虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山火災(zāi)中的應(yīng)用

李潔瓊 路守克 薛玉芳 孫云霞

（1、3、4、安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2、炮兵學(xué)院計(jì)算中心，安徽 合肥230031）

金屬礦井在開采過(guò)程中，由于礦脈、水層、巖石等均埋在地下，通過(guò)鉆孔獲得地下巖層相關(guān)數(shù)據(jù)后，可在水平面繪制地質(zhì)剖面圖礦山設(shè)計(jì)和開采時(shí)，基于不同水平剖面圖的綜合來(lái)想象地下礦體和巖體的資源賦存結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定采用何種采礦方法，在何處進(jìn)行開采。由于無(wú)法看到直觀的立體內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，想象出來(lái)的模型與真實(shí)的三維世界存在誤差，因此設(shè)計(jì)的開采方案不盡合理，甚至存在偏差。虛擬現(xiàn)實(shí)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、圖形圖像、多媒體、模擬仿真相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)創(chuàng)建立體場(chǎng)景來(lái)表現(xiàn)真實(shí)的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)的建立需要一定的硬件和軟件環(huán)境，應(yīng)以具體的礦山實(shí)際為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)的硬件構(gòu)造特點(diǎn)，考慮現(xiàn)場(chǎng)條件選用合適的方法工具來(lái)建立三維模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的專業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建地下礦山的立體場(chǎng)景。通過(guò)立體眼鏡和顯示設(shè)備來(lái)觀察真實(shí)的立體效果。避免立體想象的偏差。對(duì)人們?cè)诘V井通風(fēng)、生產(chǎn)安全、采礦調(diào)度、地質(zhì)勘探等方面的研究和決策有重要的指導(dǎo)意義。

應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

煤礦生產(chǎn)具有人員多、作業(yè)分散、設(shè)備設(shè)施多、分布面廣、自然條件惡劣、不安全因素多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，自然災(zāi)害和生產(chǎn)事故的危險(xiǎn)因素始終影響和制約著煤礦的安全生產(chǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在煤礦安全領(lǐng)域有了一定 應(yīng)用研究，且前景十分廣闊。VR技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：煤礦及其生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃、采掘工作面的虛擬、礦井災(zāi)害模擬等。盡管限于當(dāng)前軟、硬件技術(shù)水平，VR系統(tǒng)目前還只能達(dá)到部分真實(shí)感的程度，但其前景可觀，已成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)科技之一。VR技術(shù)在我國(guó)煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，隨著這種技術(shù)研究工作的不斷深入，VR技術(shù)必將成為煤礦安全中科學(xué)可視化、員工培訓(xùn)、救災(zāi)決策等方面的重要手段，并且在礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等方面一定會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

主要內(nèi)容：

以Maya和3Ds max作為煤礦生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)軟件，用Visual C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，虛擬建模語(yǔ)言VRML,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等知識(shí)編制虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，主要模擬采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)輸巷皮帶跑偏與機(jī)架摩擦引起火災(zāi)時(shí)，先是自動(dòng)噴淋系統(tǒng)噴水滅火：如果火災(zāi)蔓延，就模擬火災(zāi)的蔓延過(guò)程；工程人員關(guān)閉風(fēng)門的過(guò)程；礦井撤退的過(guò)程；人員巷道中行走時(shí)，煙流對(duì)人員造成的影響等。以及救護(hù)人員采用水龍頭噴水滅火時(shí)，如果在上風(fēng)側(cè)滅火，發(fā)生的煙流滾退現(xiàn)象等。

1 煤礦火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)開發(fā)工具軟件簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可用于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的軟件業(yè)迅速增多，比如Light Wave 3D,Maya,3DMAX,VRP等，它們功能強(qiáng)大，但一個(gè)完善系統(tǒng)開發(fā)僅靠某一個(gè)軟件往往是不夠的，這里我選擇了Maya和3Ds max作為煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)軟件。下面針對(duì)這兩款軟件分別作簡(jiǎn)單的介紹。

1.1 Maya簡(jiǎn)介

Maya是美國(guó)Autodesk公司出品的世界頂級(jí)的三維動(dòng)畫軟件．應(yīng)用對(duì)象是專業(yè)的影視廣告，角色動(dòng)畫，電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學(xué)易用，制作效率極高，渲染真實(shí)感極強(qiáng)，是電影級(jí)別的高端鍘作軟件。Maya集成了Alias／Wave front最先進(jìn)的動(dòng)畫及數(shù)字效果技術(shù)。它不僅包括一般三維和視覺(jué)效果制作的功能，而且還與最先進(jìn)的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)相結(jié)合。Maya可在Windows NT與SGI IRIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

3D Studio Max，常簡(jiǎn)稱為3ds Max或MAX，是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3D Studio系列軟件，最新版本是2011。在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域。擁有強(qiáng)大功能的3DSMAX被廣泛地應(yīng)用于電視及娛樂(lè)業(yè)中，比如片頭動(dòng)畫和視頻游戲的制作。

2 煤礦火災(zāi)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)模擬過(guò)程

2.1 收集整理資料

煤礦火災(zāi)場(chǎng)景非常復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，為了真實(shí)體現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)并且突出重點(diǎn)，必須在模擬的過(guò)程中，根據(jù)需要進(jìn)行必要的資料收集．資料主要包括圖片、數(shù)據(jù)、視頻、書籍等。只有在對(duì)資料進(jìn)行認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上才能使仿真場(chǎng)景和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)相接近，同時(shí)積極的現(xiàn)場(chǎng)觀察也是非常必要的。

2.2 系統(tǒng)場(chǎng)景模型的建立

場(chǎng)景模型是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最直觀的部分。場(chǎng)景模型的好壞直接關(guān)系到軟件運(yùn)行的快慢和逼真度。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算場(chǎng)景中的所有多邊形數(shù)據(jù)，因此在模型建立的過(guò)程中，應(yīng)該在保證場(chǎng)景不失真的前提下力求線條的簡(jiǎn)約化，在建模的過(guò)程中還要注意詳略得當(dāng)，對(duì)于需要特別突出的模型，就要建得詳細(xì)些，可以適當(dāng)多使用一些面片，而對(duì)于不重要甚至不需要體現(xiàn)的模型或者模型的某些部分，面片數(shù)就要簡(jiǎn)化甚至省略。這樣就能有效地利用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。此外，礦山火災(zāi)系統(tǒng)是一個(gè)非常大的場(chǎng)景，因此在建模的過(guò)程中作者采用先分別建模最后集中導(dǎo)入的方式。在建模的過(guò)程中還要嚴(yán)格控制模型比例使其符合真實(shí)情況。模型及場(chǎng)景建立完成以后，給模型的表面加上各種材質(zhì)并進(jìn)行紋理貼圖。由于Maya和Photoshop能很好結(jié)合，因此，在貼圖的過(guò)程中要借助Photoshop對(duì)所需要的圖片進(jìn)行必要的加工和制作。接著要把初步建成的模型導(dǎo)入到3Ds Max中進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)不正確和不美觀的部分再進(jìn)行不斷地修改。最終利用3Ds Max Export Pidgins插件導(dǎo)出文件。

2.3 系統(tǒng)場(chǎng)景整合

將從Maya中導(dǎo)出的(*．nmo)文件用3Ds Max打開，為它們加上各種控制和燈光。在3Ds Max中，場(chǎng)景三維模型的控制是依靠3Ds Max內(nèi)置行為模塊實(shí)現(xiàn)的。3Ds Max有600多個(gè)行為模塊可供使用，能夠?qū)?chǎng)景模型進(jìn)行各種基本操作，如：大小變化，平移，旋轉(zhuǎn)，縮放，顏色變化，光線變化，三維貼圖等，復(fù)制操作如投影．行走，奔跑。后退等。實(shí)現(xiàn)對(duì)三維編輯區(qū)中的模型進(jìn)行控制，一種方法就是直接調(diào)用行為模塊庫(kù)中的內(nèi)置Building Blocks，一種是使visual c#進(jìn)行手工編寫B(tài)uilding Blocks。前者簡(jiǎn)單方便，后者比較靈活。點(diǎn)擊Data Resource(數(shù)據(jù)資源庫(kù))，選擇Animations(行為動(dòng)作)類中的行為，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所要的動(dòng)作行為并拖到3DLay—out(一維世界編輯區(qū))中的角色身上．并在Schematic(腳本流程圖)中運(yùn)用行為交互模塊庫(kù)中的行為模塊編輯角色相應(yīng)的腳本，這樣就形成了3D交互動(dòng)畫。經(jīng)過(guò)以上過(guò)程的設(shè)置后，便可以將諸如采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)輸巷皮帶跑偏與機(jī)架摩擦引起火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)噴淋系統(tǒng)噴水滅火，工程人員關(guān)閉風(fēng)門的過(guò)程；礦井撤退的過(guò)程；人員巷道中行走時(shí)，煙流對(duì)人員造成的影響等過(guò)程逼真地展現(xiàn)出來(lái)。為了更好地實(shí)現(xiàn)漫游效果，本文在系統(tǒng)中增添了一個(gè)虛擬人物角色．并將攝像機(jī)以第三人稱跟方式進(jìn)行設(shè)置，這樣就可以讓操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。

結(jié)語(yǔ)。建模技術(shù)可以減少礦山救護(hù)時(shí)的實(shí)際訓(xùn)練費(fèi)用，并大大減少訓(xùn)練時(shí)的危險(xiǎn)性，而且還可以不受時(shí)間、地點(diǎn)、天氣的影響，任意設(shè)置實(shí)際災(zāi)害中可能出現(xiàn)的一些特殊情況。它也可以提高煤礦安全及生產(chǎn)管理人員的安全意識(shí)，提高管理水平，預(yù)防重大災(zāi)害的發(fā)生，提高礦井救災(zāi)人員處理災(zāi)害的決策應(yīng)變水平，并把礦井災(zāi)害的傷亡和損失降到最低。同時(shí)可以協(xié)助調(diào)查事故原因。另外，通過(guò)軟件演示可以實(shí)現(xiàn)礦井安全救災(zāi)防災(zāi)的實(shí)際培訓(xùn)。

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