基于三維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

姚遠耀

摘要：文章以煤礦安全計算機虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為研究對象，分析了三維技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模式在煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)合三維技術(shù)和虛擬現(xiàn)實演示流程開發(fā)了三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)平臺。該系統(tǒng)在開灤唐山礦的實際應(yīng)用表明，現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和三維技術(shù)手段相結(jié)合的安全演示模式，能夠有效提高員工安全意識，將煤礦事故率降為最低。

關(guān)鍵詞：三維技術(shù)；煤礦安全；虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP37 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0036-02

Abstract： Based on the coal mine virtual reality system as the research object， analyzes the basis of computer network technology， the computer network model in the application of coal mine safety of virtual reality system， combined with computer technology and virtual reality demonstration process developed computer network platform. The system applied in Tangshan coal mine in Kailuan， modern network technology and computer means a combination of security demo mode， can effectively raise the awareness of staff safety， coal mine accident rate will be reduced to a minimum.

Key words： 3d technology； coal mine safety； virtual reality

煤礦安全事故是長久以來一直困擾煤礦生產(chǎn)的困難開題，而違章、違規(guī)操作是導(dǎo)致煤礦安全事故的重要因素之一。因此，煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)科提高管理人員安全意識、提高生產(chǎn)礦工安全行為能動性。隨著三維技術(shù)信息技術(shù)的發(fā)展，煤礦安全虛擬現(xiàn)實手段也得到了莫大的改變。三維技術(shù)是聲音、圖像、圖形以及文字等媒體在三維技術(shù)程序集成下，以人機交互、數(shù)據(jù)處理為一體的新型信息技術(shù)。煤礦安全虛擬現(xiàn)實中三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模式的實現(xiàn)，能夠大大提高煤礦安全效率、降低安全成本，從而改變了傳統(tǒng)的煤礦安全信息技術(shù)不發(fā)達的局面。本文利用三維技術(shù)開發(fā)了煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，以《煤礦安全規(guī)程》為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了大量事故案例、操作規(guī)程以一身的虛擬演示。

1 煤礦安全三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析

在煤礦安全三維技術(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中存在著非格式化數(shù)據(jù)和格式化數(shù)據(jù)，媒體數(shù)據(jù)具有時序性、分散性以及復(fù)合性等特點。一段音頻、一幅三維技術(shù)圖像包含一定意義的同時還是構(gòu)成三維技術(shù)數(shù)據(jù)的二進制數(shù)據(jù)，且視頻含義要高于數(shù)值和符號。文獻中關(guān)于煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點歸納為：

1）時序性，數(shù)據(jù)的時序性直接關(guān)系到信息實體之間的聯(lián)系，因此，在處理數(shù)據(jù)或顯示數(shù)據(jù)時要注意數(shù)據(jù)的時序性，同時要保證信息單元之間的同步性。

2）分散性，不同的設(shè)備和三維技術(shù)分散存儲著相關(guān)數(shù)據(jù)，同時異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理和存儲也在相關(guān)設(shè)備中進行，因此，三維技術(shù)源數(shù)據(jù)的存儲方式和介質(zhì)具有多樣性和分散性。

3）復(fù)雜性，煤礦安全生產(chǎn)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，與之相關(guān)的三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)也具有多樣性和復(fù)雜性，如動畫、視頻、圖像、圖形、音頻以及文本等數(shù)據(jù)，在這些復(fù)雜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，三維技術(shù)系統(tǒng)還會將某些單元信息通過組合形式展現(xiàn)出來，形成了復(fù)雜對象。

2 煤礦虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

在煤礦員工實際安全操作流程的基礎(chǔ)上建立三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實體系及系統(tǒng)，以煤礦井下實際生產(chǎn)現(xiàn)場描述為開端，逐漸將流程引入到典型事故案例和煤礦安全生產(chǎn)規(guī)章、規(guī)程上；結(jié)合三維技術(shù)虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)方式實現(xiàn)人性化界面設(shè)計，煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以井下實際生產(chǎn)場景為背景，視覺效果好、界面友好，從一定程度上降低了三維技術(shù)使用者對三維技術(shù)水平的要求；利用先進的GPI和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)現(xiàn)有媒體數(shù)據(jù)和三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無縫連接，處理現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，輕松采集現(xiàn)場畫面，實現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的一體化管理。如圖1所示。

2.2 三維技術(shù)系統(tǒng)硬件配置

煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的三維技術(shù)由工作站或三維技術(shù)構(gòu)成；數(shù)據(jù)輸入設(shè)備包括：數(shù)碼相機、視頻捕捉設(shè)備、音頻捕捉設(shè)備、數(shù)字化掃描儀、三維技術(shù)鍵盤；數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括：激光打印機、繪圖儀、投影儀、數(shù)碼攝影、掃描儀、觸摸屏以及三維技術(shù)顯示器；存儲介質(zhì)及設(shè)備包括：光盤、硬盤等。如圖2所示。

3 媒體類型、運行環(huán)境及實例

3.1 媒體類型及運行環(huán)境

煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)量大、類型繁多，編輯方式和數(shù)據(jù)獲取手段各不相同，影響三維技術(shù)系統(tǒng)質(zhì)量的兩個重要因素為源數(shù)據(jù)品質(zhì)和質(zhì)量。如表1所示。

1）文本，文本是占用系統(tǒng)資源小、包含信息量大是三維技術(shù)系統(tǒng)中常用的信息載體。三維技術(shù)系統(tǒng)中文本的獲取方式為文字識別、掃描儀掃描、聲音時識別輸入、手寫收入以及鍵盤輸入等。

2）數(shù)字音頻，三維技術(shù)數(shù)字音頻的采集和獲取方式為模擬轉(zhuǎn)換器（A/D），通過Windows系統(tǒng)下的專業(yè)音頻采集軟件或錄音機可實現(xiàn)聲音的數(shù)字化采集。其中，影響數(shù)字音頻采集質(zhì)量的兩個最主要參數(shù)為采樣頻度和精度。在WAVEEDIT軟件中對采集的音頻數(shù)據(jù)進行處理，編輯出適合三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶需求的特效聲音和常規(guī)音效。

3）圖形圖像，三維技術(shù)系統(tǒng)中表現(xiàn)圖形圖像的方法有：符號、曲線、矢量、位圖等，通過鼠標(biāo)輸入、數(shù)字化掃描儀輸入以及數(shù)碼相機等手段實現(xiàn)圖形圖像的輸入。三維技術(shù)系統(tǒng)需要的圖像大多要在三維技術(shù)處理完成后才使用，常用的圖像處理手段包括：圖像提升、圖像轉(zhuǎn)換、圖像加工以及圖像采集等。通過三維技術(shù)圖像、圖形處理軟件可將圖像處理成用戶需要的類型。本文采用PHOTOSHOP CS4.0作為圖像處理平臺，可實現(xiàn)圖像的調(diào)色、扭曲、上光、旋轉(zhuǎn)、縮小或放大等處理。

4）數(shù)字視頻，煤礦安全虛擬現(xiàn)實平臺的視頻媒體表現(xiàn)方式為兩種，一是動畫，二是視頻。其中，動畫可視為活動的圖形，視頻即活動的圖像。采集和量化是常規(guī)三維技術(shù)視頻信號的采集過程。煤礦安全三維技術(shù)視頻的采集可利用現(xiàn)場安設(shè)視頻捕捉設(shè)備來完成。安裝在三維技術(shù)硬件系統(tǒng)中的視頻采集卡可提供攝像機和錄像機的視頻采集接口，實現(xiàn)采集信號的模擬到數(shù)字化轉(zhuǎn)換。一般的三維技術(shù)視頻處理大多采用ADOBE公司的PRE CS4.0L來完成，如果做特殊的效果（如火焰、煙霧等）則一般采用AFTER EFFECT和3D MAX相結(jié)合的方法完成。視頻編輯軟件可對視頻進行切換、剪輯、增強、調(diào)色或疊加等處理。它支持15個以上的音頻軌道和視頻軌道，每個通道之間有上百種視頻效果和切換模式。同時，視頻編輯軟件中還能按照用戶需求加入靜態(tài)圖片或動畫效果等元素，能夠制作出非常好的展示效果。

3.2 煤礦安全虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用實例

唐山礦是開灤集團的老礦井，生產(chǎn)條件苛刻，開采地質(zhì)復(fù)雜，由于環(huán)境的特殊性和員工的安全意識導(dǎo)致了事故頻發(fā)。該礦為了加強生產(chǎn)安全，使員工更加深刻的理解井下事故及操作違章帶來的隱患，采用了三維技術(shù)網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)作為平臺，實現(xiàn)了音頻、動畫、視頻和煤礦安全知識多方面結(jié)合的效果，如圖3所示。

通過三維技術(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的引入，該礦改變了原有的安全知識授予方式，使入井人員通過生動的畫面、真實的場景等形象加深了安全意識。三維視頻圖像在系統(tǒng)中能夠加深礦工的第一印象，非常直觀地反映出井下工作面狀況和生產(chǎn)系統(tǒng)情況。該平臺的實施大大提高了該礦安全生產(chǎn)效率，降低了安全成本，增加了員工對安全的認識度，有效降低了違章、違規(guī)操作概率。

4 結(jié)論

煤礦安全虛擬現(xiàn)實是煤礦企業(yè)安全管理中的重點課題，是系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵分支，綜合三維技術(shù)技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息手段能夠徹底的改變煤礦傳統(tǒng)的枯燥說教模式，提高了管理人員、生產(chǎn)人員的管理水平和安全意識，有效降低了安全成本的事故率。

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