摘要：矿山安全与矿山救援到现在一直受到国家相关部门的高度重视。随着社会的发展虚拟现实技术已经普遍应用于模拟与仿真领域中。本文介绍了虚拟现实的概念、在我国发展的现状，并分析了现有的虚拟现实技术在矿山救援中应用的主要功能和特点。
关键词：虚拟现实技术；矿山救援；应用
引言：
矿井灾害，特别是动力型灾害，它的事故突发性特别强，由于事故发生后没有及时利用科学先进的抢险救灾技术、装备与手段进行抢险救灾，错过了最佳救援时机。所以利用有效的虚拟现实技术对于矿山救援是有很大帮助的。
一、虚拟现实的概念
虚拟现实，其实我们就是常说的VR，它是近年来出现的快速增长的高新技术，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，它创建了一个集视觉、听觉、触觉为一体的模拟动画世界，让使用者有身临其境的感觉，能及时并没有限制地观察三维空间里的事物。这个能让人身临其境的虚拟现实系统是由计算机图形学、图像处理、模式识别、多传感器、语音处理、音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。由于它是一项综合性极强的信息技术，目前已经广泛应用于矿山救援培训、军事、医学、设计和娱乐等领域中。
二、虚拟现实技术在我国的发展现状
虚拟现实技术在教学中的应用研究在国内外有着很大的差距，美国和欧洲一些国家在这方面的研究已有将近20年的历史，并且研究成果颇丰。比如北卡罗来纳大学的计算机系就是进行虚拟现实技术（VR）研究最早且最著名的的大学。他们主要研究分子建模、外科手术仿真、建筑仿真以及航空驾驶等方面；乔治梅森大学研发了一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统；华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室将VR引入了教育教学、设计、制造以及娱乐等领域；NEC公司研发了一种虚拟现实系统，它可以让使用者用‘“代用手”去处理三维CAD中的形体模型，它主要是通过数据手套将使用者的运动和对模型的处理结合起来。
而目前在我国，虚拟现实技术的应用研究水平还不够成熟，只有少数机构在做一些虚拟教学环境的创建实验，虚拟现实技术的研究一直受到国家相关部门的高度重视，是国务院及科技部的重点规划前沿技术，它被认为是信息技术在未来可持续发展的重要组成部分。
三、虚拟现实技术在矿山救援中的应用
虚拟现实培训在实际效果上虽然不及实物培训和实地培训，但比传统的课堂培训效果要好出很多。在矿山救援的培训中，由于矿山的“五大灾害”的危险性以及难以实物和实地模拟，这样就可以体现出虚拟现实培训的优势。矿山救援虚拟现实培训能做到在不危及人身安全的前提下以达到接近现实的培训目的。
本文介绍了一套为矿山救援培训设计的虚拟现实技术系统，该系统包含了三个组成部分：脚本、软件以及硬件。
（一）脚本
1、脚本的含义
培训脚本，简称为脚本。是指对矿山救援队及其他人员的培训和演练的软件制作内容的指导性描述文件，可以是文字形式，或是图文并茂的形式。其目的就是根据矿山救援培训材料，进行全方位的培训软件的整体设计与规划，编制软件制作的结构性文件。
2、脚本和软件内容
矿山基础知识交互式培训：矿井三维虚拟模型交互式培训，矿井开拓系统模型交互式培训，矿井供、排水系统模型交互式培训，矿井通风系统模型交互式培训，矿井生产系统模型交互式培训。
“五大灾害”（水灾、火灾、瓦斯、煤尘、顶板等）处理的培训脚本，从接警、出警、领取救援任务、建立井上基地、建立井下基地、灾区侦察、应急处理、系统恢复等模拟脚本。
3、脚本的特点
3.1在“五大灾害”事故脚本中设置危险因素，让救援人员在救援过程中及时发现这些危险因素，并要求他们进行正确辨别和及时处理危险因素的措施。脚本能够很好的体现出矿山灾害发生，蔓延以及救援过程，可以采用教学、问答、参观、个人救援和团队救援等方式的培训来提升救援的效率。
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3.2采用人工智能，比如当人走到一个设定的位置，系统就会弹出一个对话菜单，就可以进行人机交流，实现位置触发菜单。或者是当一个物体触发某些事件，可以按下电源开关会使机器开始运作。还可以实现人与物体之间的自动转化。该脚本采用了先进的培训模式和手段实现了新的救援人员和新旷工的上岗前的培训，让受训者在可以控制的环境下井下培训，从而积累救援经验，也可以培训他们发现危险的能力；让他们对“三违”危害有深刻的认识，发挥系统的警示功能，打消他们大意和侥幸的心理；提高救援队和矿工的应急救援能力，能在事故发生时快速的做出有效的救援措施，能及时消灭事故或是控制事故的蔓延。
（二）软件
该系统软件共有三层架构，表现层、业务逻辑层、数据永久层。
1、表现层
表现层是使用360˚大屏幕系统及平板电脑系统的视景。系统信息会直观地展示给用户，用户的输入信息通过用户手中的平板电脑系统传输到业务逻辑层，以此来完成用户和系统的交互。该系统是由3D引擎驱动的3D立体视觉景像、WEB接口方式的培训系统应用所构成的。3D立体视景主要作用是展示出逼真的画面，而WEB接口主要是提供系统管理接口界面。
2、业务逻辑层
业务逻辑层是系统架构中的核心组成部分，它主要的任务是完成业务规则的制定、业务；流程的实现等。它是介于永久层和表示层之间的，主要是在数据交互中起到承上启下的作用。总的来说，就是根据具体的问题和需求来进行实际操作，或是对数据永久层的操作，对数据业务逻辑的处理。
3、数据永久层
数据永久层的主要功能是对数据库进行直接的访问，涵盖了数据的增加、更新、修改、删除以及查找功能。数据库中主要存放脚本、培训计划方案、学员学习过程、成绩管理等。这种软件的特点是，扩展性好、灵活度高。
（三）硬件
该系统的硬件是由360˚环形屏幕、投影机、计算机集群系统、高速以太网络、8通道环绕立体音响、配电、机柜、UPS等组成的。360˚环形屏幕是用户接触该系统的第一窗口。用户使用位置在屏幕的中央。六台主动式3D立体投影仪，均分布在屏幕的四周和顶端。采用原装投影镜头可以保证画面的质量，也可以让用户在屏幕中央获取较大的活动范围。计算机集群系统是由6台工业电脑，1台备用工业电脑组成，从而提高系统的可靠性和安全性。8通道的音响的声源可以生成所有虚拟演练系统的计算机系统，让用户有身临其境的感觉。
（四）屏幕融合和软件拼接
该系统的核心技术主要运用了数字几何校正，图像边缘融合以及无缝拼接技术，几台投影仪同时启用，可以组成一个完整的整体。数字几何校正采用了3D引擎硬件，它能将3D数学模型按照实际屏幕的形状来变形，它所显示的图像也不用进行再次的调整。相比较于传统的硬件数字几何校正，它的使用性能有更为明显的提高，同时也节约了硬件的成本。
（五）无线遥控控制软件的研发和实现
该系统摒弃了传统的培训模式，取消了课堂讲台模式和老师控制电脑的安装，采用了我国首创的360˚环幕培训的方式。因此，研发出新型的教学操控系统是势在必行的。所以选择使用无线平板电脑来作为教师机的平台，研发相关的应用软件就可以满足我们的需求。
该教师机的主要功能有，远程启动计算机系统、远程关闭计算机、自主选择场景、检查系统的运行情况、控制中央镜头的移动、控制虚拟救援队的行动、使用地图、控制视频、选题、出题、取消考试题目、检查学生的答题情况、退出系统等功能。
结束语：
虚拟现实技术在矿山救援中可以更为直观，迅速的判断事故区域的危险性，在不危及人身安全的前提下进行有效、快速的救援，从而极大限度的提高了矿山救援工作的安全性、科学性和有效性。
参考文献：
[1]朱海军.新型便携式气相色谱仪在矿山救援中的应用[J].煤炭科学技术，2013，S1：155-156+12.
[2]赵书尧，宋立昌，赵联信，安福东.微震监测系统在矿山救援中的应用[J].矿业装备，2013，05：114-116.
论文作者:袁聪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/26
标签：虚拟现实论文; 系统论文; 矿山论文; 脚本论文; 技术论文; 矿井论文; 软件论文; 《基层建设》2017年第17期论文;