基于虚拟现实的煤矿火灾逃生培训系统关键技术研究

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虚拟现实技术、计算机仿真技术的发展,为矿山安全培训技术的发展带来了新的契机。虚拟现实技术与矿山安全培训的结合,使该课题成为多学科、多领域交叉的问题。本文在借鉴前人研究成果的基础上,利用虚拟现实技术作为可视化培训平台,结合矿山安全相关理论,对虚拟现实煤矿火灾逃生培训的关键技术进行研究。其主要内容包括以下几个方面:  (1)煤矿通风系统模拟的实时性研究。利用回路风压平衡及cross迭代法对矿下风网进行解算。考虑到虚拟现实系统与解算模块的交互性,受训人员的动作需干预到数值解算,本文采用重找最小生成树及余树的机制,当受训人员动作影响到通风系统的时候,对相应的通风属性进行动态更新并与解算模型无缝融合。  (2)虚拟现实平台与数值解算模块实时通信。利用游戏引擎Unreal Engine3(以下简称虚幻3)作为虚拟现实平台具有视觉效果及开发效率上的优势,但由于其非开源性及技术保护的目的,对于接口有严格的规定,使得不同的引擎的接口规范不尽相同。本文从游戏引擎的特性入手进行分析,采用TCP/IP技术作为数据传输协议,从而能够直接调用引擎的网络接口,使该方法具备一定的通用性。  (3)虚拟现实平台外部接口与内部粒子系统通信的问题。虚幻3引擎的免费开发包Unreal Development Kit中的粒子系统编辑器可以有效快速的制作烟气弥散效果,但由于其面向对象为美工人员,未能开放外部接口。本文从烟气的部分属性入手,研究其对应的粒子系统属性,并将该属性暴露至接口,根据数值解算模块的结果对巷道内烟气进行控制。  (4)培训原型系统具体实施过程中,烟气效果的合理设计。由于虚拟现实技术的局限性并考虑到计算的复杂程度,对某些非关键性属性进行合理取舍,受训者视界之外不需对烟气进行描画。本文采取插值拟合的方式,取巷道起点及终点的状态为输入,根据受训者所处空间位置计算出其视界范围内的烟气状态。  本文将传统的煤矿通风数值解算与虚拟现实技术相结合,使以往的离线分析变为可视化在线培训,通过对三维游戏引起的深入研究,总结出一套具有一定通用性的解决方案,为以后的研究做出有益的探索和铺垫。
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