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基本信息
- 項目名稱：
- 交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 復(fù)雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)成為采礦工程專業(yè)學(xué)生理論課學(xué)習(xí)時最大障礙。嚴(yán)峻的煤礦安全形勢，為實踐教學(xué)環(huán)節(jié)帶來諸多不便。應(yīng)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)，真實地反映復(fù)雜的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，為學(xué)生營造“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，采用創(chuàng)新的教學(xué)模式提高教學(xué)質(zhì)量。
- 詳細(xì)介紹：
- 立體交錯的巷道系統(tǒng)、繁雜的設(shè)備、復(fù)雜的采掘工藝，以及瓦斯、水、火等災(zāi)害防治工程，無疑成為采礦工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)時最大障礙。嚴(yán)峻的煤礦安全形勢，使得實習(xí)難于安排，達(dá)不到應(yīng)有的效果?！皬?qiáng)化地礦特色”已經(jīng)成為學(xué)校發(fā)展的重要方略，開設(shè)《采煤概論》、《井巷工程》等課程的專業(yè)越來越多，教學(xué)及實習(xí)難度更大。 針對這些問題，將先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于采礦工程教學(xué)及實習(xí)當(dāng)中，開發(fā)交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)，逼真的再現(xiàn)井下環(huán)境，真實反映礦井巷道系統(tǒng)、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、采掘工藝及裝備，以及礦井災(zāi)害防治系統(tǒng)等，為學(xué)生營造“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式，是本項目研究根本出發(fā)點(diǎn)。 “交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)”不僅可以用于煤炭類高校與采礦相關(guān)的教學(xué)及實習(xí)，同時系統(tǒng)完善后可用于煤礦職工安全教育和技能培訓(xùn)，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新點(diǎn)： 交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用紋理、燈光、材質(zhì)、渲染等三維處理技術(shù)，建立仿真的礦井三維模型，使學(xué)生對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)、巷道布置，以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等認(rèn)識更加直觀，甚至“沉浸”到逼真三維礦井場景中，使學(xué)生對抽象、復(fù)雜礦井系統(tǒng)認(rèn)識更加直觀，同時也富有吸引力，實現(xiàn)礦井實習(xí)安全可靠并具有良好的交互性，有效地改變目前實習(xí)教學(xué)中存在的諸多問題。 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)： 1．對礦井巷道建模過程中，采用“中心線—截面”的方法實現(xiàn)快速的巷道建模。 2．系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用紋理、燈光、材質(zhì)、碰撞檢測等技術(shù)，使系統(tǒng)更加逼真且具有良好的交互性。 3．場景模型采用圖形建模技術(shù)與多邊形建模技術(shù)結(jié)合，保證模型的逼真性，同時還能控制模型的面數(shù)。 4．在一些復(fù)雜的模型中，采用紋理映射技術(shù)，利用逼真的紋理可以提高模型的細(xì)節(jié)水平和真實感，又不增加三維幾何造型的復(fù)雜度，從而減少了模型的多邊形數(shù)量，使得模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡單。 5．在進(jìn)行復(fù)雜模型的顯示時，利用細(xì)節(jié)層次技術(shù)(LOD , levels of details)提高顯示速度，根據(jù)視點(diǎn)與物體之間的距離選擇繪制的模型的精細(xì)程度，較遠(yuǎn)時選擇比較粗糙的模型，視點(diǎn)離物體較近時選擇比較精細(xì)的模型，通過平滑過渡技術(shù)進(jìn)行顯示。 主要技術(shù)指標(biāo)： 場景真實感，模型逼真程度，系統(tǒng)交互性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性與先進(jìn)性: 目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實習(xí)、建筑設(shè)計、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂游戲等許多領(lǐng)域。國外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已應(yīng)用于教學(xué)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新的教學(xué)媒體，它的出現(xiàn)無疑將對遠(yuǎn)程教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 虛擬技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)今高等教育的必然趨勢，合理地將虛擬教學(xué)手段與采礦工程專業(yè)實習(xí)教學(xué)方式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生創(chuàng)造一種身臨其境的感覺，很好的解決當(dāng)前實習(xí)教學(xué)中遇到的問題，是提高教學(xué)質(zhì)量的一種有效途徑。 雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在國內(nèi)外有較為成熟的應(yīng)用，但是應(yīng)用于建立交互式礦井三維虛擬實習(xí)系統(tǒng)較少。即使有少量的應(yīng)用，但是系統(tǒng)真實感及其交互性都較差。該系統(tǒng)的設(shè)計突出了礦井巷道及其設(shè)備的真實感建模，應(yīng)用虛擬引擎實現(xiàn)對場景的驅(qū)動，實現(xiàn)良好的交互性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年，獲得河南理工大學(xué)第五屆"挑戰(zhàn)杯"課外科技活動競賽二等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 交互式三維虛擬礦井實習(xí)及教學(xué)系統(tǒng)以采礦工程專業(yè)課程為基礎(chǔ)，結(jié)合礦井實際的生產(chǎn)情況建立逼真的井下巷道模型，主要解決國內(nèi)目前采礦工程專業(yè)學(xué)生實習(xí)中存在的諸多問題。由于結(jié)合了礦井實際的生產(chǎn)情況，隨著功能的不斷完善，加入礦井災(zāi)害模擬、事故案例動畫演示等模塊，該系統(tǒng)也可用于煤礦職工安全培訓(xùn)。
同類課題研究水平概述
- 虛擬現(xiàn)實技術(shù)最先出現(xiàn)在美國，已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實習(xí)、建筑設(shè)計、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂游戲等許多領(lǐng)域。我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，但現(xiàn)在我國，許多學(xué)院和機(jī)構(gòu)也一直在從事這方面的研究與應(yīng)用，廣泛的應(yīng)用于教育培訓(xùn)、建筑設(shè)計、工業(yè)仿真等領(lǐng)域。 在礦井模擬開采方面，由英國諾丁漢大學(xué)的人工智能及其礦業(yè)應(yīng)用研究室開發(fā)研制的房柱式開采模擬VR-MINE系統(tǒng)可以對連續(xù)采煤機(jī)、頂板錨桿機(jī)、蓄電池機(jī)車和給料破碎機(jī)構(gòu)成的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)三維實時模擬,該系統(tǒng)不僅提供了靈活的用戶界面,既可以設(shè)定設(shè)備型號及數(shù)量、作業(yè)參數(shù),又可以選擇煤柱尺寸、回采巷道數(shù)量和幾何參數(shù),而且可以通過全屏幕或多窗口視圖的形式，動態(tài)顯示房柱式生產(chǎn)系統(tǒng)的平面圖或三維立體圖。 德國DMT-TFH開發(fā)的礦井決策模擬系統(tǒng)SIMBERG，是采礦專業(yè)學(xué)生訓(xùn)練軟件。該軟件包括地質(zhì)、采礦、通風(fēng)、機(jī)械、管理等內(nèi)容，可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中提供地質(zhì)、開采設(shè)計工作面狀況、工人、市場等方面的簡化條件，學(xué)生可以進(jìn)一步管理和決策。DMT-TFH還與中國礦業(yè)大學(xué)合作，進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用SIMBERG系統(tǒng)。 中國礦業(yè)大學(xué)研制了礦井火災(zāi)防治的VR系統(tǒng)，采用粒子系統(tǒng)對礦井火災(zāi)三維可視化研究，設(shè)計了地下井巷真實感模型及火災(zāi)煙氣與火災(zāi)模型。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位進(jìn)行了礦井仿真系統(tǒng)的研究，構(gòu)建了新建礦井開掘貫通和舊井巷報廢后的通風(fēng)狀況、構(gòu)筑物的位置及調(diào)節(jié)量等的可視化礦井通風(fēng)管理系統(tǒng)。
