基本信息
- 项目名称：
- 交互式三维虚拟矿井实习及教学系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 复杂的矿井生产系统成为采矿工程专业学生理论课学习时最大障碍。严峻的煤矿安全形势，为实践教学环节带来诸多不便。应用先进的虚拟现实技术，开发交互式三维虚拟矿井实习及教学系统，真实地反映复杂的矿井生产系统，为学生营造“自主学习”的环境，采用创新的教学模式提高教学质量。
- 详细介绍：
- 立体交错的巷道系统、繁杂的设备、复杂的采掘工艺，以及瓦斯、水、火等灾害防治工程，无疑成为采矿工程专业学生专业课学习时最大障碍。严峻的煤矿安全形势，使得实习难于安排，达不到应有的效果。“强化地矿特色”已经成为学校发展的重要方略，开设《采煤概论》、《井巷工程》等课程的专业越来越多，教学及实习难度更大。 针对这些问题，将先进的虚拟现实技术应用于采矿工程教学及实习当中，开发交互式三维虚拟矿井实习及教学系统，逼真的再现井下环境，真实反映矿井巷道系统、矿井生产系统、采掘工艺及装备，以及矿井灾害防治系统等，为学生营造“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，是本项目研究根本出发点。 “交互式三维虚拟矿井实习及教学系统”不仅可以用于煤炭类高校与采矿相关的教学及实习，同时系统完善后可用于煤矿职工安全教育和技能培训，具有良好的社会和经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 系统设计创新点： 交互式三维虚拟矿井实习及教学系统采用先进的虚拟现实技术，采用纹理、灯光、材质、渲染等三维处理技术，建立仿真的矿井三维模型，使学生对矿井生产系统、巷道布置，以及设备运转等认识更加直观，甚至“沉浸”到逼真三维矿井场景中，使学生对抽象、复杂矿井系统认识更加直观，同时也富有吸引力，实现矿井实习安全可靠并具有良好的交互性，有效地改变目前实习教学中存在的诸多问题。 系统设计关键技术： 1．对矿井巷道建模过程中，采用“中心线—截面”的方法实现快速的巷道建模。 2．系统设计过程中，采用纹理、灯光、材质、碰撞检测等技术，使系统更加逼真且具有良好的交互性。 3．场景模型采用图形建模技术与多边形建模技术结合，保证模型的逼真性，同时还能控制模型的面数。 4．在一些复杂的模型中，采用纹理映射技术，利用逼真的纹理可以提高模型的细节水平和真实感，又不增加三维几何造型的复杂度，从而减少了模型的多边形数量，使得模型的拓扑结构非常简单。 5．在进行复杂模型的显示时，利用细节层次技术(LOD , levels of details)提高显示速度，根据视点与物体之间的距离选择绘制的模型的精细程度，较远时选择比较粗糙的模型，视点离物体较近时选择比较精细的模型，通过平滑过渡技术进行显示。 主要技术指标： 场景真实感，模型逼真程度，系统交互性。
科学性、先进性
- 系统设计的科学性与先进性: 目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域。国外，虚拟现实技术已应用于教学。虚拟现实技术作为新的教学媒体，它的出现无疑将对远程教学产生深远的影响。 虚拟技术的应用是当今高等教育的必然趋势，合理地将虚拟教学手段与采矿工程专业实习教学方式，可以激发学生的学习兴趣，给学生创造一种身临其境的感觉，很好的解决当前实习教学中遇到的问题，是提高教学质量的一种有效途径。 虽然虚拟现实技术目前在国内外有较为成熟的应用，但是应用于建立交互式矿井三维虚拟实习系统较少。即使有少量的应用，但是系统真实感及其交互性都较差。该系统的设计突出了矿井巷道及其设备的真实感建模，应用虚拟引擎实现对场景的驱动，实现良好的交互性。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年，获得河南理工大学第五届"挑战杯"课外科技活动竞赛二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 不转让
作品可展示的形式
- 现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 交互式三维虚拟矿井实习及教学系统以采矿工程专业课程为基础，结合矿井实际的生产情况建立逼真的井下巷道模型，主要解决国内目前采矿工程专业学生实习中存在的诸多问题。由于结合了矿井实际的生产情况，随着功能的不断完善，加入矿井灾害模拟、事故案例动画演示等模块，该系统也可用于煤矿职工安全培训。
同类课题研究水平概述
- 虚拟现实技术最先出现在美国，已广泛应用于航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域。我国虚拟现实技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在我国，许多学院和机构也一直在从事这方面的研究与应用，广泛的应用于教育培训、建筑设计、工业仿真等领域。 在矿井模拟开采方面，由英国诺丁汉大学的人工智能及其矿业应用研究室开发研制的房柱式开采模拟VR-MINE系统可以对连续采煤机、顶板锚杆机、蓄电池机车和给料破碎机构成的生产系统进行动态三维实时模拟,该系统不仅提供了灵活的用户界面,既可以设定设备型号及数量、作业参数,又可以选择煤柱尺寸、回采巷道数量和几何参数,而且可以通过全屏幕或多窗口视图的形式，动态显示房柱式生产系统的平面图或三维立体图。 德国DMT-TFH开发的矿井决策模拟系统SIMBERG，是采矿专业学生训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计工作面状况、工人、市场等方面的简化条件，学生可以进一步管理和决策。DMT-TFH还与中国矿业大学合作，进一步发展和应用SIMBERG系统。 中国矿业大学研制了矿井火灾防治的VR系统，采用粒子系统对矿井火灾三维可视化研究，设计了地下井巷真实感模型及火灾烟气与火灾模型。 辽宁工程技术大学等单位进行了矿井仿真系统的研究，构建了新建矿井开掘贯通和旧井巷报废后的通风状况、构筑物的位置及调节量等的可视化矿井通风管理系统。
