂机械机构建模。综采设备大部分属于多刚体系统，基于多刚体理论提出一套运动模拟方法，该方法以多体树描述系统的拓扑结构，以体间相对角速度分量和相对位移导数为广义速率，以 V欧拉角为体间相对方位坐标，用 N-E 方程推导出动力学方程，实现综采设备的动力学和运动学规律模拟。（3 ）交互式煤矿安
6、全培训技术煤矿安全技术培训是提高煤矿员工岗位安全技术操作水平和理论素质，确保矿井安全生产的有效途径和重要安全措施之一。传统的煤矿安全培训方法采用多媒体、课堂讲座、试卷考试的形式，内容枯燥，往往效果不佳。首次将网络游戏思想和方法引入到煤矿安全培训领域，借鉴角色扮演类 RPG 网络游戏的设计思想，将学习、教育、娱乐有机的结合为一体，建立一种新型的交互式煤矿安全培训模式。首先设计了系统模块总体架构，从安全培训的情景设计、环境设计、角色设计、关卡和人物设计四个方面阐述主要设计方法。设计的思想是：该角色设定为一名刚走上工作岗位的学生，从最基层矿工做起，经过各个工种的学习和实践工作，层层闯关，然后成长为煤
7、矿高级领导干部的人生经历。随后又对所涉及的关键技术进行详细阐述，这些关键技术包括：碰撞检测、虚拟矿工建模和行为控制、虚拟矿工人工智能。（4 ）基于 HLA 的分布式煤矿安全应急救援演练技术高层次体系结构 HLA 作为美国国防部军事战场战术演练和演习技术结构，在军事和航空航天仿真中得到广泛应用，但是在煤矿三维仿真领域还没有得到应用，首次将高层次体系结构（HLA）作为分布式交互仿真的系统构架引入煤矿灾害应急救援演练中，重点研究基于 HLA 的煤矿联邦成员的开发设计流程和方法，说明煤矿联邦成员的信息管理，信息交互方法以及信息的发布、订购原理，对矿工联邦成员的 FOM 映射方法和数据的编码、解码，编程
8、实现进行说明；然后说明联邦间实现同步的方法和仿真进程控制的实现。最后给出矿井各联邦成员的 HLA 线程的仿真流程图。最后以黄陵一号矿 607 工作面为例，以 VC 作为高级语言开发平台，OpenGL 为三维图形开发库，开发了综采工作面安全生产虚拟现实应用系统，包括煤矿安全生产系统仿真、安全技术培训、安全事故应急救援演练、安全监控三维可视化和移动监控模块，实现了井上下三维漫游、安全知识考核、安全避灾训练、灾害模拟和应急救援、安全远程监控三维可视化等功能，对煤矿安全生产起到有力推动作用，具有广泛的应用价值和推广价值。关键词：综采工作面；虚拟现实；生产系统仿真；交互式安全培训；分布式救援演练研究类型
9、：应用研究 III学 位 论 文 独 创 性 说 明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 日期：学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复
10、印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 VIIUnderground three-dimensional scene to establish the basis of the entire virtual realitysimulation system. Using loft method to create three
11、-dimensional model of roadway, the useof the polygons body structure to create underground rock, the two Boolean operations, andthen form a realistic underground tunnel. Complex structure of fully mechanized coal facemachinery and equipment, simple to use OpenGL function geometric modeling is extrem
12、elydifficult, the paper uses the OpenGL and 3Dmax Software, combining complex mechanicalmodeling, first of all be modeled in 3Dmax, and then as a development tool VC OpenGL as amodel to display and control platform, the production model will be 3Dmax generate exportto 3DS format files, read the Open
13、GL environment after a series of model simplification anddisplay processing, in order to achieve the modeling of complex mechanical structure of thefully mechanized coal face.Most of the mining equipment belongs to multi-rigid-body systems, motion control ofequipment to use the theory of classical m
14、echanics (vector mechanics and analyticalmechanics) have significant limitations. The paper proposed a theory of multi-rigid bodymotion simulation method. The method to many-body tree describes the topology of thesystem, relative angular velocity between the body weight and relative displacementderi
15、vative of the generalized rate, the Euler angles for the relative position coordinates in thebody, N-E equation is derived kinetic equation, mining equipment simulate the dynamics andkinematics of the law.(3) The coal mine safety training systemThe coal mine safety and technical training to improve
16、the operating level and thetheoretical quality of coal mine employees job security technology to ensure that an effectiveway to mine safety production and one of the important safety measures. Coal mine safetytraining methods using multimedia, classroom lectures, papers exam form, content, boring,an
17、d it is often ineffective. Network game ideas and methods introduced into the field of coalmine safety training, drawing on the design idea of playing RPG online games, you will learn,education, entertainment, a combination of organic as a whole, the establishment of a newtype of coal mine safety tr
18、aining mode.The papers involved in the key technology to elaborate on these key technologies, including:collision detection, virtual the miners modeling and behavior control, virtual miners artificialintelligence.(4) HLA-based distributed coal mine safety emergency rescue drillPapers establish the m
19、ine emergency rescue drill system based on HLA FrameworkAgreement focus on coal federate in the HLA-based development and design processes andVIIImethods, focusing on members of the coal federal information management, informationexchange methods, and the release of information, ordering principle,
20、federal members ofthe FOM mapping methods and data encoding, decoding, programming; federalinter-synchronization methods and simulation process control to achieve. Finally, given theHLA simulation flow chart of the threads in the Federal members of the mine.Finally Huangling No.1 mine 607 face, for
21、example, to the VC as a high-levellanguage development platform, OpenGL 3D graphics development libraries, thedevelopment of fully mechanized coal face production safety of virtual reality applications,including coal mine production safety system simulation, security technical training, safetyemerge
22、ncy rescue drills, security monitoring, 3D visualization and mobile monitoringmodule to achieve the 3D roaming Inoue under the assessment of safety knowledge, safetyand disaster prevention in training, disaster simulation and emergency rescue, security 3Dvisualization function, value and promotion o
23、f value.Key words: Mechanized Mining Face; Virtual Reality; Interactive Safety Training;Distributed Emergency RescueThesis: Application ResearchVISubject:Research on the Key Technology of Virtual RealitySystem in Fully Mechanized Coal Face Safety ProductionSpecialty :Mining EngineeringName : Zhao gu
24、oliang (Signature)Instructor : Yu xueyi (Signature)ABSTRACTMine is a multi-hazard complex system, virtual reality technology in coal mine safetyproduction and management, has important scientific significance and application value. Inthis paper, coal mining face of the special complexity of the mini
25、ng face virtual reality systemsafety critical theory and technology for a more in-depth research, and development of safeproduction mining face virtual reality system.These key technology have been researched:(1)Fully mechanized coal face real three dimension immesion technologyThe immersion is one
26、of the basic characteristics of virtual reality, immersivestereoscopic vision display technology as a vital supporting technology of virtual reality. Thepaper studies the desktop stereoscopic display system and multi-channel stereo displaysystem. Binocular stereo vision principle in computer vision,
27、 two-center projection algorithmto achieve the red and blue three-dimensional display system. Need to solve thethree-dimensional projection system for multi-channel nonlinear distortion, a digital image ofthe screen edge blending and stitching, four issues of data synchronization and the channelbetw
28、een the color and brightness balance. The paper presents a calibration method based onpolar coordinates from the two-dimensional plane to three-dimensional space based ontexture mapping, to solve a variety of projection plane geometric distortion; adjacent displayregion partially overlapping patchwo
29、rk cancellation technology to achieve screen the edge ofthe digital image fusion splicing; frame buffer synchronization and data multi-channel visualcontrol technology to achieve the synchronization control; adjacent projection channelgamma curve matching method to carry out multi-channel screen cha
30、nnel between color andbrightness balance.(2) Fully mechanized coal face production system simulation 目录I目 录1 绪论 . 11.1 选题的背景及研究的意义 . 11.1.1 选题背景 . 11.1.2 研究意义 . 21.2 课题研究领域的国内外现状和动态. 31.2.1 虚拟现实技术研究现状与动态. 31.2.2 虚拟现实技术在矿业工程中的研究 . 71.2.3 本领域需要进一步研究的问题. 101.3 本论文研究内容和研究方法 . 122 综采工作面安全生产 VR 系统分析 . 162
31、.1 综采工作面生产系统基本特征 . 162.2 安全生产虚拟现实系统关键技术分析 . 192.3 虚拟现实系统开发平台和开发流程. 222.4 小结 . 273 综采工作面真三维视觉沉浸技术. 283.1 红绿立体显示系统 . 283.2 多通道立体显示系统 . 323.2.1 非线性失真矫正技术的实现 . 323.2.2 通道拼接和光栅对齐. 363.3 通道数字图像边缘融合与无缝拼接的实现 . 373.4 数据同步 . 383.4.1 多通道视景同步控制技术 . 393.4.2 帧缓存交换同步 . 393.5 多通道间的色彩与亮度平衡的实现 . 413.6 本章小结 . 424 综采工作
32、面生产系统仿真技术 . 434.1 地下巷道 Loft 建模 . 434.1.1 Loft 放样创建巷道模型 . 444.1.2 巷道和岩层地质体布尔运算 . 464.2 综采设备建模. 484.2.1 采煤机 3Dmax 建模 . 491 绪论11 绪论1.1 选题的背景及研究的意义1.1.1 选题背景煤矿是煤炭生产的基本部门，它是一个非常复杂的生产系统，井下作业环境非常恶劣和危险。由于井下环境光线昏暗，巷道布置的层位交叉错综复杂，井下作业空间狭小及危险的多变性，隐蔽性和受各种突发情况影响等给安检人员和矿工进行安全教育与培训，提高煤矿主管部门监督管理的职能等问题带来难度。特别是煤矿综采工作面
33、，传统的研究方法不仅实验环境难以保证，而且耗资巨大，又相当危险，研究结果也难以得到验证。从事煤炭行业的工作人员和科研人员一般靠文字、工程、图纸等来了解和熟悉煤矿生产系统和运行状况。用文字和图纸来讲授和学习，很难形象直观地反映出井下设备运转和巷道布置与支护等真实情况，效果也并不理想，深入矿井现场认识井下生产状况虽然是最基本最可靠的一种方法，但是费时费力。这就迫切的需要利用现代化的信息技术对煤矿生产状况进行再现和重构。同时，为减少煤矿安全事故造成损失，各级煤矿生产主管部门和生产企业均建立了事故应急救援预案，事故应急救援演练或者演习是其中重要的一项工作，应急救援演练需要消耗大量人力和财力，对正常的生
34、产和生活持续造成一定影响，因此需要建立智能化煤矿虚拟仿真平台，实现各部门应急救援演练和评估，充分体现安全事故损失控制、预防为主、常备不懈、统一指挥、高效协调以及持续改进的思想。虚拟现实技术作为 21 世纪新兴的一门技术已经被广泛的应用于航空、航天、船舶、铁道、建筑、土木、科学可视化、医疗、军事、教育、娱乐、艺术、体育等领域。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生产系统模拟和应急救援演练是一种新的尝试，利用计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的 虚拟环境 ，从而使得用户在视
35、觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，改进人们利用计算机进行多工程数据处理的方式。因此，把虚拟现实技术应用到煤炭行业已成为将来的必然趋势。但目前虚拟现实技术在煤炭工业方而的研究属起步阶段。论文将立足于虚拟现实技术在煤矿安全生产和事故应急救援演练应用需求，对虚拟现实系统的关键理论和技术目录II4.2.2 采煤机 3DS 数据读取和显示 . 524.2.3 模型细节层次处理技术 . 554.3 综采工作面生产工艺仿真. 614.3.1 综采设备运动仿真 . 614.3.2 煤流粒子运动仿真 . 674.4 小结 . 705 综采工作面交互式矿工安全生产培训技术 . 715.1 交互式矿工安全培训概述.
36、 715.2 交互式安全培训设计 . 735.2.1 情景设计 . 735.2.2 模块环境设计 . 755.2.3 角色设计 . 775.2.4 关卡和任务设计 . 795.3 交互式安全培训系统关键技术 . 805.3.1 碰撞检测 . 805.3.2 虚拟矿工建模和行为控制. 845.3.3 虚拟矿工人工智能 . 925.4 本章小结. 976 综采工作面分布式安全事故应急救援演练技术. 986.1 应急救援高层体系结构(HLA)技术研究 . 986.1.1 应急救援演练 HLA 概述 . 986.1.2 救援演练 HLA 规则 . 1016.2 矿工联邦成员程序结构. 1096.2.1
37、 应急救援 HLA 线程设计流程 . 1106.3 煤矿 FOM 映射开发. 1156.3.1 矿工动作类设计 . 1166.3.2 应急救援数据的编码、解码 . 1176.4 应急救援仿真同步与暂停控制 . 1176.4.l 救援同步控制 . 1176.5 本章小结 . 1217 综采工作面安全生产虚拟现实应用系统开发 . 1227.1 应用系统结构和组成 . 1227.2 立体显示系统实现方法 . 1237.3 软件系统模块实现方法 . 125 目录III7.3.1 综采工作面生产系统三维建模和仿真 . 1267.3.2 交互式安全培训模块. 1337.3.3 基于 HLA 的分布式应急救援演练模块 . 1367.3.4 基于移动互联网的安全移动监控三维可视化 . 1387.4 本章小结. 1458 结 论 . 1468.1 主要结论. 1468.2 创新点 . 1478.3 展望. 148致 谢 .149参考文献 .
