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[摘 要] 虚拟技术是借助于硬件和软件实现的计算机仿真，为实验类课程的教学改革提供了技术支持，还为广大受远程教育的学生提供了更加良好的学习条件。通过虚拟实验，计算机能够模拟一些实际的实验现象。《煤矿安全规程》规定，煤矿电网中性点不允许直接接地，因此煤矿电网具有特殊性。开展矿山模拟低压电网漏电实验可以使工人了解隔离变压器的作用、漏电电流的组成以及影响人身触电电流大小的相关因素等。本设计介绍了矿山电工学虚拟实验的建立过程，即使用3DMAX6.0结合Visual Basic6.0开发出一个电工学中虚拟人身触电的虚拟环境。
[关键词]矿山电工学 虚拟技术
中图分类号：TM791 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0290-01
一、前言
针对当前煤矿员工素质提升和培训学习工作较多，而教学设备缺乏、实验条件有限，考虑到如电工学这样的课程抽象且不易理解，为取得良好的教学效果，必须加强实际操作环节。做这个课题也是想在网络虚拟技术方面有所探索，做一些有益的尝试，如果设计出虚拟实验系统，能够在计算机上模拟真实的实验环境，让员工如身临其境，完成课程实验，既节约了资金，又提高了教学效果，具有重要的现实意义。
根据电工学中模拟人身触电实验的具体情况及现状，对其实验过程进行分析、虚拟和研究。本设计通过3DMAX来创建，虚拟了人身触电的实验场景，以便进一步虚拟该实验的操作过程。因为用3DMAX来创建，比较容易实现。再利用VB这一强大的程序软件来实现对虚拟过程进行的复杂交互功能，并能作出对人身触电电流大小的数据分析。
二、虚拟技术概述
虚拟现实是采用计算机技术为核心的现代技术生成逼真的集视、听、触觉为一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助于必要的设备，以自然方式与虚拟环境中的实体进行交互作用、相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。系统的前台是多媒体或是虚拟化的环境，后台是实时仿真的过程。
虚拟实验室建设应坚持工程化原则，就是要求虚拟实验所建立的虚拟仪器仪表、虚拟设备、虚拟器件和构件等高度逼近真实部件的操作与使用。同时，网上虚拟实验的仿真过程要高度实时，尽量少一些延迟，与用真实实验设备进行实验完全一样，体现实验过程的工程化。其次是交互性原则；还应具有易于维护、安全性与可靠性、以实为本和虚实结合的原则。
三、煤矿电网的特殊性分析
1、触电的危险性
人身接触带电体或绝缘遭到破坏的电气设备外壳时，都有可能造成触电事故，触电后人体组织的破坏作用是很复杂的。
触电对人身的危害是由多种因素所决定的，但通过人体电流的大小和持续时间的长短，是起决定作用的主要因素。对于煤矿井下条件，一般规定30mA作为通过人身的极限安全电流值。
流经人体的电流值的大小，与人体电阻的大小有密切关系。在研究触电对人体的危害时，规定1k作为人体电阻计算值。我国规定30mAs为安全值，即通过人体的最大安全电流值（交流）为30mA。另外，流过人体的电流与人身接触电压的高低也有很大的关系，电压越高，电流越大。
2、预防触电的方法
由于矿井的特殊条件，触电的可能性是很大的，因此必须采取有效的措施加以防范，防止或减小触电对人体的危害。
《煤矿安全规程》规定，矿井高压和低压电网必须装设漏电保护装置。一旦发生人身触电事故，应立即切断电源，确保安全。
（1）井下及向井下供电的变压器中性点禁止直接接地
对于煤矿井下低压电网主要是从人身触电，引爆瓦斯、煤尘等方面考虑其安全性。对于中性点对地绝缘系统，若人身触及一相带电体时，人身流过的电流经其他两相对地绝缘电阻和电网对地分布电容形成回路。
（2）中性点不接地电网中发生单相触电时，电流将从电源相线经人体、其他两相的对地阻抗（由线路的绝缘电阻和对地电容构成）回到电源的中性点，从而形成回路。此时，通过人体的电流与线路的绝缘电阻和对地电容的数值有关。在低压电网中，对地电容很小，通过人体的电流主要取决于线路绝缘电阻。正常情况下，设备的绝缘电阻相当大，通过人体的电流很小，一般不致造成对人体的伤害。但当线路绝缘下降时，单相触电对人体的危害依然存在。而在高压中性点不接地电网中（特别在对地电容较大的电缆线路上），线路对地电容较大，通过人体的电容电流将危及触电者的安全。
（3）利用附加直流电源的保护原理
井下除变压器中性点禁止直接接地外，还必须装设漏电保护装置或漏电监视装置（高压），才能确保安全供电。采用这种电路可以把监视绝缘电阻的线路部分和对井下电网对地电容电流补偿的线路结合在一起，既保证绝缘电阻小于整定值时漏电跳闸，又可大大降低人触电时的电容性电流，因此对人体触电时的安全有较大的好处。
四、 总体设计
通过对煤矿电工学中人身触电的分析，用虚拟技术设计一个虚拟环境。通过实际操作，进一步分析数据并应用于实践。
1、用3DMAX实现人身触电虚拟环境的开发过程：
（1）任务分析
根据矿山电工学实验内容或项目，确定实验电路的搭建。了解每个部件的具体形状尺寸（按比例模仿），相对位置，明确每个部件的运动情况，明确人机交互的内容，外观颜色等事项。
（2）创建环境
根据每个部件在实验系统中的位置，来确定坐标。根据实际实验的器件，按照需要构建实验场景。
（3）创建模型
利用3DMAX构建每个部件的具体模型，做好输出准备。存3DMAX做的部件模型，满足视觉条件，纹理合适。其它条件一般处理就可以。尽量将物体的底部中心放在零点坐标上。这样容易转换，转换后模型的位置也容易修改。
（4）转换模型
将3DMAX中的模型转换成JPEG格式。
（5）建立场景
用VB建立总体的场景和所需要的交互建模，确定每个模型在程序中的具体位置，将从3DMAX转换来的文件调入。
（6）调入纹理
具体物体模型的纹理在3DMAX中处理，其它模型可以从VB软件中导入。
（7）调入声音
将准备好的声音文件导入（实际是将文件名放到程序中）。
（8）美化环境
所有的模型都做好了，可能场景不是很适合观看，还需要对程序的灯光等环境参数进行修改，达到满意为止。
2、实现虚拟实体操纵技术的交互
人机交互一直都是虚拟现实系统研究中的重要内容，本虚拟环境的设计，主要着重于学员在实践中的动手操作能力，具有一定的人机交互功能。在创建好的3D场景图导入到VB（Visual Basic）中，利用VB这一强大的功能应用软件进行后台的程序控制，实现在实验中的基本操作。具有一定的应用性。结合实际电工学实验的步骤和要求，经过VB一般应用程序的编写，得到了实验数据，基本完成了和现实实验相近的操作功能。这对弥补实际中实验室材料、设备缺乏、场地不够宽敞的煤矿培训现状有重要的意义。
五、结论
本设计中虚拟了矿山电工学的实验场景，便利的交互式操作平台，具有一定的交互性、操作性、开放性和沉浸感，并提供了实验数据处理，实验结果对比分析人身触电电流大小的功能，还具有帮助提示的功能。该虚拟实验系统不仅适用于电气类专业和非电气类专业人员学习电工学课程使用，而且也可以给一般工程技术人员提供一定的技术支持和数据参考。
[关键词]矿山电工学 虚拟技术
中图分类号：TM791 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0290-01
一、前言
针对当前煤矿员工素质提升和培训学习工作较多，而教学设备缺乏、实验条件有限，考虑到如电工学这样的课程抽象且不易理解，为取得良好的教学效果，必须加强实际操作环节。做这个课题也是想在网络虚拟技术方面有所探索，做一些有益的尝试，如果设计出虚拟实验系统，能够在计算机上模拟真实的实验环境，让员工如身临其境，完成课程实验，既节约了资金，又提高了教学效果，具有重要的现实意义。
根据电工学中模拟人身触电实验的具体情况及现状，对其实验过程进行分析、虚拟和研究。本设计通过3DMAX来创建，虚拟了人身触电的实验场景，以便进一步虚拟该实验的操作过程。因为用3DMAX来创建，比较容易实现。再利用VB这一强大的程序软件来实现对虚拟过程进行的复杂交互功能，并能作出对人身触电电流大小的数据分析。
二、虚拟技术概述
虚拟现实是采用计算机技术为核心的现代技术生成逼真的集视、听、触觉为一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助于必要的设备，以自然方式与虚拟环境中的实体进行交互作用、相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。系统的前台是多媒体或是虚拟化的环境，后台是实时仿真的过程。
虚拟实验室建设应坚持工程化原则，就是要求虚拟实验所建立的虚拟仪器仪表、虚拟设备、虚拟器件和构件等高度逼近真实部件的操作与使用。同时，网上虚拟实验的仿真过程要高度实时，尽量少一些延迟，与用真实实验设备进行实验完全一样，体现实验过程的工程化。其次是交互性原则；还应具有易于维护、安全性与可靠性、以实为本和虚实结合的原则。
三、煤矿电网的特殊性分析
1、触电的危险性
人身接触带电体或绝缘遭到破坏的电气设备外壳时，都有可能造成触电事故，触电后人体组织的破坏作用是很复杂的。
触电对人身的危害是由多种因素所决定的，但通过人体电流的大小和持续时间的长短，是起决定作用的主要因素。对于煤矿井下条件，一般规定30mA作为通过人身的极限安全电流值。
流经人体的电流值的大小，与人体电阻的大小有密切关系。在研究触电对人体的危害时，规定1k作为人体电阻计算值。我国规定30mAs为安全值，即通过人体的最大安全电流值（交流）为30mA。另外，流过人体的电流与人身接触电压的高低也有很大的关系，电压越高，电流越大。
2、预防触电的方法
由于矿井的特殊条件，触电的可能性是很大的，因此必须采取有效的措施加以防范，防止或减小触电对人体的危害。
《煤矿安全规程》规定，矿井高压和低压电网必须装设漏电保护装置。一旦发生人身触电事故，应立即切断电源，确保安全。
（1）井下及向井下供电的变压器中性点禁止直接接地
对于煤矿井下低压电网主要是从人身触电，引爆瓦斯、煤尘等方面考虑其安全性。对于中性点对地绝缘系统，若人身触及一相带电体时，人身流过的电流经其他两相对地绝缘电阻和电网对地分布电容形成回路。
（2）中性点不接地电网中发生单相触电时，电流将从电源相线经人体、其他两相的对地阻抗（由线路的绝缘电阻和对地电容构成）回到电源的中性点，从而形成回路。此时，通过人体的电流与线路的绝缘电阻和对地电容的数值有关。在低压电网中，对地电容很小，通过人体的电流主要取决于线路绝缘电阻。正常情况下，设备的绝缘电阻相当大，通过人体的电流很小，一般不致造成对人体的伤害。但当线路绝缘下降时，单相触电对人体的危害依然存在。而在高压中性点不接地电网中（特别在对地电容较大的电缆线路上），线路对地电容较大，通过人体的电容电流将危及触电者的安全。
（3）利用附加直流电源的保护原理
井下除变压器中性点禁止直接接地外，还必须装设漏电保护装置或漏电监视装置（高压），才能确保安全供电。采用这种电路可以把监视绝缘电阻的线路部分和对井下电网对地电容电流补偿的线路结合在一起，既保证绝缘电阻小于整定值时漏电跳闸，又可大大降低人触电时的电容性电流，因此对人体触电时的安全有较大的好处。
四、 总体设计
通过对煤矿电工学中人身触电的分析，用虚拟技术设计一个虚拟环境。通过实际操作，进一步分析数据并应用于实践。
1、用3DMAX实现人身触电虚拟环境的开发过程：
（1）任务分析
根据矿山电工学实验内容或项目，确定实验电路的搭建。了解每个部件的具体形状尺寸（按比例模仿），相对位置，明确每个部件的运动情况，明确人机交互的内容，外观颜色等事项。
（2）创建环境
根据每个部件在实验系统中的位置，来确定坐标。根据实际实验的器件，按照需要构建实验场景。
（3）创建模型
利用3DMAX构建每个部件的具体模型，做好输出准备。存3DMAX做的部件模型，满足视觉条件，纹理合适。其它条件一般处理就可以。尽量将物体的底部中心放在零点坐标上。这样容易转换，转换后模型的位置也容易修改。
（4）转换模型
将3DMAX中的模型转换成JPEG格式。
（5）建立场景
用VB建立总体的场景和所需要的交互建模，确定每个模型在程序中的具体位置，将从3DMAX转换来的文件调入。
（6）调入纹理
具体物体模型的纹理在3DMAX中处理，其它模型可以从VB软件中导入。
（7）调入声音
将准备好的声音文件导入（实际是将文件名放到程序中）。
（8）美化环境
所有的模型都做好了，可能场景不是很适合观看，还需要对程序的灯光等环境参数进行修改，达到满意为止。
2、实现虚拟实体操纵技术的交互
人机交互一直都是虚拟现实系统研究中的重要内容，本虚拟环境的设计，主要着重于学员在实践中的动手操作能力，具有一定的人机交互功能。在创建好的3D场景图导入到VB（Visual Basic）中，利用VB这一强大的功能应用软件进行后台的程序控制，实现在实验中的基本操作。具有一定的应用性。结合实际电工学实验的步骤和要求，经过VB一般应用程序的编写，得到了实验数据，基本完成了和现实实验相近的操作功能。这对弥补实际中实验室材料、设备缺乏、场地不够宽敞的煤矿培训现状有重要的意义。
五、结论
本设计中虚拟了矿山电工学的实验场景，便利的交互式操作平台，具有一定的交互性、操作性、开放性和沉浸感，并提供了实验数据处理，实验结果对比分析人身触电电流大小的功能，还具有帮助提示的功能。该虚拟实验系统不仅适用于电气类专业和非电气类专业人员学习电工学课程使用，而且也可以给一般工程技术人员提供一定的技术支持和数据参考。