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第 ４６ 卷第 １ 期 煤 炭 科 学 技 术 Ｖｏｌ1049008 ４６ Ｎｏ1049008 １
２０１８ 年 １ 月 Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ ２０１８
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究
李 梅１ꎬ孙振明２ꎬ吕平洋１ꎬ陈金川３ꎬ毛善君１
(１1049008 北京大学 遥感与地理信息系统研究所ꎬ北京 １００８７１ꎻ２1049008 中国矿业大学(北京) 资源与安全学院ꎬ北京 １０００８３ꎻ３1049008 北京龙软科技股份有限公司ꎬ北京 １００１９０)
摘 要针对国内煤矿虚拟演练平台操作单一沉浸感和趣味性不强硬件造价昂贵等问题ꎬ设计并实
现了一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ重点研究了三维场景可视化技术多用户网络传输
技术协同行为决策模型 ３ 个关键技术ꎮ 研究成果不仅能够真实再现煤矿综采工作面复杂的作业环
境ꎬ而且支持多用户登录和协同工作设备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎬ为矿山人员培
训和事故演练提供全新的技术手段ꎬ研究成果对提升我国矿山安全生产数字化水平具有重要意义ꎮ关键词综采工作面ꎻ多人协同ꎻ虚拟现实ꎻ采煤工艺ꎻ知识规则
中图分类号ＴＤ６７ꎻＴＰ３１１1049008 ５ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６(２０１８)０１－０１５６－０６
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ
ＬＩ Ｍｅｉ１ꎬＳＵＮ Ｚｈｅｎｍｉｎｇ２ꎬＬＹＵ Ｐｉｎｇｙａｎｇ１ꎬＣＨＥＮ Ｊｉｎｃｈｕａｎ３ꎬＭＡＯ Ｓｈａｎｊｕｎ１
(１1049008 Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍꎬ Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７１ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ２1049008 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ (Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
３1049008 Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｌｏｎｇｒｕａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０ꎬ Ｃｈｉｎａ)
ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ＶＲ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｕｓｅｒꎬ ｌａｃｋ ｏｆ ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇꎬ ａｎｄ ｅｘ￣ｐｅｎｓｉｖｅ ｈａｒｄｗａｒｅꎬ ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔꎬ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒ ｓｅｒｉｏｕｓ－ｇａｍｅ ＶＲ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ Ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅｓｔｕｄｉｅｓꎬ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ＶＲ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎬ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎ Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅ ａｒｅａｌｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｃｏａｌ ｆａｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒ ｌｏｇｉｎꎬ ｅｑｕｉｐ￣ｍｅｎｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎꎬ ｍｉｎｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｂｒａｎｄ ｎｅｗ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｍｉｎｅｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄｄｉｓａｓｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＫｅｙ ｗｏｒｄｓｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅꎻ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒꎻ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙꎻ ｃｏａｌ－ｍｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎻ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｒｕｌｅ
收稿日期２０１７－１０－１９ꎻ责任编辑赵 瑞 ＤＯＩ１０1049008 １３１９９ ｊ1049008 ｃｎｋｉ1049008 ｃｓｔ1049008 ２０１８1049008 ０１1049008 ０２２基金项目ldquo十三五rdquo国家重大科技专项资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４３０３)作者简介李 梅(１９７８mdash)ꎬ女ꎬ陕西岐山人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮ Ｔｅｌ０１０－６２７５５４２０ꎬＥ－ｍａｉｌｍｌｉ ｐｋｕ1049008 ｅｄｕ1049008 ｃｎ引用格式李 梅ꎬ孙振明ꎬ吕平洋ꎬ等 1049008 煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究[Ｊ]1049008 煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１)１５６－１６１ꎬ２２３1049008
ＬＩ ＭｅｉꎬＳＵＮ ＺｈｅｎｍｉｎｇꎬＣＨＥＮ Ｊｉｎｃｈｕａｎꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌａｙｅｒ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１)１５６－１６１ꎬ２２３1049008
０ 引 言
煤矿井下生产系统复杂庞大ꎬ其作业环境恶
劣危险源分布广泛ꎬ对安全生产和事故救援等领域
的虚拟培训演练有十分强烈的需求ꎮ 鉴于煤矿井下
工作的特殊复杂性ꎬ将虚拟现实技术应用于煤矿安
全生产事故调查和教育培训等领域中ꎬ具有重要的
科学意义和应用价值[１]ꎮ 自 ２０１６ 年以来ꎬ虚拟现实
技术(简称 ＶＲ 技术)重新崛起ꎬ多角色协同功能成
为 ＶＲ 技术应用的热点问题[２]ꎮ 面向矿山行业的大
规模教学实践应急救援仿真演练采煤和掘进过程
模拟灾害模拟与事故推演机械操作教学等对多角
色虚拟演练平台的需求越来越强烈ꎮ 然而面向煤矿
安全生产的低成本的多角色在线仿真演练平台还
比较少见ꎮ 针对这一问题ꎬ笔者在充分调研的基础
上提出以煤矿综采工作面作业过程为研究对象ꎬ搭建一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ将采
煤专业知识与直观的虚拟环境相结合ꎬ在虚拟环境
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
中实现综采工作面班组不同工种的协同工作和评
价ꎮ 笔者首先介绍了国内外该领域研究现状ꎬ然后
提出了系统的架构设计和功能设计ꎬ重点阐述了三
维场景可视化技术多用户网络传输技术协同行为
决策模型 ３ 个关键技术ꎬ并给出了初步的应用实例ꎮ
１ 国内外研究现状
美国加拿大澳大利亚等国家十分重视安全培
训ꎬ很早就将 ＶＲ 技术应用于煤矿安全生产事故调
查和教育培训等方面[３－８]ꎮ 澳大利亚联邦科学与工
业研究组织(ＣＳＩＲＯ)开发了一个交互式煤矿设备操
作训练工具ꎮ 从井下长壁工作面中实时提供数据ꎬ模拟了开采设备的真实情况ꎬ并对操作设备的工人
进行培训ꎬ以便他们能够理解各自的工作内容ꎮ 英
国诺丁汉大学长期致力于虚拟现实在煤矿安全培训
中的技术开发与应用ꎬ已经开发出 ＳａｆｅＶＲＶＲｏｏｍ等系列虚拟现实培训系统ꎮ 美国国家职业安全与卫
生研究所 (Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ Ｓａｆｅｔｙａｎｄ ＨｅａｌｔｈꎬＮＩＯＳＨ)开发出一套游戏系统ꎬ采用游戏
引擎并对部分井下矿山进行三维建模ꎬ通过真实的
游戏来有效进行煤矿安全培训ꎮ 马歇尔大学
(Ｍａｒｓｈａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)的研究人员采用 Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 开发
出了一套多用户协同在线井下虚拟平台(ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＶｉｒｔｕａｌ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｅ ＰｌａｔｆｏｒｍꎬＩＶＵＭＰ)ꎬ该平台
能够记录救护队员之间的交流信息和动作ꎬ同时采
用 ＶＦＩＲＥ 通风模拟系统来强化演练交互的效果ꎬ为应急响应提供事前的安全演练培训ꎮ 澳大利亚新南
威尔士大学开发了一套 ３６０deg环幕的虚拟现实系统ꎬ这套系统被称为 ＡＶＩＥ (Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ )ꎮ 新南威尔士大学 根 据
ｉＣｉｎｅｍａ 虚拟现实平台进行了专业应用开发ꎬ目前已
经开发出 １８ 个不同的训练教育模块ꎬ将井下全场景
模拟现实ꎬ实现了现场操作过程工作标准风险点
管控模拟的培训ꎮ在国内ꎬ北京大学中国矿业大学煤炭科学研
究总院北京龙软科技股份有限公司等单位一直致
力于虚拟现实关键技术与矿山专业的结合研究ꎬ主要采用了 ＯｐｅｎＧＬＭｕｌｔｉｇｅｎＣｏｎｖｅｒｓｅ３ＤＶｉｒｔｏｏｌｓ 等
三维开发工具ꎬ解决了一些虚拟仿真平台的关键技
术问题[９－１５]ꎮ 此外ꎬ很多大型矿业集团在数字化矿
山中建立了基于三维可视化技术的矿井安全生产管
理系统ꎮ 一些国家级矿山应急救援基地建设了灾区
仿真模拟与演练评价系统及多媒体教学系统ꎬ安装
了 ３６０deg环幕并配备虚拟现实专业高端图形工作站答题器液压震动仿真系统中控系统等系列硬件ꎬ为应急救援培训提供了全新的工作模式[１６]ꎮ 然而
现有国内矿山虚拟仿真系统存在如下缺陷１)在环幕ＣＡＶＥ多通道投影等硬件支持下ꎬ
能够实现虚拟救援和技术培训等ꎬ但硬件价格高昂ꎬ动辄上千万ꎬ且无法多人协同操作ꎬ难以满足全行业
对虚拟现实系统规模化需求ꎮ２)ＶＲ 硬件较强而软件功能较弱ꎬ多为单机单
任务单人操作ꎮ 大部分系统是对逐个场景的受训
人员提出问题ꎬ进行人机对话答题ꎬ尚未充分发挥虚
拟现实沉浸感交互性和构想性的优势ꎮ
２ 虚拟演练平台架构
针对现有存在的问题ꎬ提出构建煤矿综采工作
面多角色虚拟演练平台的思路ꎬ以实现多工种在工
作面采煤过程中的协作过程作为目标ꎮ 在此基础
上ꎬ从采煤协同工作拓展到掘进工艺瓦斯抽放工
艺事故推演或者全矿井应急救援预案推演和人员
疏散等其他应用ꎮ煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台是一个典
型的客户端 服务器(Ｃ Ｓ)架构结构的系统ꎮ 选用
集中式框架进行服务端和客户端的部署ꎮ 集中式框
架是一种中央控制型体系ꎬ将应用程序和数据都放
在服务器上ꎬ这样能够简化并发冲突ꎬ并且保持数据
的一致性[１７－１８]ꎮ 服务器端具有监听客户端的连接监听用户操作信息系统更新资源及培训地图服务
等多项任务ꎬ客户端负责接收数据ꎬ并向服务器发送
各种状态数据ꎮ 整体架构如图 １ 所示ꎮ
图 １ 虚拟演练平台架构
Ｆｉｇ1049008 １ Ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
从图 １ 可知ꎬ服务端和客户端 ２ 个部分通过信
息控制单元进行数据传输和同步ꎮ 三维场景资源规则知识库角色数据库和过程记录等数据统一放
在服务器上集中管理ꎮ 通过信息控制单元ꎬ将数据
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和程序输出到每一个客户端ꎮ 客户端负责创建一个
虚拟仿真环境ꎬ并将服务器传输过来的同步数据展
示出来ꎮ 多个客户端登录不同的用户角色ꎬ可以进
行文字通信ꎬ相互合作完成一个任务ꎮ网络通信原理如图 ２ 所示ꎮ 客户端发送登录请
求ꎬ将登录请求或者命令和参数同步到服务器端ꎻ服
务器判断后选择相关场景ꎮ 服务器的数据库会保存
设备角色工具等状态ꎬ当客户端命令和参数同步
的请求发过来后ꎬ根据规则知识库判断客户端的操
作是否正确ꎬ通过内存数据库判断状态是否锁定ꎬ并处理并发问题ꎮ 最后服务器返回最新的状态到客
户端ꎮ
图 ２ 网络通信原理示意
Ｆｉｇ1049008 ２ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ
整个系统的功能设计如图 ３ 所示ꎮ 客户端的虚
拟现实场景模块包括地质模型建模场景资源包导
入外部实时数据接入等功能ꎬ多角色仿真演练模块
包括用户登录设备操控文字通信操作评判等功
能[１３]ꎮ 地质模型构建功能利用地质数据自动构建
煤层采空区积水区等地质要素ꎻ场景资源包导入
功能允许用户导入 ３ＤＳ Ｍａｘ 等工具创建的设备建筑等精细模型ꎻ外部实时数据接入功能ꎬ预留了接入
设备工况数据瓦斯等监测监控数据的接口ꎮ
图 ３ 虚拟演练平台功能示意
Ｆｉｇ1049008 ３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ
在服务器端ꎬ提供了仿真计算规则知识决策模
型场景资源包和角色管理 ４ 个功能ꎮ 仿真计算是
针对综采工作面仿真过程中所需要的一系列物理模
型ꎬ如通风网络解算模型割煤量计算模型等ꎮ 规则
知识决策模型是指多用户协同工作时的专业知识规
则整理成一系列计算机可理解的决策算法ꎮ 场景资
源包是在服务器上统一管理的三维模型资源ꎮ 角色
管理是指用户登录信息等的管理功能ꎮ
３ 系统关键技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台涉及到多
项 ＶＲ 核心技术ꎬ如三维建模技术渲染引擎技术网络架构角色设计界面设计业务规则生成虚拟
现实特效等ꎮ 笔者重点介绍三维场景可视化技术多用户网络传输技术协同行为决策模型 ３ 个核心
技术ꎮ３1049008 １ 三维场景可视化技术
三维场景可视化主要介绍如何将制作好的三维
模型在虚拟现实编辑器中进行场景整合ꎬ并发布成
资源[１９]ꎮ 制作三维场景并实现资源打包的过程如
图 ４ 所示ꎮ 首先在 ３ＤＭａｘＭａｙａ 等第三方建模软件
中制作综采工作面中的设备模型ꎬ包括高模和低模ꎬ划分材质ꎬ计算纹理坐标ꎬ绘制或者烘焙法线贴图漫反射贴图金属性贴图粗糙度贴图和高光贴图等
一系列材质ꎮ 另外ꎬ通过二维系统的基础数据ꎬ自动
生成地表地形巷道复杂地质模型等三维模型ꎮ 然
后ꎬ将所有三维模型导入虚拟现实平台的三维编辑
器进行场景整合ꎬ利用脚本编辑器来制作模型的光
照材质动画等特效ꎬ将场景打包并发布成场景
资源ꎮ８５１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ４ 可视化建模流程示意
Ｆｉｇ1049008 ４ Ｖｉｓｕａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
三维图形引擎和虚拟现实编辑器是三维场景可
视化的基础ꎮ 三维图形引擎是虚拟仿真演练平台的
核心技术ꎮ 引擎是支持上层三维应用的底层函数
库ꎬ主要解决的是场景构造场景渲染事件处理光照材质碰撞检测等基础性的问题ꎮ 编辑器则是与
引擎相配的用于进行特效制作和场景整合的平台
性软件ꎮ 目前常见的三维引擎有虚幻 ＵｎｒｅａｌＵｎｉｔｙ和 ＣｒｙＥｎｇｉｎｅ 等ꎮ 通过编辑器强大的功能ꎬ能够真
实地模拟矿井综采工作面中的采煤机割煤落煤运煤的工作场景ꎬ以及发生火灾瓦斯爆炸顶板坍塌
等灾害时的矿井环境变化ꎮ３1049008 ２ 多用户网络传输技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台在系统架
构上采用了客户端 服务器模式ꎮ 这一模式的缺点
是网络负载较重ꎬ服务器容易成为瓶颈ꎮ 这是因为ꎬ在多人协同工作中ꎬ客户端和服务器端的各个设备
运行参数时刻要保持一致ꎮ 假设没有网络延迟的情
况下ꎬ任何一个客户端的状态均能够通过网络上传
到服务器ꎬ由服务器同步到其他客户端上ꎮ 然而由
于网络带宽速度和网络拥堵等情况ꎬ在实际中这种
状态同步会存在一定的困难ꎬ大量的数据交换使得
服务器在协同工作时会产生结果因果和意图不一
致的情况[２０－２１]ꎮ随着网络技术的进步ꎬ一种广义客户端mdash服务
器联网模式( ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｃｌｉｅｎｔ － ｓｅｒｖｅｒ ｍｏｄｅｌ) 被提
出[２２]ꎬ网络延时等问题得到了一定程度的解决ꎮ 在
该模式中ꎬ服务器控制着当前工作流程ꎬ服务器状态
才是一个整个场景中的三维实体的真正状态ꎬ而客
户端总是近似于服务器状态的模拟ꎬ但得需要服务
器对其进行督导和同步ꎮ 在这种模式下ꎬ客户端可
以预判服务器的行为ꎮ 重要的决策都由服务器来处
理ꎬ如物体的创建与销毁设备的开启和停止都是由
服务器控制和广播的ꎮ 然而ꎬ人员和设备移动都是
在每台客户机上独立完成的ꎬ因此客户端和服务器
端有微小的差异ꎬ但是不会产生任何网络流量ꎮ 此
外ꎬ这种模式下任意一台客户端都可以担当服务器ꎬ也可以运行客户端的三维程序ꎬ而其他用户直接通
过服务端进入三维场景中ꎮ 对于服务器端ꎬ则采用
广播传输数据的方式ꎬ一旦发生状态变化ꎬ会将数据
以广播的形式发送给所有客户端ꎮ
图 ５ 客户端和服务器状态同步原理
Ｆｉｇ1049008 ５ Ｃｌｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｅｒｖｅｒ ｓｔａｔｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
综采工作面多人协同工作时客户端和服务器状
态同步的原理如图 ５ 所示ꎮ 下面以采煤流程中开启
采煤机的左牵引并割煤为例ꎬ说明服务器端和客户
端进行状态同步的具体步骤ꎮ１)第 １ 个用户以服务器模式登录ꎬ该用户既是
服务器也是一个客户端ꎬ其他用户加入到该服务器ꎬ都是客户端ꎮ
２)假设客户端 １ 为采煤机司机ꎬ在场景中操作
采煤机左牵引进行割煤操作ꎮ 客户端 １ 将自己的角
色信息及采煤机左牵引相关的参数(采煤机的牵引
速度牵引方向左牵引的目标位置) 发送到服
务端ꎮ３)服务端接收到采煤机左牵引操作请求后ꎬ
首先依据采煤业务规则形成协同行为决策模型ꎬ判断该角色是否有权限进行该项操作ꎮ ①如无权
限进行该项操作ꎬ则返回给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ无权限进行该项操作ꎻ然后ꎬ判断服务器上采煤机的
当前位置是否与左牵引位置相同ꎬ如相同则返回
给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ左牵引位置与当前位置相
同ꎮ ②当有权限进行该项操作ꎬ服务端将客户端 １的采煤机左牵引请求确认完毕后ꎬ则将采煤机命
令(采煤机的牵引速度牵引方向左牵引的目标
位置)发送到所有的客户端ꎬ包括客户端 １ꎮ ③各
个客户端接收到服务端发送的采煤机左牵引命令
后ꎬ开始解析命令参数ꎬ并利用本地的仿真算法对
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采煤机进行左牵引的模拟ꎮ ④由于各客户端配置
不同ꎬ仿真算法计算的快慢及渲染效率都不同ꎬ各客户端采煤机位置是有差异的ꎮ ⑤所有客户端在
采煤机左牵引割煤的命令执行完毕后ꎬ采煤机状
态是保持一致的ꎮ在网络协议方面ꎬ常见的局域网协议有 ＭＩ￣
ＣＲＯＳＯＦＴ 的 ＮＥＴＢＥＵＩＮＯＶＥＬＬ 的 ＩＰＸ ＳＰＸ 和交
叉平台 ＴＣＰ ＩＰꎮ 选择了 ＴＣＰ ＩＰ 协议中的 ＵＤＰ(Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬ用户数据包协议)作为网络
通信协议ꎮ ＵＤＰ 是用户数据报协议ꎬ是一个简单的
面向数据报的运输层协议ꎮ 优点就是适合传输较短
的文件ꎮ 因此服务端采用基于 ＵＤＰ 的高时效性数
据交互ꎬ如用户所处场景位置采煤机运行过程状态
等ꎮ 服务器端利用 ＵＤＰ 机制与客户端连接ꎬ监听和
响应客户请求ꎮ 选择基于 ＴＣＰ 的大数据传输ꎬ如软
件版本的更新启动场景的下载等ꎮ３1049008 ３ 采煤业务知识与协同行为决策模型
为了实现对多人协同操作的准确判断ꎬ需要将
采煤过程中的业务知识转化成一系列决策模型ꎮ 这
种从业务知识到决策模型的转化是知识工程的研究
领域[２３]ꎮ 知识工程是一种建模活动ꎬ即使用知识模
型对知识进行抽象ꎬ是知识的形式化和符号化的过
程ꎮ 知识工程的核心就是如何使用计算机可以存储
和处理的模型表示知识ꎬ即知识表示 ( ＫｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎꎬＫＲ)ꎮ 目前知识表示的方法主要有规
则表示法语义网络表示法框架表示法谓词逻辑
表示法等ꎮ本研究选用规则表示法建立规则知识库ꎮ 使用
规则表示知识一般采用的是 ＩＦ1049018ＴＨＥＮ1049018型的规
则ꎬ这种结构从逻辑上连接 ＩＦ 部分中一个或多个前
提(也称条件)到 ＴＨＥＮ 部分的一个或多个后部(也称结论)ꎮ
服务器端的协同行为决策模型保证了协同
过程中程序逻辑的严密性和决策的正确性ꎮ 不
同角色之间有非常复杂的协同工作关系ꎮ 根据
多人虚拟角色的行为ꎬ将上述专业采矿知识转换
成一系列运算逻辑算法ꎬ并成为仿真演练中虚拟
角色的决策模型ꎮ 当多个虚拟角色进行操作时ꎬ服务器能够对这一组虚拟角色的行为进行判断ꎬ将结果返回到客户端ꎮ 综采工作面协同行为决
策的逻辑存储结构见表 １ꎬ包括交接班开启采煤
机收起护帮板等动作的行为决策模型ꎮ 不同角
色的操作动作会上传到服务器的规则知识库决
策模型中进行判断ꎬ一旦工序错误ꎬ则状态提示
错误ꎮ 实际上ꎬ要针对应用情况和专业知识来设
计大量的决策模型ꎬ具体情况比表 １ 给出的判断
规则更为复杂ꎮ
表 １ 协同行为决策的逻辑存储结构
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ
规则 ＩＤ 规则前项 规则后项置信
度
１
ＩＦ 向班长汇报交接班
ＡＮＤ 采煤机司机交接班
ＡＮＤ 支架工交接班
ＡＮＤ 输送带工交接班
协同工作 ＝ 开始 １００
２
ＩＦ 采煤机发出报警声音
ＡＮＤ 带式输送机开机
ＡＮＤ 转载机开机
ＡＮＤ 刮板输送机开机
采煤机工作 ＝ 开始 １００
３ＩＦ 采煤机开启左牵引
ＡＮＤ 离滚筒最近的护帮板未开启收起护帮板＝正确 １００
４ 应用效果
在充分调研实际业务的基础上ꎬ采集了井下真
实生产环境三维数据ꎬ建立了综采工作面中的运输
巷回风巷煤层等地质体ꎬ液压支架采煤机工作
面刮板输送机端头架超前支护液压支架转载机破碎机输送带列车站甲烷传感器等设备的三维
模型ꎬ所有设备依据机械图纸进行 １ ∶ １ 建模ꎬ并依
据设备的物理属性设定响应的物理参数ꎬ如质量摩擦因数阻尼系数等ꎬ尽可能真实地还原设备状态和
运动结果ꎮ系统初步具备了多用户登录和协同工作设
备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎮ 角
色设定有带班班长带式输送机司机支架工转载机司机刮板输送机司机采煤机司机瓦检员
等ꎮ 角色能和场景中设备进行交互操作ꎮ 以采煤
机司机的身份登录ꎬ通过文字与小组其他成员进
行沟通后ꎬ开启左牵引的操作ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 以支
架工的身份登录后ꎬ在采煤机割煤之前ꎬ通过扳动
设备手柄收起护帮板的操作ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 每个
类型角色依据采煤作业规程有不同的操作权限ꎬ系统能对角色操作进行判断ꎬ并对超越权限的操
作进行提示和评分ꎮ 系统目前能够支持 ３０ 个用
户同时登录工作ꎮ
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)
[１] 兰泽全ꎬ李其中ꎬ徐景德虚拟现实技术在煤矿安全中应用的
现状及分析[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２００６ꎬ３４(１１)５６－５９
ＬＡＮ ＺｅｑｕａｎꎬＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＸＵ Ｊｉｎｇｄｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００６ꎬ３４ (１１)５６－５９
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ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｃ] Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓꎬ２００９
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[８] ＰＥＤＲＡＭ ＳｈꎬＰＥＲＥＺ ＰꎬＰＡＬＭＩＳＡＮＯ Ｓꎬｅｔ ａｌＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ (ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ) ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔ ｏｆ ｍｉｎ￣ｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｃ] ２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬＨｏｂａｒｔꎬＴａｓｍａｎｉａꎬＡｕｓｔｒａｌｉａꎬ２０１７
[９] 李其中ꎬ时 光ꎬ兰泽全虚拟现实技术在煤矿安全领域的应
用与主要实现方法[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２００７ꎬ３８(１０)５８－６０ＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＳＨＩ ＧｕａｎｇꎬＬＡＮ ＺｅｑｕａｎＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎ ｒｅ￣ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏａｌｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ[Ｊ] Ｓａｆｅｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２００７ꎬ３８ (１０)５８－６０
[１０] 毛善君ꎬ熊 伟煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现
[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２００５ꎬ３０(５)２９－３３ＭＡＯ ＳｈａｎｊｕｎꎬＸＩＯＮＧ Ｗｅｉ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅꎬ２００５ꎬ３０ (５)２９－３３
[１１] 蔡林沁ꎬ罗志勇ꎬ王 颋ꎬ等基于 Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ 的煤矿虚拟环
境体系建模[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５ＣＡＩ ＬｉｎｑｉꎬＬＵＯ ＺｈｉｙｏｎｇꎬＷＡＮＧ Ｔｉｎｇꎬｅｔ ａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃｏａｌｍｉｎｅｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５
[１２] 李大锦ꎬ白成杰ꎬ姜 华矿山井下场景的实时渲染算法[ Ｊ] 系统仿真学报ꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３ＬＩ ＤａｊｉｎꎬＢＡＩ ＣｈｅｎｇｊｉｅꎬＪＩＡＮＧ ＨｕａＲｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｓｃｅｎｅｓ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３
[１３] 李 梅ꎬ杨帅伟ꎬ孙振明ꎬ等智慧矿山框架与发展前景研究
[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８ＬＩ Ｍｅｉꎬ ＹＡＮＧ Ｓｈｕａｉｗｅｉꎬ ＳＵＮ Ｚｈｅｎｍｉｎｇꎬ ｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｉｎｅ[Ｊ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８
[１４] 熊书敏地下矿生产可视化管控系统关键技术研究[Ｄ]长沙中南大学ꎬ２０１２
[１５] 李 杨ꎬ杨天鸿ꎬ刘洪磊ꎬ等大安山煤矿三维可视化系统的建
立及安全监测分析[ Ｊ] 采矿与安全工程学报ꎬ２０１４ꎬ３１(２)２７７－２８３
(下转第 ２２３ 页)１６１
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
３９(１)５５－５８[１１] 吕贵春水力割缝在石门揭煤预抽煤层瓦斯区域防突措施中
的应用[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２ＬＹＵ Ｇｕｉｃｈｕｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ｇａｓ ｐｒｅ －
ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｉｎ ｃｒｏｓｓｃｕｔ [ Ｊ] ＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２
[１２] 陶云奇ꎬ冯 丹ꎬ马 耕ꎬ等水力冲孔物理模拟试验及其卸压
增透效果研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０ＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＦＥＮＧ ＤａｎꎬＭＡ Ｇｅｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅ￣ｌｅａｓｅｄ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｆｅｃｔ [ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０
[１３] 王 峰ꎬ陶云奇ꎬ刘 东水力冲孔泄压范围及瓦斯抽采规律
研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００ＷＡＮＧ ＦｅｎｇꎬＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅｄｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｌａｗ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００
[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
[１５] 冯 涛ꎬ谢雄刚ꎬ刘 辉ꎬ等注液冻结法在石门揭煤中防突作
用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
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[１７] 胡 杰ꎬ隆清明ꎬ李建功ꎬ等顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规
律研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８ＨＵ ＪｉｅꎬＬＯＮＧ ＱｉｎｇｍｉｎｇꎬＬＩ Ｊｉａｎｇｏｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｉｍｅ－ｓｐａｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ[ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８
[１８] 周 勇ꎬ赵 康单一厚煤层水力冲孔技术参数确定及效果考
察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
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与化工ꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２ＷＡＮＧ ＤｉａｎｌｕＳｔｕｄｙ ｏｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｗａ￣ｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[ Ｊ] Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２
[２０] 刘海波ꎬ尚政杰rdquo三软rdquo煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透
技术[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５ＬＩＵ ＨａｉｂｏꎬＳＨＡＮＧ ＺｈｅｎｇｊｉｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ￣ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ldquo ｔｈｒｅｅｓｏｆｔrdquo ｃｏａｌ ｓｅａｍ[Ｊ] Ｓａｆｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５
105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
[１６] 刘永立ꎬ杨 虎煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统研究
[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５ＬＩＵ ＹｏｎｇｌｉꎬＹＡＮＧ Ｈｕ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｎｅｆｉｒｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ [ Ｊ ] Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５
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[１８] 苏铁明计算机支持的协同设计框架及若干关键技术研究
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统[Ｊ] 科技导报ꎬ２０１６(９)１０２－１０７ＳＵＮ ＺｈｅｎｍｉｎｇꎬＬＩ ＭｅｉＣｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [ Ｊ] Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗꎬ２０１６(９)１０２－１０７
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统与应用ꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０ＸＵ ＡｉｊｕｎＳｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ａｓｓｉｓｔｉｎ ｓｋｉｌｌｓ ｔｒａｉｎｉｎｇ[Ｊ] Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０
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３２２
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
中实现综采工作面班组不同工种的协同工作和评
价ꎮ 笔者首先介绍了国内外该领域研究现状ꎬ然后
提出了系统的架构设计和功能设计ꎬ重点阐述了三
维场景可视化技术多用户网络传输技术协同行为
决策模型 ３ 个关键技术ꎬ并给出了初步的应用实例ꎮ
１ 国内外研究现状
美国加拿大澳大利亚等国家十分重视安全培
训ꎬ很早就将 ＶＲ 技术应用于煤矿安全生产事故调
查和教育培训等方面[３－８]ꎮ 澳大利亚联邦科学与工
业研究组织(ＣＳＩＲＯ)开发了一个交互式煤矿设备操
作训练工具ꎮ 从井下长壁工作面中实时提供数据ꎬ模拟了开采设备的真实情况ꎬ并对操作设备的工人
进行培训ꎬ以便他们能够理解各自的工作内容ꎮ 英
国诺丁汉大学长期致力于虚拟现实在煤矿安全培训
中的技术开发与应用ꎬ已经开发出 ＳａｆｅＶＲＶＲｏｏｍ等系列虚拟现实培训系统ꎮ 美国国家职业安全与卫
生研究所 (Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ Ｓａｆｅｔｙａｎｄ ＨｅａｌｔｈꎬＮＩＯＳＨ)开发出一套游戏系统ꎬ采用游戏
引擎并对部分井下矿山进行三维建模ꎬ通过真实的
游戏来有效进行煤矿安全培训ꎮ 马歇尔大学
(Ｍａｒｓｈａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)的研究人员采用 Ｕｎｉｔｙ３Ｄ 开发
出了一套多用户协同在线井下虚拟平台(ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＶｉｒｔｕａｌ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｅ ＰｌａｔｆｏｒｍꎬＩＶＵＭＰ)ꎬ该平台
能够记录救护队员之间的交流信息和动作ꎬ同时采
用 ＶＦＩＲＥ 通风模拟系统来强化演练交互的效果ꎬ为应急响应提供事前的安全演练培训ꎮ 澳大利亚新南
威尔士大学开发了一套 ３６０deg环幕的虚拟现实系统ꎬ这套系统被称为 ＡＶＩＥ (Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ )ꎮ 新南威尔士大学 根 据
ｉＣｉｎｅｍａ 虚拟现实平台进行了专业应用开发ꎬ目前已
经开发出 １８ 个不同的训练教育模块ꎬ将井下全场景
模拟现实ꎬ实现了现场操作过程工作标准风险点
管控模拟的培训ꎮ在国内ꎬ北京大学中国矿业大学煤炭科学研
究总院北京龙软科技股份有限公司等单位一直致
力于虚拟现实关键技术与矿山专业的结合研究ꎬ主要采用了 ＯｐｅｎＧＬＭｕｌｔｉｇｅｎＣｏｎｖｅｒｓｅ３ＤＶｉｒｔｏｏｌｓ 等
三维开发工具ꎬ解决了一些虚拟仿真平台的关键技
术问题[９－１５]ꎮ 此外ꎬ很多大型矿业集团在数字化矿
山中建立了基于三维可视化技术的矿井安全生产管
理系统ꎮ 一些国家级矿山应急救援基地建设了灾区
仿真模拟与演练评价系统及多媒体教学系统ꎬ安装
了 ３６０deg环幕并配备虚拟现实专业高端图形工作站答题器液压震动仿真系统中控系统等系列硬件ꎬ为应急救援培训提供了全新的工作模式[１６]ꎮ 然而
现有国内矿山虚拟仿真系统存在如下缺陷１)在环幕ＣＡＶＥ多通道投影等硬件支持下ꎬ
能够实现虚拟救援和技术培训等ꎬ但硬件价格高昂ꎬ动辄上千万ꎬ且无法多人协同操作ꎬ难以满足全行业
对虚拟现实系统规模化需求ꎮ２)ＶＲ 硬件较强而软件功能较弱ꎬ多为单机单
任务单人操作ꎮ 大部分系统是对逐个场景的受训
人员提出问题ꎬ进行人机对话答题ꎬ尚未充分发挥虚
拟现实沉浸感交互性和构想性的优势ꎮ
２ 虚拟演练平台架构
针对现有存在的问题ꎬ提出构建煤矿综采工作
面多角色虚拟演练平台的思路ꎬ以实现多工种在工
作面采煤过程中的协作过程作为目标ꎮ 在此基础
上ꎬ从采煤协同工作拓展到掘进工艺瓦斯抽放工
艺事故推演或者全矿井应急救援预案推演和人员
疏散等其他应用ꎮ煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台是一个典
型的客户端 服务器(Ｃ Ｓ)架构结构的系统ꎮ 选用
集中式框架进行服务端和客户端的部署ꎮ 集中式框
架是一种中央控制型体系ꎬ将应用程序和数据都放
在服务器上ꎬ这样能够简化并发冲突ꎬ并且保持数据
的一致性[１７－１８]ꎮ 服务器端具有监听客户端的连接监听用户操作信息系统更新资源及培训地图服务
等多项任务ꎬ客户端负责接收数据ꎬ并向服务器发送
各种状态数据ꎮ 整体架构如图 １ 所示ꎮ
图 １ 虚拟演练平台架构
Ｆｉｇ1049008 １ Ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
从图 １ 可知ꎬ服务端和客户端 ２ 个部分通过信
息控制单元进行数据传输和同步ꎮ 三维场景资源规则知识库角色数据库和过程记录等数据统一放
在服务器上集中管理ꎮ 通过信息控制单元ꎬ将数据
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和程序输出到每一个客户端ꎮ 客户端负责创建一个
虚拟仿真环境ꎬ并将服务器传输过来的同步数据展
示出来ꎮ 多个客户端登录不同的用户角色ꎬ可以进
行文字通信ꎬ相互合作完成一个任务ꎮ网络通信原理如图 ２ 所示ꎮ 客户端发送登录请
求ꎬ将登录请求或者命令和参数同步到服务器端ꎻ服
务器判断后选择相关场景ꎮ 服务器的数据库会保存
设备角色工具等状态ꎬ当客户端命令和参数同步
的请求发过来后ꎬ根据规则知识库判断客户端的操
作是否正确ꎬ通过内存数据库判断状态是否锁定ꎬ并处理并发问题ꎮ 最后服务器返回最新的状态到客
户端ꎮ
图 ２ 网络通信原理示意
Ｆｉｇ1049008 ２ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ
整个系统的功能设计如图 ３ 所示ꎮ 客户端的虚
拟现实场景模块包括地质模型建模场景资源包导
入外部实时数据接入等功能ꎬ多角色仿真演练模块
包括用户登录设备操控文字通信操作评判等功
能[１３]ꎮ 地质模型构建功能利用地质数据自动构建
煤层采空区积水区等地质要素ꎻ场景资源包导入
功能允许用户导入 ３ＤＳ Ｍａｘ 等工具创建的设备建筑等精细模型ꎻ外部实时数据接入功能ꎬ预留了接入
设备工况数据瓦斯等监测监控数据的接口ꎮ
图 ３ 虚拟演练平台功能示意
Ｆｉｇ1049008 ３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ
在服务器端ꎬ提供了仿真计算规则知识决策模
型场景资源包和角色管理 ４ 个功能ꎮ 仿真计算是
针对综采工作面仿真过程中所需要的一系列物理模
型ꎬ如通风网络解算模型割煤量计算模型等ꎮ 规则
知识决策模型是指多用户协同工作时的专业知识规
则整理成一系列计算机可理解的决策算法ꎮ 场景资
源包是在服务器上统一管理的三维模型资源ꎮ 角色
管理是指用户登录信息等的管理功能ꎮ
３ 系统关键技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台涉及到多
项 ＶＲ 核心技术ꎬ如三维建模技术渲染引擎技术网络架构角色设计界面设计业务规则生成虚拟
现实特效等ꎮ 笔者重点介绍三维场景可视化技术多用户网络传输技术协同行为决策模型 ３ 个核心
技术ꎮ３1049008 １ 三维场景可视化技术
三维场景可视化主要介绍如何将制作好的三维
模型在虚拟现实编辑器中进行场景整合ꎬ并发布成
资源[１９]ꎮ 制作三维场景并实现资源打包的过程如
图 ４ 所示ꎮ 首先在 ３ＤＭａｘＭａｙａ 等第三方建模软件
中制作综采工作面中的设备模型ꎬ包括高模和低模ꎬ划分材质ꎬ计算纹理坐标ꎬ绘制或者烘焙法线贴图漫反射贴图金属性贴图粗糙度贴图和高光贴图等
一系列材质ꎮ 另外ꎬ通过二维系统的基础数据ꎬ自动
生成地表地形巷道复杂地质模型等三维模型ꎮ 然
后ꎬ将所有三维模型导入虚拟现实平台的三维编辑
器进行场景整合ꎬ利用脚本编辑器来制作模型的光
照材质动画等特效ꎬ将场景打包并发布成场景
资源ꎮ８５１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ４ 可视化建模流程示意
Ｆｉｇ1049008 ４ Ｖｉｓｕａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
三维图形引擎和虚拟现实编辑器是三维场景可
视化的基础ꎮ 三维图形引擎是虚拟仿真演练平台的
核心技术ꎮ 引擎是支持上层三维应用的底层函数
库ꎬ主要解决的是场景构造场景渲染事件处理光照材质碰撞检测等基础性的问题ꎮ 编辑器则是与
引擎相配的用于进行特效制作和场景整合的平台
性软件ꎮ 目前常见的三维引擎有虚幻 ＵｎｒｅａｌＵｎｉｔｙ和 ＣｒｙＥｎｇｉｎｅ 等ꎮ 通过编辑器强大的功能ꎬ能够真
实地模拟矿井综采工作面中的采煤机割煤落煤运煤的工作场景ꎬ以及发生火灾瓦斯爆炸顶板坍塌
等灾害时的矿井环境变化ꎮ３1049008 ２ 多用户网络传输技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台在系统架
构上采用了客户端 服务器模式ꎮ 这一模式的缺点
是网络负载较重ꎬ服务器容易成为瓶颈ꎮ 这是因为ꎬ在多人协同工作中ꎬ客户端和服务器端的各个设备
运行参数时刻要保持一致ꎮ 假设没有网络延迟的情
况下ꎬ任何一个客户端的状态均能够通过网络上传
到服务器ꎬ由服务器同步到其他客户端上ꎮ 然而由
于网络带宽速度和网络拥堵等情况ꎬ在实际中这种
状态同步会存在一定的困难ꎬ大量的数据交换使得
服务器在协同工作时会产生结果因果和意图不一
致的情况[２０－２１]ꎮ随着网络技术的进步ꎬ一种广义客户端mdash服务
器联网模式( ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｃｌｉｅｎｔ － ｓｅｒｖｅｒ ｍｏｄｅｌ) 被提
出[２２]ꎬ网络延时等问题得到了一定程度的解决ꎮ 在
该模式中ꎬ服务器控制着当前工作流程ꎬ服务器状态
才是一个整个场景中的三维实体的真正状态ꎬ而客
户端总是近似于服务器状态的模拟ꎬ但得需要服务
器对其进行督导和同步ꎮ 在这种模式下ꎬ客户端可
以预判服务器的行为ꎮ 重要的决策都由服务器来处
理ꎬ如物体的创建与销毁设备的开启和停止都是由
服务器控制和广播的ꎮ 然而ꎬ人员和设备移动都是
在每台客户机上独立完成的ꎬ因此客户端和服务器
端有微小的差异ꎬ但是不会产生任何网络流量ꎮ 此
外ꎬ这种模式下任意一台客户端都可以担当服务器ꎬ也可以运行客户端的三维程序ꎬ而其他用户直接通
过服务端进入三维场景中ꎮ 对于服务器端ꎬ则采用
广播传输数据的方式ꎬ一旦发生状态变化ꎬ会将数据
以广播的形式发送给所有客户端ꎮ
图 ５ 客户端和服务器状态同步原理
Ｆｉｇ1049008 ５ Ｃｌｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｅｒｖｅｒ ｓｔａｔｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
综采工作面多人协同工作时客户端和服务器状
态同步的原理如图 ５ 所示ꎮ 下面以采煤流程中开启
采煤机的左牵引并割煤为例ꎬ说明服务器端和客户
端进行状态同步的具体步骤ꎮ１)第 １ 个用户以服务器模式登录ꎬ该用户既是
服务器也是一个客户端ꎬ其他用户加入到该服务器ꎬ都是客户端ꎮ
２)假设客户端 １ 为采煤机司机ꎬ在场景中操作
采煤机左牵引进行割煤操作ꎮ 客户端 １ 将自己的角
色信息及采煤机左牵引相关的参数(采煤机的牵引
速度牵引方向左牵引的目标位置) 发送到服
务端ꎮ３)服务端接收到采煤机左牵引操作请求后ꎬ
首先依据采煤业务规则形成协同行为决策模型ꎬ判断该角色是否有权限进行该项操作ꎮ ①如无权
限进行该项操作ꎬ则返回给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ无权限进行该项操作ꎻ然后ꎬ判断服务器上采煤机的
当前位置是否与左牵引位置相同ꎬ如相同则返回
给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ左牵引位置与当前位置相
同ꎮ ②当有权限进行该项操作ꎬ服务端将客户端 １的采煤机左牵引请求确认完毕后ꎬ则将采煤机命
令(采煤机的牵引速度牵引方向左牵引的目标
位置)发送到所有的客户端ꎬ包括客户端 １ꎮ ③各
个客户端接收到服务端发送的采煤机左牵引命令
后ꎬ开始解析命令参数ꎬ并利用本地的仿真算法对
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采煤机进行左牵引的模拟ꎮ ④由于各客户端配置
不同ꎬ仿真算法计算的快慢及渲染效率都不同ꎬ各客户端采煤机位置是有差异的ꎮ ⑤所有客户端在
采煤机左牵引割煤的命令执行完毕后ꎬ采煤机状
态是保持一致的ꎮ在网络协议方面ꎬ常见的局域网协议有 ＭＩ￣
ＣＲＯＳＯＦＴ 的 ＮＥＴＢＥＵＩＮＯＶＥＬＬ 的 ＩＰＸ ＳＰＸ 和交
叉平台 ＴＣＰ ＩＰꎮ 选择了 ＴＣＰ ＩＰ 协议中的 ＵＤＰ(Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬ用户数据包协议)作为网络
通信协议ꎮ ＵＤＰ 是用户数据报协议ꎬ是一个简单的
面向数据报的运输层协议ꎮ 优点就是适合传输较短
的文件ꎮ 因此服务端采用基于 ＵＤＰ 的高时效性数
据交互ꎬ如用户所处场景位置采煤机运行过程状态
等ꎮ 服务器端利用 ＵＤＰ 机制与客户端连接ꎬ监听和
响应客户请求ꎮ 选择基于 ＴＣＰ 的大数据传输ꎬ如软
件版本的更新启动场景的下载等ꎮ３1049008 ３ 采煤业务知识与协同行为决策模型
为了实现对多人协同操作的准确判断ꎬ需要将
采煤过程中的业务知识转化成一系列决策模型ꎮ 这
种从业务知识到决策模型的转化是知识工程的研究
领域[２３]ꎮ 知识工程是一种建模活动ꎬ即使用知识模
型对知识进行抽象ꎬ是知识的形式化和符号化的过
程ꎮ 知识工程的核心就是如何使用计算机可以存储
和处理的模型表示知识ꎬ即知识表示 ( ＫｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎꎬＫＲ)ꎮ 目前知识表示的方法主要有规
则表示法语义网络表示法框架表示法谓词逻辑
表示法等ꎮ本研究选用规则表示法建立规则知识库ꎮ 使用
规则表示知识一般采用的是 ＩＦ1049018ＴＨＥＮ1049018型的规
则ꎬ这种结构从逻辑上连接 ＩＦ 部分中一个或多个前
提(也称条件)到 ＴＨＥＮ 部分的一个或多个后部(也称结论)ꎮ
服务器端的协同行为决策模型保证了协同
过程中程序逻辑的严密性和决策的正确性ꎮ 不
同角色之间有非常复杂的协同工作关系ꎮ 根据
多人虚拟角色的行为ꎬ将上述专业采矿知识转换
成一系列运算逻辑算法ꎬ并成为仿真演练中虚拟
角色的决策模型ꎮ 当多个虚拟角色进行操作时ꎬ服务器能够对这一组虚拟角色的行为进行判断ꎬ将结果返回到客户端ꎮ 综采工作面协同行为决
策的逻辑存储结构见表 １ꎬ包括交接班开启采煤
机收起护帮板等动作的行为决策模型ꎮ 不同角
色的操作动作会上传到服务器的规则知识库决
策模型中进行判断ꎬ一旦工序错误ꎬ则状态提示
错误ꎮ 实际上ꎬ要针对应用情况和专业知识来设
计大量的决策模型ꎬ具体情况比表 １ 给出的判断
规则更为复杂ꎮ
表 １ 协同行为决策的逻辑存储结构
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ
规则 ＩＤ 规则前项 规则后项置信
度
１
ＩＦ 向班长汇报交接班
ＡＮＤ 采煤机司机交接班
ＡＮＤ 支架工交接班
ＡＮＤ 输送带工交接班
协同工作 ＝ 开始 １００
２
ＩＦ 采煤机发出报警声音
ＡＮＤ 带式输送机开机
ＡＮＤ 转载机开机
ＡＮＤ 刮板输送机开机
采煤机工作 ＝ 开始 １００
３ＩＦ 采煤机开启左牵引
ＡＮＤ 离滚筒最近的护帮板未开启收起护帮板＝正确 １００
４ 应用效果
在充分调研实际业务的基础上ꎬ采集了井下真
实生产环境三维数据ꎬ建立了综采工作面中的运输
巷回风巷煤层等地质体ꎬ液压支架采煤机工作
面刮板输送机端头架超前支护液压支架转载机破碎机输送带列车站甲烷传感器等设备的三维
模型ꎬ所有设备依据机械图纸进行 １ ∶ １ 建模ꎬ并依
据设备的物理属性设定响应的物理参数ꎬ如质量摩擦因数阻尼系数等ꎬ尽可能真实地还原设备状态和
运动结果ꎮ系统初步具备了多用户登录和协同工作设
备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎮ 角
色设定有带班班长带式输送机司机支架工转载机司机刮板输送机司机采煤机司机瓦检员
等ꎮ 角色能和场景中设备进行交互操作ꎮ 以采煤
机司机的身份登录ꎬ通过文字与小组其他成员进
行沟通后ꎬ开启左牵引的操作ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 以支
架工的身份登录后ꎬ在采煤机割煤之前ꎬ通过扳动
设备手柄收起护帮板的操作ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 每个
类型角色依据采煤作业规程有不同的操作权限ꎬ系统能对角色操作进行判断ꎬ并对超越权限的操
作进行提示和评分ꎮ 系统目前能够支持 ３０ 个用
户同时登录工作ꎮ
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
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(下转第 ２２３ 页)１６１
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技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
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用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
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律研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８ＨＵ ＪｉｅꎬＬＯＮＧ ＱｉｎｇｍｉｎｇꎬＬＩ Ｊｉａｎｇｏｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｉｍｅ－ｓｐａｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ[ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８
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察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
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与化工ꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２ＷＡＮＧ ＤｉａｎｌｕＳｔｕｄｙ ｏｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｗａ￣ｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[ Ｊ] Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２
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技术[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５ＬＩＵ ＨａｉｂｏꎬＳＨＡＮＧ ＺｈｅｎｇｊｉｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ￣ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ldquo ｔｈｒｅｅｓｏｆｔrdquo ｃｏａｌ ｓｅａｍ[Ｊ] Ｓａｆｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５
105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
[１６] 刘永立ꎬ杨 虎煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统研究
[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５ＬＩＵ ＹｏｎｇｌｉꎬＹＡＮＧ Ｈｕ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｎｅｆｉｒｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ [ Ｊ ] Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５
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[２０] 许爱军多用户协同虚拟现实的技能训练系统[ Ｊ] 计算机系
统与应用ꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０ＸＵ ＡｉｊｕｎＳｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ａｓｓｉｓｔｉｎ ｓｋｉｌｌｓ ｔｒａｉｎｉｎｇ[Ｊ] Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０
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３２２
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２０１８ 年第 １ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４６ 卷
和程序输出到每一个客户端ꎮ 客户端负责创建一个
虚拟仿真环境ꎬ并将服务器传输过来的同步数据展
示出来ꎮ 多个客户端登录不同的用户角色ꎬ可以进
行文字通信ꎬ相互合作完成一个任务ꎮ网络通信原理如图 ２ 所示ꎮ 客户端发送登录请
求ꎬ将登录请求或者命令和参数同步到服务器端ꎻ服
务器判断后选择相关场景ꎮ 服务器的数据库会保存
设备角色工具等状态ꎬ当客户端命令和参数同步
的请求发过来后ꎬ根据规则知识库判断客户端的操
作是否正确ꎬ通过内存数据库判断状态是否锁定ꎬ并处理并发问题ꎮ 最后服务器返回最新的状态到客
户端ꎮ
图 ２ 网络通信原理示意
Ｆｉｇ1049008 ２ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ
整个系统的功能设计如图 ３ 所示ꎮ 客户端的虚
拟现实场景模块包括地质模型建模场景资源包导
入外部实时数据接入等功能ꎬ多角色仿真演练模块
包括用户登录设备操控文字通信操作评判等功
能[１３]ꎮ 地质模型构建功能利用地质数据自动构建
煤层采空区积水区等地质要素ꎻ场景资源包导入
功能允许用户导入 ３ＤＳ Ｍａｘ 等工具创建的设备建筑等精细模型ꎻ外部实时数据接入功能ꎬ预留了接入
设备工况数据瓦斯等监测监控数据的接口ꎮ
图 ３ 虚拟演练平台功能示意
Ｆｉｇ1049008 ３ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ
在服务器端ꎬ提供了仿真计算规则知识决策模
型场景资源包和角色管理 ４ 个功能ꎮ 仿真计算是
针对综采工作面仿真过程中所需要的一系列物理模
型ꎬ如通风网络解算模型割煤量计算模型等ꎮ 规则
知识决策模型是指多用户协同工作时的专业知识规
则整理成一系列计算机可理解的决策算法ꎮ 场景资
源包是在服务器上统一管理的三维模型资源ꎮ 角色
管理是指用户登录信息等的管理功能ꎮ
３ 系统关键技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台涉及到多
项 ＶＲ 核心技术ꎬ如三维建模技术渲染引擎技术网络架构角色设计界面设计业务规则生成虚拟
现实特效等ꎮ 笔者重点介绍三维场景可视化技术多用户网络传输技术协同行为决策模型 ３ 个核心
技术ꎮ３1049008 １ 三维场景可视化技术
三维场景可视化主要介绍如何将制作好的三维
模型在虚拟现实编辑器中进行场景整合ꎬ并发布成
资源[１９]ꎮ 制作三维场景并实现资源打包的过程如
图 ４ 所示ꎮ 首先在 ３ＤＭａｘＭａｙａ 等第三方建模软件
中制作综采工作面中的设备模型ꎬ包括高模和低模ꎬ划分材质ꎬ计算纹理坐标ꎬ绘制或者烘焙法线贴图漫反射贴图金属性贴图粗糙度贴图和高光贴图等
一系列材质ꎮ 另外ꎬ通过二维系统的基础数据ꎬ自动
生成地表地形巷道复杂地质模型等三维模型ꎮ 然
后ꎬ将所有三维模型导入虚拟现实平台的三维编辑
器进行场景整合ꎬ利用脚本编辑器来制作模型的光
照材质动画等特效ꎬ将场景打包并发布成场景
资源ꎮ８５１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ４ 可视化建模流程示意
Ｆｉｇ1049008 ４ Ｖｉｓｕａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
三维图形引擎和虚拟现实编辑器是三维场景可
视化的基础ꎮ 三维图形引擎是虚拟仿真演练平台的
核心技术ꎮ 引擎是支持上层三维应用的底层函数
库ꎬ主要解决的是场景构造场景渲染事件处理光照材质碰撞检测等基础性的问题ꎮ 编辑器则是与
引擎相配的用于进行特效制作和场景整合的平台
性软件ꎮ 目前常见的三维引擎有虚幻 ＵｎｒｅａｌＵｎｉｔｙ和 ＣｒｙＥｎｇｉｎｅ 等ꎮ 通过编辑器强大的功能ꎬ能够真
实地模拟矿井综采工作面中的采煤机割煤落煤运煤的工作场景ꎬ以及发生火灾瓦斯爆炸顶板坍塌
等灾害时的矿井环境变化ꎮ３1049008 ２ 多用户网络传输技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台在系统架
构上采用了客户端 服务器模式ꎮ 这一模式的缺点
是网络负载较重ꎬ服务器容易成为瓶颈ꎮ 这是因为ꎬ在多人协同工作中ꎬ客户端和服务器端的各个设备
运行参数时刻要保持一致ꎮ 假设没有网络延迟的情
况下ꎬ任何一个客户端的状态均能够通过网络上传
到服务器ꎬ由服务器同步到其他客户端上ꎮ 然而由
于网络带宽速度和网络拥堵等情况ꎬ在实际中这种
状态同步会存在一定的困难ꎬ大量的数据交换使得
服务器在协同工作时会产生结果因果和意图不一
致的情况[２０－２１]ꎮ随着网络技术的进步ꎬ一种广义客户端mdash服务
器联网模式( ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｃｌｉｅｎｔ － ｓｅｒｖｅｒ ｍｏｄｅｌ) 被提
出[２２]ꎬ网络延时等问题得到了一定程度的解决ꎮ 在
该模式中ꎬ服务器控制着当前工作流程ꎬ服务器状态
才是一个整个场景中的三维实体的真正状态ꎬ而客
户端总是近似于服务器状态的模拟ꎬ但得需要服务
器对其进行督导和同步ꎮ 在这种模式下ꎬ客户端可
以预判服务器的行为ꎮ 重要的决策都由服务器来处
理ꎬ如物体的创建与销毁设备的开启和停止都是由
服务器控制和广播的ꎮ 然而ꎬ人员和设备移动都是
在每台客户机上独立完成的ꎬ因此客户端和服务器
端有微小的差异ꎬ但是不会产生任何网络流量ꎮ 此
外ꎬ这种模式下任意一台客户端都可以担当服务器ꎬ也可以运行客户端的三维程序ꎬ而其他用户直接通
过服务端进入三维场景中ꎮ 对于服务器端ꎬ则采用
广播传输数据的方式ꎬ一旦发生状态变化ꎬ会将数据
以广播的形式发送给所有客户端ꎮ
图 ５ 客户端和服务器状态同步原理
Ｆｉｇ1049008 ５ Ｃｌｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｅｒｖｅｒ ｓｔａｔｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
综采工作面多人协同工作时客户端和服务器状
态同步的原理如图 ５ 所示ꎮ 下面以采煤流程中开启
采煤机的左牵引并割煤为例ꎬ说明服务器端和客户
端进行状态同步的具体步骤ꎮ１)第 １ 个用户以服务器模式登录ꎬ该用户既是
服务器也是一个客户端ꎬ其他用户加入到该服务器ꎬ都是客户端ꎮ
２)假设客户端 １ 为采煤机司机ꎬ在场景中操作
采煤机左牵引进行割煤操作ꎮ 客户端 １ 将自己的角
色信息及采煤机左牵引相关的参数(采煤机的牵引
速度牵引方向左牵引的目标位置) 发送到服
务端ꎮ３)服务端接收到采煤机左牵引操作请求后ꎬ
首先依据采煤业务规则形成协同行为决策模型ꎬ判断该角色是否有权限进行该项操作ꎮ ①如无权
限进行该项操作ꎬ则返回给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ无权限进行该项操作ꎻ然后ꎬ判断服务器上采煤机的
当前位置是否与左牵引位置相同ꎬ如相同则返回
给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ左牵引位置与当前位置相
同ꎮ ②当有权限进行该项操作ꎬ服务端将客户端 １的采煤机左牵引请求确认完毕后ꎬ则将采煤机命
令(采煤机的牵引速度牵引方向左牵引的目标
位置)发送到所有的客户端ꎬ包括客户端 １ꎮ ③各
个客户端接收到服务端发送的采煤机左牵引命令
后ꎬ开始解析命令参数ꎬ并利用本地的仿真算法对
９５１
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２０１８ 年第 １ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４６ 卷
采煤机进行左牵引的模拟ꎮ ④由于各客户端配置
不同ꎬ仿真算法计算的快慢及渲染效率都不同ꎬ各客户端采煤机位置是有差异的ꎮ ⑤所有客户端在
采煤机左牵引割煤的命令执行完毕后ꎬ采煤机状
态是保持一致的ꎮ在网络协议方面ꎬ常见的局域网协议有 ＭＩ￣
ＣＲＯＳＯＦＴ 的 ＮＥＴＢＥＵＩＮＯＶＥＬＬ 的 ＩＰＸ ＳＰＸ 和交
叉平台 ＴＣＰ ＩＰꎮ 选择了 ＴＣＰ ＩＰ 协议中的 ＵＤＰ(Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬ用户数据包协议)作为网络
通信协议ꎮ ＵＤＰ 是用户数据报协议ꎬ是一个简单的
面向数据报的运输层协议ꎮ 优点就是适合传输较短
的文件ꎮ 因此服务端采用基于 ＵＤＰ 的高时效性数
据交互ꎬ如用户所处场景位置采煤机运行过程状态
等ꎮ 服务器端利用 ＵＤＰ 机制与客户端连接ꎬ监听和
响应客户请求ꎮ 选择基于 ＴＣＰ 的大数据传输ꎬ如软
件版本的更新启动场景的下载等ꎮ３1049008 ３ 采煤业务知识与协同行为决策模型
为了实现对多人协同操作的准确判断ꎬ需要将
采煤过程中的业务知识转化成一系列决策模型ꎮ 这
种从业务知识到决策模型的转化是知识工程的研究
领域[２３]ꎮ 知识工程是一种建模活动ꎬ即使用知识模
型对知识进行抽象ꎬ是知识的形式化和符号化的过
程ꎮ 知识工程的核心就是如何使用计算机可以存储
和处理的模型表示知识ꎬ即知识表示 ( ＫｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎꎬＫＲ)ꎮ 目前知识表示的方法主要有规
则表示法语义网络表示法框架表示法谓词逻辑
表示法等ꎮ本研究选用规则表示法建立规则知识库ꎮ 使用
规则表示知识一般采用的是 ＩＦ1049018ＴＨＥＮ1049018型的规
则ꎬ这种结构从逻辑上连接 ＩＦ 部分中一个或多个前
提(也称条件)到 ＴＨＥＮ 部分的一个或多个后部(也称结论)ꎮ
服务器端的协同行为决策模型保证了协同
过程中程序逻辑的严密性和决策的正确性ꎮ 不
同角色之间有非常复杂的协同工作关系ꎮ 根据
多人虚拟角色的行为ꎬ将上述专业采矿知识转换
成一系列运算逻辑算法ꎬ并成为仿真演练中虚拟
角色的决策模型ꎮ 当多个虚拟角色进行操作时ꎬ服务器能够对这一组虚拟角色的行为进行判断ꎬ将结果返回到客户端ꎮ 综采工作面协同行为决
策的逻辑存储结构见表 １ꎬ包括交接班开启采煤
机收起护帮板等动作的行为决策模型ꎮ 不同角
色的操作动作会上传到服务器的规则知识库决
策模型中进行判断ꎬ一旦工序错误ꎬ则状态提示
错误ꎮ 实际上ꎬ要针对应用情况和专业知识来设
计大量的决策模型ꎬ具体情况比表 １ 给出的判断
规则更为复杂ꎮ
表 １ 协同行为决策的逻辑存储结构
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ
规则 ＩＤ 规则前项 规则后项置信
度
１
ＩＦ 向班长汇报交接班
ＡＮＤ 采煤机司机交接班
ＡＮＤ 支架工交接班
ＡＮＤ 输送带工交接班
协同工作 ＝ 开始 １００
２
ＩＦ 采煤机发出报警声音
ＡＮＤ 带式输送机开机
ＡＮＤ 转载机开机
ＡＮＤ 刮板输送机开机
采煤机工作 ＝ 开始 １００
３ＩＦ 采煤机开启左牵引
ＡＮＤ 离滚筒最近的护帮板未开启收起护帮板＝正确 １００
４ 应用效果
在充分调研实际业务的基础上ꎬ采集了井下真
实生产环境三维数据ꎬ建立了综采工作面中的运输
巷回风巷煤层等地质体ꎬ液压支架采煤机工作
面刮板输送机端头架超前支护液压支架转载机破碎机输送带列车站甲烷传感器等设备的三维
模型ꎬ所有设备依据机械图纸进行 １ ∶ １ 建模ꎬ并依
据设备的物理属性设定响应的物理参数ꎬ如质量摩擦因数阻尼系数等ꎬ尽可能真实地还原设备状态和
运动结果ꎮ系统初步具备了多用户登录和协同工作设
备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎮ 角
色设定有带班班长带式输送机司机支架工转载机司机刮板输送机司机采煤机司机瓦检员
等ꎮ 角色能和场景中设备进行交互操作ꎮ 以采煤
机司机的身份登录ꎬ通过文字与小组其他成员进
行沟通后ꎬ开启左牵引的操作ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 以支
架工的身份登录后ꎬ在采煤机割煤之前ꎬ通过扳动
设备手柄收起护帮板的操作ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 每个
类型角色依据采煤作业规程有不同的操作权限ꎬ系统能对角色操作进行判断ꎬ并对超越权限的操
作进行提示和评分ꎮ 系统目前能够支持 ３０ 个用
户同时登录工作ꎮ
０６１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)
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ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００６ꎬ３４ (１１)５６－５９
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[３] ＰＥＮＩＣＨＥＴ Ｖ Ｍ ＲꎬＭＡＲＩＮ ＩꎬＧＡＬＬＵＤ Ｊ Ａꎬｅｔ ａｌＡ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ ＣＳＣＷ ｓｙｓｔｅｍｓ [ Ｊ] Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅꎬ２００７ꎬ１６８２３７－２４７
[４] ＢＥＤＮＡＲＺ Ｔ ＰꎬＣＡＲＩＳ ＣꎬＴＨＯＭＰＳＯＮ Ｊꎬｅｔ ａｌＨｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｃ] ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１０
[５] ＭＡＬＬＥＴ ＬꎬＵＮＧＥＲ ＲＶｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｉｎ ｍｉｎｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ[Ｃ] ＳＭＥＡｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎꎬ２００７
[６] ＳＱＵＥＬＣＨ ＡＰＶｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｓｏｕｔｈ Ａｆ￣ｒｉｃａ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ－Ｓｏｕｔｈ Ａｆｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬ２００１ꎬ１０１(４)２０９－２１６
[７] ＰＨＤ Ｊｅｎｎｉｆｅｒ ＴｉｃｈｏｎꎬＢＵＲＧＥＳＳＬＩＭＥＲＩＣＫ ＲｏｂｉｎꎬＣＰＥ ＰｈｄꎬｅｔａｌＡ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｓ ａ ｍｅｄｉｕｍ ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｒａｉｎｉｎｇｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ Ｓａｆｅｔｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒａｃｔｉｃｅꎬ２０１１(３)３３－４０
[８] ＰＥＤＲＡＭ ＳｈꎬＰＥＲＥＺ ＰꎬＰＡＬＭＩＳＡＮＯ Ｓꎬｅｔ ａｌＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ (ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ) ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔ ｏｆ ｍｉｎ￣ｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｃ] ２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬＨｏｂａｒｔꎬＴａｓｍａｎｉａꎬＡｕｓｔｒａｌｉａꎬ２０１７
[９] 李其中ꎬ时 光ꎬ兰泽全虚拟现实技术在煤矿安全领域的应
用与主要实现方法[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２００７ꎬ３８(１０)５８－６０ＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＳＨＩ ＧｕａｎｇꎬＬＡＮ ＺｅｑｕａｎＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎ ｒｅ￣ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏａｌｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ[Ｊ] Ｓａｆｅｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２００７ꎬ３８ (１０)５８－６０
[１０] 毛善君ꎬ熊 伟煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现
[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２００５ꎬ３０(５)２９－３３ＭＡＯ ＳｈａｎｊｕｎꎬＸＩＯＮＧ Ｗｅｉ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅꎬ２００５ꎬ３０ (５)２９－３３
[１１] 蔡林沁ꎬ罗志勇ꎬ王 颋ꎬ等基于 Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ 的煤矿虚拟环
境体系建模[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５ＣＡＩ ＬｉｎｑｉꎬＬＵＯ ＺｈｉｙｏｎｇꎬＷＡＮＧ Ｔｉｎｇꎬｅｔ ａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃｏａｌｍｉｎｅｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５
[１２] 李大锦ꎬ白成杰ꎬ姜 华矿山井下场景的实时渲染算法[ Ｊ] 系统仿真学报ꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３ＬＩ ＤａｊｉｎꎬＢＡＩ ＣｈｅｎｇｊｉｅꎬＪＩＡＮＧ ＨｕａＲｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｓｃｅｎｅｓ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３
[１３] 李 梅ꎬ杨帅伟ꎬ孙振明ꎬ等智慧矿山框架与发展前景研究
[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８ＬＩ Ｍｅｉꎬ ＹＡＮＧ Ｓｈｕａｉｗｅｉꎬ ＳＵＮ Ｚｈｅｎｍｉｎｇꎬ ｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｉｎｅ[Ｊ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８
[１４] 熊书敏地下矿生产可视化管控系统关键技术研究[Ｄ]长沙中南大学ꎬ２０１２
[１５] 李 杨ꎬ杨天鸿ꎬ刘洪磊ꎬ等大安山煤矿三维可视化系统的建
立及安全监测分析[ Ｊ] 采矿与安全工程学报ꎬ２０１４ꎬ３１(２)２７７－２８３
(下转第 ２２３ 页)１６１
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
３９(１)５５－５８[１１] 吕贵春水力割缝在石门揭煤预抽煤层瓦斯区域防突措施中
的应用[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２ＬＹＵ Ｇｕｉｃｈｕｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ｇａｓ ｐｒｅ －
ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｉｎ ｃｒｏｓｓｃｕｔ [ Ｊ] ＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２
[１２] 陶云奇ꎬ冯 丹ꎬ马 耕ꎬ等水力冲孔物理模拟试验及其卸压
增透效果研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０ＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＦＥＮＧ ＤａｎꎬＭＡ Ｇｅｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅ￣ｌｅａｓｅｄ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｆｅｃｔ [ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０
[１３] 王 峰ꎬ陶云奇ꎬ刘 东水力冲孔泄压范围及瓦斯抽采规律
研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００ＷＡＮＧ ＦｅｎｇꎬＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅｄｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｌａｗ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００
[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
[１５] 冯 涛ꎬ谢雄刚ꎬ刘 辉ꎬ等注液冻结法在石门揭煤中防突作
用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
[１６] 李绍泉近距离煤层群煤与瓦斯突出机理及预警研究[Ｄ]北京中国矿业大学(北京)ꎬ２０１３
[１７] 胡 杰ꎬ隆清明ꎬ李建功ꎬ等顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规
律研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８ＨＵ ＪｉｅꎬＬＯＮＧ ＱｉｎｇｍｉｎｇꎬＬＩ Ｊｉａｎｇｏｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｉｍｅ－ｓｐａｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ[ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８
[１８] 周 勇ꎬ赵 康单一厚煤层水力冲孔技术参数确定及效果考
察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
[１９] 王殿录低透气性煤层水力冲孔增透技术试验研究[ Ｊ] 煤炭
与化工ꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２ＷＡＮＧ ＤｉａｎｌｕＳｔｕｄｙ ｏｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｗａ￣ｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[ Ｊ] Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２
[２０] 刘海波ꎬ尚政杰rdquo三软rdquo煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透
技术[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５ＬＩＵ ＨａｉｂｏꎬＳＨＡＮＧ ＺｈｅｎｇｊｉｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ￣ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ldquo ｔｈｒｅｅｓｏｆｔrdquo ｃｏａｌ ｓｅａｍ[Ｊ] Ｓａｆｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５
105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
[１６] 刘永立ꎬ杨 虎煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统研究
[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５ＬＩＵ ＹｏｎｇｌｉꎬＹＡＮＧ Ｈｕ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｎｅｆｉｒｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ [ Ｊ ] Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５
[１７] 曲 斌基于 Ｖｅｇａ 的协同设计虚拟可视化平台构建[Ｄ]济南山东大学ꎬ２００９
[１８] 苏铁明计算机支持的协同设计框架及若干关键技术研究
[Ｄ]大连大连理工大学ꎬ２００３[１９] 孙振明ꎬ李 梅基于虚拟现实和协同工作的煤矿安全培训系
统[Ｊ] 科技导报ꎬ２０１６(９)１０２－１０７ＳＵＮ ＺｈｅｎｍｉｎｇꎬＬＩ ＭｅｉＣｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [ Ｊ] Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗꎬ２０１６(９)１０２－１０７
[２０] 许爱军多用户协同虚拟现实的技能训练系统[ Ｊ] 计算机系
统与应用ꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０ＸＵ ＡｉｊｕｎＳｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ａｓｓｉｓｔｉｎ ｓｋｉｌｌｓ ｔｒａｉｎｉｎｇ[Ｊ] Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０
[２１] 周 峰ꎬ王兆其ꎬ刘金刚多人实时协同设计在虚拟家装系统
中的研究与实现[Ｊ] 微计算机信息ꎬ２０１１(１)２７１－２７３ＺＨＯＵ ＦｅｎｇꎬＷＡＮＧ Ｚｈａｏｑｉꎬ ＬＩＵ Ｊｉｎｇａｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｉｍｐｌｅ￣ｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｏｕｓｅｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ [ Ｊ] Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬ ２０１１ ( １ )２７１－２７３
[２２] 杨兆春网络游戏数据包的抓取与识别[Ｄ]北京北京交通
大学ꎬ２００７[２３] 袁 磊ꎬ张 浩ꎬ陈 静ꎬ等基于本体化知识模型的知识库构
建模式研究[Ｊ] 计算机工程与应用ꎬ２００６(３０)６５－６８ＹＵＡＮ Ｌｅｉꎬ ＺＨＡＮＧ Ｈａｏꎬ ＣＨＥＮ Ｊｉｎｇꎬ ｅｔ ａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｂａｓｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｍｏｄｅｌ[Ｊ] ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２００６(３０)６５－６８
３２２
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ４ 可视化建模流程示意
Ｆｉｇ1049008 ４ Ｖｉｓｕａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
三维图形引擎和虚拟现实编辑器是三维场景可
视化的基础ꎮ 三维图形引擎是虚拟仿真演练平台的
核心技术ꎮ 引擎是支持上层三维应用的底层函数
库ꎬ主要解决的是场景构造场景渲染事件处理光照材质碰撞检测等基础性的问题ꎮ 编辑器则是与
引擎相配的用于进行特效制作和场景整合的平台
性软件ꎮ 目前常见的三维引擎有虚幻 ＵｎｒｅａｌＵｎｉｔｙ和 ＣｒｙＥｎｇｉｎｅ 等ꎮ 通过编辑器强大的功能ꎬ能够真
实地模拟矿井综采工作面中的采煤机割煤落煤运煤的工作场景ꎬ以及发生火灾瓦斯爆炸顶板坍塌
等灾害时的矿井环境变化ꎮ３1049008 ２ 多用户网络传输技术
煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台在系统架
构上采用了客户端 服务器模式ꎮ 这一模式的缺点
是网络负载较重ꎬ服务器容易成为瓶颈ꎮ 这是因为ꎬ在多人协同工作中ꎬ客户端和服务器端的各个设备
运行参数时刻要保持一致ꎮ 假设没有网络延迟的情
况下ꎬ任何一个客户端的状态均能够通过网络上传
到服务器ꎬ由服务器同步到其他客户端上ꎮ 然而由
于网络带宽速度和网络拥堵等情况ꎬ在实际中这种
状态同步会存在一定的困难ꎬ大量的数据交换使得
服务器在协同工作时会产生结果因果和意图不一
致的情况[２０－２１]ꎮ随着网络技术的进步ꎬ一种广义客户端mdash服务
器联网模式( ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｃｌｉｅｎｔ － ｓｅｒｖｅｒ ｍｏｄｅｌ) 被提
出[２２]ꎬ网络延时等问题得到了一定程度的解决ꎮ 在
该模式中ꎬ服务器控制着当前工作流程ꎬ服务器状态
才是一个整个场景中的三维实体的真正状态ꎬ而客
户端总是近似于服务器状态的模拟ꎬ但得需要服务
器对其进行督导和同步ꎮ 在这种模式下ꎬ客户端可
以预判服务器的行为ꎮ 重要的决策都由服务器来处
理ꎬ如物体的创建与销毁设备的开启和停止都是由
服务器控制和广播的ꎮ 然而ꎬ人员和设备移动都是
在每台客户机上独立完成的ꎬ因此客户端和服务器
端有微小的差异ꎬ但是不会产生任何网络流量ꎮ 此
外ꎬ这种模式下任意一台客户端都可以担当服务器ꎬ也可以运行客户端的三维程序ꎬ而其他用户直接通
过服务端进入三维场景中ꎮ 对于服务器端ꎬ则采用
广播传输数据的方式ꎬ一旦发生状态变化ꎬ会将数据
以广播的形式发送给所有客户端ꎮ
图 ５ 客户端和服务器状态同步原理
Ｆｉｇ1049008 ５ Ｃｌｉｅｎｔ ａｎｄ ｓｅｒｖｅｒ ｓｔａｔｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
综采工作面多人协同工作时客户端和服务器状
态同步的原理如图 ５ 所示ꎮ 下面以采煤流程中开启
采煤机的左牵引并割煤为例ꎬ说明服务器端和客户
端进行状态同步的具体步骤ꎮ１)第 １ 个用户以服务器模式登录ꎬ该用户既是
服务器也是一个客户端ꎬ其他用户加入到该服务器ꎬ都是客户端ꎮ
２)假设客户端 １ 为采煤机司机ꎬ在场景中操作
采煤机左牵引进行割煤操作ꎮ 客户端 １ 将自己的角
色信息及采煤机左牵引相关的参数(采煤机的牵引
速度牵引方向左牵引的目标位置) 发送到服
务端ꎮ３)服务端接收到采煤机左牵引操作请求后ꎬ
首先依据采煤业务规则形成协同行为决策模型ꎬ判断该角色是否有权限进行该项操作ꎮ ①如无权
限进行该项操作ꎬ则返回给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ无权限进行该项操作ꎻ然后ꎬ判断服务器上采煤机的
当前位置是否与左牵引位置相同ꎬ如相同则返回
给客户端 １ꎬ请求失败ꎬ左牵引位置与当前位置相
同ꎮ ②当有权限进行该项操作ꎬ服务端将客户端 １的采煤机左牵引请求确认完毕后ꎬ则将采煤机命
令(采煤机的牵引速度牵引方向左牵引的目标
位置)发送到所有的客户端ꎬ包括客户端 １ꎮ ③各
个客户端接收到服务端发送的采煤机左牵引命令
后ꎬ开始解析命令参数ꎬ并利用本地的仿真算法对
９５１
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２０１８ 年第 １ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４６ 卷
采煤机进行左牵引的模拟ꎮ ④由于各客户端配置
不同ꎬ仿真算法计算的快慢及渲染效率都不同ꎬ各客户端采煤机位置是有差异的ꎮ ⑤所有客户端在
采煤机左牵引割煤的命令执行完毕后ꎬ采煤机状
态是保持一致的ꎮ在网络协议方面ꎬ常见的局域网协议有 ＭＩ￣
ＣＲＯＳＯＦＴ 的 ＮＥＴＢＥＵＩＮＯＶＥＬＬ 的 ＩＰＸ ＳＰＸ 和交
叉平台 ＴＣＰ ＩＰꎮ 选择了 ＴＣＰ ＩＰ 协议中的 ＵＤＰ(Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬ用户数据包协议)作为网络
通信协议ꎮ ＵＤＰ 是用户数据报协议ꎬ是一个简单的
面向数据报的运输层协议ꎮ 优点就是适合传输较短
的文件ꎮ 因此服务端采用基于 ＵＤＰ 的高时效性数
据交互ꎬ如用户所处场景位置采煤机运行过程状态
等ꎮ 服务器端利用 ＵＤＰ 机制与客户端连接ꎬ监听和
响应客户请求ꎮ 选择基于 ＴＣＰ 的大数据传输ꎬ如软
件版本的更新启动场景的下载等ꎮ３1049008 ３ 采煤业务知识与协同行为决策模型
为了实现对多人协同操作的准确判断ꎬ需要将
采煤过程中的业务知识转化成一系列决策模型ꎮ 这
种从业务知识到决策模型的转化是知识工程的研究
领域[２３]ꎮ 知识工程是一种建模活动ꎬ即使用知识模
型对知识进行抽象ꎬ是知识的形式化和符号化的过
程ꎮ 知识工程的核心就是如何使用计算机可以存储
和处理的模型表示知识ꎬ即知识表示 ( ＫｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎꎬＫＲ)ꎮ 目前知识表示的方法主要有规
则表示法语义网络表示法框架表示法谓词逻辑
表示法等ꎮ本研究选用规则表示法建立规则知识库ꎮ 使用
规则表示知识一般采用的是 ＩＦ1049018ＴＨＥＮ1049018型的规
则ꎬ这种结构从逻辑上连接 ＩＦ 部分中一个或多个前
提(也称条件)到 ＴＨＥＮ 部分的一个或多个后部(也称结论)ꎮ
服务器端的协同行为决策模型保证了协同
过程中程序逻辑的严密性和决策的正确性ꎮ 不
同角色之间有非常复杂的协同工作关系ꎮ 根据
多人虚拟角色的行为ꎬ将上述专业采矿知识转换
成一系列运算逻辑算法ꎬ并成为仿真演练中虚拟
角色的决策模型ꎮ 当多个虚拟角色进行操作时ꎬ服务器能够对这一组虚拟角色的行为进行判断ꎬ将结果返回到客户端ꎮ 综采工作面协同行为决
策的逻辑存储结构见表 １ꎬ包括交接班开启采煤
机收起护帮板等动作的行为决策模型ꎮ 不同角
色的操作动作会上传到服务器的规则知识库决
策模型中进行判断ꎬ一旦工序错误ꎬ则状态提示
错误ꎮ 实际上ꎬ要针对应用情况和专业知识来设
计大量的决策模型ꎬ具体情况比表 １ 给出的判断
规则更为复杂ꎮ
表 １ 协同行为决策的逻辑存储结构
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ
规则 ＩＤ 规则前项 规则后项置信
度
１
ＩＦ 向班长汇报交接班
ＡＮＤ 采煤机司机交接班
ＡＮＤ 支架工交接班
ＡＮＤ 输送带工交接班
协同工作 ＝ 开始 １００
２
ＩＦ 采煤机发出报警声音
ＡＮＤ 带式输送机开机
ＡＮＤ 转载机开机
ＡＮＤ 刮板输送机开机
采煤机工作 ＝ 开始 １００
３ＩＦ 采煤机开启左牵引
ＡＮＤ 离滚筒最近的护帮板未开启收起护帮板＝正确 １００
４ 应用效果
在充分调研实际业务的基础上ꎬ采集了井下真
实生产环境三维数据ꎬ建立了综采工作面中的运输
巷回风巷煤层等地质体ꎬ液压支架采煤机工作
面刮板输送机端头架超前支护液压支架转载机破碎机输送带列车站甲烷传感器等设备的三维
模型ꎬ所有设备依据机械图纸进行 １ ∶ １ 建模ꎬ并依
据设备的物理属性设定响应的物理参数ꎬ如质量摩擦因数阻尼系数等ꎬ尽可能真实地还原设备状态和
运动结果ꎮ系统初步具备了多用户登录和协同工作设
备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎮ 角
色设定有带班班长带式输送机司机支架工转载机司机刮板输送机司机采煤机司机瓦检员
等ꎮ 角色能和场景中设备进行交互操作ꎮ 以采煤
机司机的身份登录ꎬ通过文字与小组其他成员进
行沟通后ꎬ开启左牵引的操作ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 以支
架工的身份登录后ꎬ在采煤机割煤之前ꎬ通过扳动
设备手柄收起护帮板的操作ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 每个
类型角色依据采煤作业规程有不同的操作权限ꎬ系统能对角色操作进行判断ꎬ并对超越权限的操
作进行提示和评分ꎮ 系统目前能够支持 ３０ 个用
户同时登录工作ꎮ
０６１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)
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用与主要实现方法[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２００７ꎬ３８(１０)５８－６０ＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＳＨＩ ＧｕａｎｇꎬＬＡＮ ＺｅｑｕａｎＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎ ｒｅ￣ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏａｌｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ[Ｊ] Ｓａｆｅｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２００７ꎬ３８ (１０)５８－６０
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(下转第 ２２３ 页)１６１
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
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研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００ＷＡＮＧ ＦｅｎｇꎬＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅｄｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｌａｗ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００
[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
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用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
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察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
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105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
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３２２
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２０１８ 年第 １ 期 煤 炭 科 学 技 术 第 ４６ 卷
采煤机进行左牵引的模拟ꎮ ④由于各客户端配置
不同ꎬ仿真算法计算的快慢及渲染效率都不同ꎬ各客户端采煤机位置是有差异的ꎮ ⑤所有客户端在
采煤机左牵引割煤的命令执行完毕后ꎬ采煤机状
态是保持一致的ꎮ在网络协议方面ꎬ常见的局域网协议有 ＭＩ￣
ＣＲＯＳＯＦＴ 的 ＮＥＴＢＥＵＩＮＯＶＥＬＬ 的 ＩＰＸ ＳＰＸ 和交
叉平台 ＴＣＰ ＩＰꎮ 选择了 ＴＣＰ ＩＰ 协议中的 ＵＤＰ(Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬ用户数据包协议)作为网络
通信协议ꎮ ＵＤＰ 是用户数据报协议ꎬ是一个简单的
面向数据报的运输层协议ꎮ 优点就是适合传输较短
的文件ꎮ 因此服务端采用基于 ＵＤＰ 的高时效性数
据交互ꎬ如用户所处场景位置采煤机运行过程状态
等ꎮ 服务器端利用 ＵＤＰ 机制与客户端连接ꎬ监听和
响应客户请求ꎮ 选择基于 ＴＣＰ 的大数据传输ꎬ如软
件版本的更新启动场景的下载等ꎮ３1049008 ３ 采煤业务知识与协同行为决策模型
为了实现对多人协同操作的准确判断ꎬ需要将
采煤过程中的业务知识转化成一系列决策模型ꎮ 这
种从业务知识到决策模型的转化是知识工程的研究
领域[２３]ꎮ 知识工程是一种建模活动ꎬ即使用知识模
型对知识进行抽象ꎬ是知识的形式化和符号化的过
程ꎮ 知识工程的核心就是如何使用计算机可以存储
和处理的模型表示知识ꎬ即知识表示 ( ＫｎｏｗｌｅｄｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎꎬＫＲ)ꎮ 目前知识表示的方法主要有规
则表示法语义网络表示法框架表示法谓词逻辑
表示法等ꎮ本研究选用规则表示法建立规则知识库ꎮ 使用
规则表示知识一般采用的是 ＩＦ1049018ＴＨＥＮ1049018型的规
则ꎬ这种结构从逻辑上连接 ＩＦ 部分中一个或多个前
提(也称条件)到 ＴＨＥＮ 部分的一个或多个后部(也称结论)ꎮ
服务器端的协同行为决策模型保证了协同
过程中程序逻辑的严密性和决策的正确性ꎮ 不
同角色之间有非常复杂的协同工作关系ꎮ 根据
多人虚拟角色的行为ꎬ将上述专业采矿知识转换
成一系列运算逻辑算法ꎬ并成为仿真演练中虚拟
角色的决策模型ꎮ 当多个虚拟角色进行操作时ꎬ服务器能够对这一组虚拟角色的行为进行判断ꎬ将结果返回到客户端ꎮ 综采工作面协同行为决
策的逻辑存储结构见表 １ꎬ包括交接班开启采煤
机收起护帮板等动作的行为决策模型ꎮ 不同角
色的操作动作会上传到服务器的规则知识库决
策模型中进行判断ꎬ一旦工序错误ꎬ则状态提示
错误ꎮ 实际上ꎬ要针对应用情况和专业知识来设
计大量的决策模型ꎬ具体情况比表 １ 给出的判断
规则更为复杂ꎮ
表 １ 协同行为决策的逻辑存储结构
Ｔａｂｌｅ １ Ｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒ ｄｅｃｉｓｉｏｎ
规则 ＩＤ 规则前项 规则后项置信
度
１
ＩＦ 向班长汇报交接班
ＡＮＤ 采煤机司机交接班
ＡＮＤ 支架工交接班
ＡＮＤ 输送带工交接班
协同工作 ＝ 开始 １００
２
ＩＦ 采煤机发出报警声音
ＡＮＤ 带式输送机开机
ＡＮＤ 转载机开机
ＡＮＤ 刮板输送机开机
采煤机工作 ＝ 开始 １００
３ＩＦ 采煤机开启左牵引
ＡＮＤ 离滚筒最近的护帮板未开启收起护帮板＝正确 １００
４ 应用效果
在充分调研实际业务的基础上ꎬ采集了井下真
实生产环境三维数据ꎬ建立了综采工作面中的运输
巷回风巷煤层等地质体ꎬ液压支架采煤机工作
面刮板输送机端头架超前支护液压支架转载机破碎机输送带列车站甲烷传感器等设备的三维
模型ꎬ所有设备依据机械图纸进行 １ ∶ １ 建模ꎬ并依
据设备的物理属性设定响应的物理参数ꎬ如质量摩擦因数阻尼系数等ꎬ尽可能真实地还原设备状态和
运动结果ꎮ系统初步具备了多用户登录和协同工作设
备虚拟操控采煤仿真模拟演练评分等功能ꎮ 角
色设定有带班班长带式输送机司机支架工转载机司机刮板输送机司机采煤机司机瓦检员
等ꎮ 角色能和场景中设备进行交互操作ꎮ 以采煤
机司机的身份登录ꎬ通过文字与小组其他成员进
行沟通后ꎬ开启左牵引的操作ꎬ如图 ６ 所示ꎮ 以支
架工的身份登录后ꎬ在采煤机割煤之前ꎬ通过扳动
设备手柄收起护帮板的操作ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 每个
类型角色依据采煤作业规程有不同的操作权限ꎬ系统能对角色操作进行判断ꎬ并对超越权限的操
作进行提示和评分ꎮ 系统目前能够支持 ３０ 个用
户同时登录工作ꎮ
０６１
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)
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(下转第 ２２３ 页)１６１
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
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研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００ＷＡＮＧ ＦｅｎｇꎬＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅｄｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｌａｗ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００
[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
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ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
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105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
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３２２
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李 梅等煤矿综采工作面多角色虚拟演练平台关键技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
图 ６ 采煤机司机操作采煤机
Ｆｉｇ1049008 ６ Ｓｈｅａｒｅｒrsquoｓ ｄｒｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｈｅａｒｅｒ
图 ７ 支架工操作液压支架
Ｆｉｇ1049008 ７ Ｓｔｅｎｔｓ ｗｏｒｋｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ
５ 结 语
近 ２ 年来ꎬ三维引擎源码逐渐开源ꎬＶＲ 硬件价
格也逐渐降低ꎬ虚拟现实在矿山行业的发展面临着
前所未有的机遇和挑战ꎮ 笔者以综采工作面多人协
同虚拟演练为目标ꎬ采用新一代虚拟现实引擎开发
出一个低成本游戏化的多角色虚拟演练平台ꎬ真实
模拟井下综采工作面采煤班组不同角色的协同工作
流程ꎬ结合专家知识库决策模型对多人协同操作流
程进行评判ꎮ 该项研究成果将为煤矿安全生产和培
训提供全新手段ꎬ避免了井下高危和极端的环境ꎬ为参与者提供了可靠安全和廉价的软件操作平台ꎬ不仅满足了国家和企业对矿山安全培训的迫切需求ꎬ也很好地促进了煤矿安全信息化的发展ꎮ
参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ)
[１] 兰泽全ꎬ李其中ꎬ徐景德虚拟现实技术在煤矿安全中应用的
现状及分析[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２００６ꎬ３４(１１)５６－５９
ＬＡＮ ＺｅｑｕａｎꎬＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＸＵ Ｊｉｎｇｄｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００６ꎬ３４ (１１)５６－５９
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ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｃ] Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓꎬ２００９
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[４] ＢＥＤＮＡＲＺ Ｔ ＰꎬＣＡＲＩＳ ＣꎬＴＨＯＭＰＳＯＮ Ｊꎬｅｔ ａｌＨｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅｍｉｎｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｃ] ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１０
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[８] ＰＥＤＲＡＭ ＳｈꎬＰＥＲＥＺ ＰꎬＰＡＬＭＩＳＡＮＯ Ｓꎬｅｔ ａｌＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ (ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ) ｆｏｒ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｘｔ ｏｆ ｍｉｎ￣ｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ[ Ｃ] ２２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬＨｏｂａｒｔꎬＴａｓｍａｎｉａꎬＡｕｓｔｒａｌｉａꎬ２０１７
[９] 李其中ꎬ时 光ꎬ兰泽全虚拟现实技术在煤矿安全领域的应
用与主要实现方法[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２００７ꎬ３８(１０)５８－６０ＬＩ ＱｉｚｈｏｎｇꎬＳＨＩ ＧｕａｎｇꎬＬＡＮ ＺｅｑｕａｎＴｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎ ｒｅ￣ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏａｌｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ[Ｊ] Ｓａｆｅｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２００７ꎬ３８ (１０)５８－６０
[１０] 毛善君ꎬ熊 伟煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现
[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２００５ꎬ３０(５)２９－３３ＭＡＯ ＳｈａｎｊｕｎꎬＸＩＯＮＧ Ｗｅｉ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅꎬ２００５ꎬ３０ (５)２９－３３
[１１] 蔡林沁ꎬ罗志勇ꎬ王 颋ꎬ等基于 Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ 的煤矿虚拟环
境体系建模[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５ＣＡＩ ＬｉｎｑｉꎬＬＵＯ ＺｈｉｙｏｎｇꎬＷＡＮＧ Ｔｉｎｇꎬｅｔ ａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃｏａｌｍｉｎｅｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｇｅｎｔ[Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅꎬ２０１０ꎬ３５(１)６１－６５
[１２] 李大锦ꎬ白成杰ꎬ姜 华矿山井下场景的实时渲染算法[ Ｊ] 系统仿真学报ꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３ＬＩ ＤａｊｉｎꎬＢＡＩ ＣｈｅｎｇｊｉｅꎬＪＩＡＮＧ ＨｕａＲｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅ ｓｃｅｎｅｓ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ２５(１０)２４６０－２４６３
[１３] 李 梅ꎬ杨帅伟ꎬ孙振明ꎬ等智慧矿山框架与发展前景研究
[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８ＬＩ Ｍｅｉꎬ ＹＡＮＧ Ｓｈｕａｉｗｅｉꎬ ＳＵＮ Ｚｈｅｎｍｉｎｇꎬ ｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｉｎｅ[Ｊ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１)１２１－１２８
[１４] 熊书敏地下矿生产可视化管控系统关键技术研究[Ｄ]长沙中南大学ꎬ２０１２
[１５] 李 杨ꎬ杨天鸿ꎬ刘洪磊ꎬ等大安山煤矿三维可视化系统的建
立及安全监测分析[ Ｊ] 采矿与安全工程学报ꎬ２０１４ꎬ３１(２)２７７－２８３
(下转第 ２２３ 页)１６１
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
３９(１)５５－５８[１１] 吕贵春水力割缝在石门揭煤预抽煤层瓦斯区域防突措施中
的应用[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２ＬＹＵ Ｇｕｉｃｈｕｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ｇａｓ ｐｒｅ －
ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｉｎ ｃｒｏｓｓｃｕｔ [ Ｊ] ＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２
[１２] 陶云奇ꎬ冯 丹ꎬ马 耕ꎬ等水力冲孔物理模拟试验及其卸压
增透效果研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０ＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＦＥＮＧ ＤａｎꎬＭＡ Ｇｅｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅ￣ｌｅａｓｅｄ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｆｅｃｔ [ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(６)５５－６０
[１３] 王 峰ꎬ陶云奇ꎬ刘 东水力冲孔泄压范围及瓦斯抽采规律
研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００ＷＡＮＧ ＦｅｎｇꎬＴＡＯ ＹｕｎｑｉꎬＬＩＵ Ｄｏｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｅａｓｅｄｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｌａｗ [ Ｊ ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０)９６－１００
[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
[１５] 冯 涛ꎬ谢雄刚ꎬ刘 辉ꎬ等注液冻结法在石门揭煤中防突作
用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
[１６] 李绍泉近距离煤层群煤与瓦斯突出机理及预警研究[Ｄ]北京中国矿业大学(北京)ꎬ２０１３
[１７] 胡 杰ꎬ隆清明ꎬ李建功ꎬ等顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规
律研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８ＨＵ ＪｉｅꎬＬＯＮＧ ＱｉｎｇｍｉｎｇꎬＬＩ Ｊｉａｎｇｏｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｉｍｅ－ｓｐａｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ[ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８
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察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
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与化工ꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２ＷＡＮＧ ＤｉａｎｌｕＳｔｕｄｙ ｏｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｗａ￣ｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[ Ｊ] Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２
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技术[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５ＬＩＵ ＨａｉｂｏꎬＳＨＡＮＧ ＺｈｅｎｇｊｉｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ￣ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ldquo ｔｈｒｅｅｓｏｆｔrdquo ｃｏａｌ ｓｅａｍ[Ｊ] Ｓａｆｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５
105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
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[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５ＬＩＵ ＹｏｎｇｌｉꎬＹＡＮＧ Ｈｕ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｎｅｆｉｒｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ [ Ｊ ] Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５
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３２２
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曹佐勇等石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究 ２０１８ 年第 １ 期
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的应用[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２ＬＹＵ Ｇｕｉｃｈｕｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ｇａｓ ｐｒｅ －
ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｉｎ ｃｒｏｓｓｃｕｔ [ Ｊ] ＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(４)７９－８２
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[１３] 王 峰ꎬ陶云奇ꎬ刘 东水力冲孔泄压范围及瓦斯抽采规律
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[１４] 蒋顺洲ꎬ罗文柯ꎬ周 军ꎬ等煤层注水与瓦斯抽采在石门揭煤
技术中的应用研究[Ｊ] 煤炭工程ꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１ＪＩＡＮＧ ＳｈｕｎｚｈｏｕꎬＬＵＯ ＷｅｎｋｅꎬＺＨＯＵ Ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅａｍｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ ｓｅａｍｏｐｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [Ｊ] Ｃｏａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ４５(７)２８－３１
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用的可行性研究[Ｊ] 煤炭学报ꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１ＦＥＮＧ ＴａｏꎬＸＩＥ ＸｉｏｎｇｇａｎｇꎬＬＩＵ Ｈｕｉꎬｅｔ ａｌＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ ｉｎｆｅｃｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ ｉｎ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃｒｏｓｓ － ｃｕｔ [ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙꎬ２０１０ꎬ３５(６)９３７－９４１
[１６] 李绍泉近距离煤层群煤与瓦斯突出机理及预警研究[Ｄ]北京中国矿业大学(北京)ꎬ２０１３
[１７] 胡 杰ꎬ隆清明ꎬ李建功ꎬ等顺煤层钻孔瓦斯抽采时空演化规
律研究[Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８ＨＵ ＪｉｅꎬＬＯＮＧ ＱｉｎｇｍｉｎｇꎬＬＩ Ｊｉａｎｇｏｎｇꎬｅｔ ａｌＳｔｕｄｙ ｏｎ ｔｉｍｅ－ｓｐａｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｃｏａｌ ｓｅａｍ[ Ｊ] Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(２)８３－８８
[１８] 周 勇ꎬ赵 康单一厚煤层水力冲孔技术参数确定及效果考
察[Ｊ] 煤炭技术ꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０ＺＨＯＵ ＹｏｎｇꎬＺＨＡＯ ＫａｎｇＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｈｙｄｒｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｖｅ￣ｓｔｅｇａｔｉｏｎ[Ｊ] Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４０(２)１７９－１８０
[１９] 王殿录低透气性煤层水力冲孔增透技术试验研究[ Ｊ] 煤炭
与化工ꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２ＷＡＮＧ ＤｉａｎｌｕＳｔｕｄｙ ｏｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｗａ￣ｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[ Ｊ] Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙꎬ２０１７ꎬ４０(１０)１４９－１５２
[２０] 刘海波ꎬ尚政杰rdquo三软rdquo煤层水力冲孔与压裂耦合致裂增透
技术[Ｊ] 煤矿安全ꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５ＬＩＵ ＨａｉｂｏꎬＳＨＡＮＧ ＺｈｅｎｇｊｉｅＨｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｕｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ￣ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ldquo ｔｈｒｅｅｓｏｆｔrdquo ｃｏａｌ ｓｅａｍ[Ｊ] Ｓａｆｔｙ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓꎬ２０１７ꎬ４８(１１)７１－７５
105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277105127710512771051277(上接第 １６１ 页) ＬＩ ＹａｎｇꎬＹＡＮＧ ＴｉａｎｈｏｎｇꎬＬＩＵ Ｈｏｎｇｌｅｉꎬ ｅｔ ａｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄａrsquoａｎｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ[ Ｊ] Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ３１ (２)２７７－２８３
[１６] 刘永立ꎬ杨 虎煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统研究
[Ｊ] 矿业安全与环保ꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５ＬＩＵ ＹｏｎｇｌｉꎬＹＡＮＧ Ｈｕ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｉｎｅｆｉｒｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｃｕｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ [ Ｊ ] Ｍｉｎｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎬ２０１３ꎬ４０(６)２２－２５
[１７] 曲 斌基于 Ｖｅｇａ 的协同设计虚拟可视化平台构建[Ｄ]济南山东大学ꎬ２００９
[１８] 苏铁明计算机支持的协同设计框架及若干关键技术研究
[Ｄ]大连大连理工大学ꎬ２００３[１９] 孙振明ꎬ李 梅基于虚拟现实和协同工作的煤矿安全培训系
统[Ｊ] 科技导报ꎬ２０１６(９)１０２－１０７ＳＵＮ ＺｈｅｎｍｉｎｇꎬＬＩ ＭｅｉＣｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ [ Ｊ] Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗꎬ２０１６(９)１０２－１０７
[２０] 许爱军多用户协同虚拟现实的技能训练系统[ Ｊ] 计算机系
统与应用ꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０ＸＵ ＡｉｊｕｎＳｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ａｓｓｉｓｔｉｎ ｓｋｉｌｌｓ ｔｒａｉｎｉｎｇ[Ｊ] Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１６ꎬ２５(２)６５－７０
[２１] 周 峰ꎬ王兆其ꎬ刘金刚多人实时协同设计在虚拟家装系统
中的研究与实现[Ｊ] 微计算机信息ꎬ２０１１(１)２７１－２７３ＺＨＯＵ ＦｅｎｇꎬＷＡＮＧ Ｚｈａｏｑｉꎬ ＬＩＵ Ｊｉｎｇａｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｉｍｐｌｅ￣ｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｕｓｅｒ ｒｅａｌ－ ｔｉｍｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｏｕｓｅｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ [ Ｊ] Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬ ２０１１ ( １ )２７１－２７３
[２２] 杨兆春网络游戏数据包的抓取与识别[Ｄ]北京北京交通
大学ꎬ２００７[２３] 袁 磊ꎬ张 浩ꎬ陈 静ꎬ等基于本体化知识模型的知识库构
建模式研究[Ｊ] 计算机工程与应用ꎬ２００６(３０)６５－６８ＹＵＡＮ Ｌｅｉꎬ ＺＨＡＮＧ Ｈａｏꎬ ＣＨＥＮ Ｊｉｎｇꎬ ｅｔ ａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｂａｓｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｍｏｄｅｌ[Ｊ] ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２００６(３０)６５－６８
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