基于虛擬仿真技術(shù)的煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)

潘志君，孟傳飛，王 穎

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

基于虛擬仿真技術(shù)的煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)

潘志君，孟傳飛，王 穎

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

以提高煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)，增強礦工的安全技能以及增加礦井效益為目的，本文論述了基于虛擬仿真技術(shù)的煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。用Adobe Photoshop軟件進行圖標設(shè)計，3Dsmax軟件進行場景建模、貼圖，Unity3d軟件進行合成、導(dǎo)出等工具開發(fā)人機互動的煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)。通過圖像、聲音、文字、三維漫游等形式真實模擬礦井地上地下環(huán)境，實現(xiàn)多人在線互動。本系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，具有真實性、安全性、互動性、實效等特點，是一種高效可靠的煤礦實習(xí)培訓(xùn)方式。

虛擬仿真；實習(xí)培訓(xùn)；沉浸式體驗；煤礦安全

0 引 言

隨著國家對煤礦生產(chǎn)的安全問題越來越重視，安全成為煤礦生產(chǎn)的首要工作。我國自然地質(zhì)條件復(fù)雜多變，煤礦事故經(jīng)常發(fā)生，給國家資源和財產(chǎn)造成巨大的損失。通過有關(guān)資料分析，煤礦地質(zhì)條件的不安全狀態(tài)和工人的不安全行為是導(dǎo)致事故的直接原因。井下工人的安全意識不高，不良安全習(xí)慣是導(dǎo)致事故的共性原因[1]。然而面對如此形勢，我國煤礦行業(yè)的安全培訓(xùn)模式相對落后。在開設(shè)采礦工程專業(yè)的高等院校，實驗手段落后，學(xué)生參與程度低，教學(xué)效果差。煤礦開采是一個高危險、高成本、高能耗行業(yè)，幾乎不可能在實驗室開展真實生產(chǎn)過程的實驗項目[2]。為此，實習(xí)系統(tǒng)借助于虛擬現(xiàn)實、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)發(fā)展起來的虛擬仿真技術(shù)，為學(xué)生專業(yè)技能和實習(xí)培訓(xùn)搭建高度仿真的實習(xí)環(huán)境[3]，讓學(xué)生獲得更好的煤礦實習(xí)效果。

1 煤礦虛擬仿真實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)技術(shù)分析

計算機技術(shù)的快速發(fā)展，衍生了虛擬仿真技術(shù)，且該技術(shù)逐漸應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)變現(xiàn)出來的沉浸感，使其更具有直觀性，震撼性。煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)利用虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)多人同時在線人機互動的功能，讓學(xué)習(xí)者近于親身體驗虛擬的煤礦環(huán)境和學(xué)習(xí)了解井下安全生產(chǎn)知識，從而達到良好的安全實習(xí)培訓(xùn)效果。煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)主要利用Adobe Photoshop軟件進行軟件圖標設(shè)計，3Dsmax軟件進行場景建模、貼圖，Unity3d軟件進行合成、導(dǎo)出，實現(xiàn)人機互動。本實習(xí)系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)主要有3點：①井下煤礦虛擬環(huán)境構(gòu)建的真實感；②井下生產(chǎn)工作的運動感；③多人同時在線的互動感。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)原理

煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)軟件導(dǎo)出后，需要把登錄服務(wù)端軟件與軟件分別安裝到主控制電腦和普通操作電腦，且登錄服務(wù)端軟件綁定了主控制電腦IP，每次上機時要先在主控制電腦上打開軟件，這樣下面被控制的電腦啟動軟件后才能登錄。學(xué)員登錄進入軟件后通過鼠標鍵盤來控制。

1.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括井田地質(zhì)概況、礦井巷道布置、煤礦實習(xí)參觀、礦井知識考核、礦用機械演示五大模塊。井田地質(zhì)概況模塊主要表示煤層地質(zhì)條件，可具體觀看煤層、地層的3D效果，讓學(xué)習(xí)者對復(fù)雜抽象的井下地質(zhì)條件一目了然。礦井巷道布置模塊是井下巷道布置的3D立體展示，并且能動態(tài)表示出煤礦通風、運料、提升三大系統(tǒng)。煤礦實習(xí)參觀模塊是多人同時在線互動學(xué)習(xí)，該模塊是老師或者帶隊人員選擇人員角色后，帶著實習(xí)培訓(xùn)人員到煤礦地面或者井下進行實習(xí)參觀和安全培訓(xùn)。礦井知識考核模塊是對實習(xí)培訓(xùn)人員進行煤礦安全知識考核，包括煤礦專業(yè)知識、應(yīng)急救援知識、安全操控設(shè)備知識等內(nèi)容，實習(xí)培訓(xùn)者可選擇自由答題與考試模式的方式回答題目。礦用機械演示模塊展示礦山機械設(shè)備，該功能模塊包括了采掘機械類、運輸機械類、提升機械類、流體機械類4種類型設(shè)備的3D仿真模型，實習(xí)培訓(xùn)人員可通過操控鼠標來具體了解每個機械的零件構(gòu)造和工作原理。

1.3服務(wù)端搭建

煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)為了管理多人同時在線并且記錄每個登錄賬號信息，需搭建一個服務(wù)端，該服務(wù)端運用C語言開發(fā)，然后綁定服務(wù)器電腦主機IP，最后通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接與煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)軟件對接。

1.4虛擬場景建模

1.4.1 工業(yè)廣場建模

根據(jù)谷歌地圖確定所選地區(qū)的地形地貌高程和影像數(shù)據(jù)，通過world machine軟件生成真實三維地形。有了地形之后可進行工業(yè)廣場的建筑物建模，主要基建(主副井、絞車提升機房、通風機房、壓風機房)必須根據(jù)真實建筑比例來統(tǒng)一建模，然后根據(jù)工業(yè)廣場實際布置設(shè)計圖來布置地面建筑。

1.4.2 井下巷道建模

井下巷道環(huán)境屬于有尺度的空間，所以應(yīng)依據(jù)尺寸參數(shù)來構(gòu)建巷道的三維模型[4]。為了讓模型逼真，需要對煤礦巷道的數(shù)據(jù)采集和實景拍攝來進行紋理貼圖。巷道建模主要通過樣條線放樣形式，最后把所有巷道硐室轉(zhuǎn)為可編輯多邊形后附加和點焊接，在對巷道進行UVW展開貼圖。

1.4.3 機械設(shè)備建模

煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)的機械設(shè)備建模主要采用多邊形建模技術(shù)。簡單的小型設(shè)備模型構(gòu)建低模，通過PS軟件處理貼圖后進行程序紋理貼圖。復(fù)雜的大型設(shè)備如綜采機、液壓支架、刮板、皮帶輸送機、提升機等，為達到對其高度仿真的效果，首先需要收集相關(guān)設(shè)備的技術(shù)資料(圖片、外形尺寸、機構(gòu)運動參數(shù)等)，構(gòu)建大型設(shè)備模型采用先精模后簡模[5]的設(shè)計方法。井下工作面有百臺液壓支架，加上刮板輸送機、采煤機機、轉(zhuǎn)載機等復(fù)雜多面的設(shè)備模型，都是高精度模型必造成場景的數(shù)據(jù)量膨脹，導(dǎo)致3Dsmax軟件崩潰。在制作上對于大場景，模型設(shè)計基本采用高精度模型烘焙貼圖低模的方法來解決此類問題，因為高精度模型的紋理貼圖逼真，所以烘焙出來的低模一樣具備逼真的外觀，達到很好的仿真效果。機械設(shè)備模型制作完成以后，需要把這些設(shè)備各自放置到具體的位置，如采煤機、液壓支架、刮板輸送機進行配套之后放置到工作面，并且要對在煤礦生產(chǎn)工作狀態(tài)下能運動的設(shè)備進行k動畫，這樣才能提高仿真質(zhì)量。

1.5人物仿真

煤礦實習(xí)培訓(xùn)參觀主體是人，在學(xué)習(xí)者選擇角色進入該模塊時候，場景中就會出現(xiàn)此角色的人物模型，通過鍵盤設(shè)置的按鍵來控制人物的運動。為了達到很好的虛擬仿真效果，人物模型和動作制作必須逼真。對人體的運動結(jié)構(gòu)的分析，基于人體骨架模型，進行基于非均勻有理B樣條曲面的外形建模，并結(jié)合構(gòu)造實體幾何法(CSG)創(chuàng)建整個人體幾何模型[6]。人體骨骼則采用正反向運動學(xué)技術(shù)來進行運動模擬分析，然后人物模型對骨骼進行蒙皮技術(shù)處理，這樣控制骨骼就控制了人體。人物模型制作好之后，對人體行走、跑步、蹲下、跳步動作做幀動畫，最后調(diào)整人的面部表情、手指細微動作、身上配件等，最后導(dǎo)出有動作的FBX格式文件。

1.6軟件系統(tǒng)合成

所有場景構(gòu)建完成之后，都導(dǎo)出FBX格式文件，最后將這些FBX格式文件導(dǎo)入Unity3d軟件中編輯與合成。在Unity3d軟件中，為了能觀察每個人物角色，需要在人物后方增加一個攝影機，并通過編寫代碼來控制攝影機的移動，為了讓導(dǎo)出的軟件在電腦上流暢運行，還必須編寫優(yōu)化代碼，及攝影機不能看到的場景自動進行隱藏，當攝影機移動時，在它所控制的范圍內(nèi)的場景立刻顯示。場景燈光也是同樣原理。工作面的煤快下落狀態(tài)需要在Unity3d軟件通過粒子系統(tǒng)完成，而且賦予粒子一定顯示時間，而且只需一個循環(huán)作業(yè)就能保證持續(xù)的工作動態(tài)。這些工作完成之后，需要對場景的物體進行剛體碰撞檢測和粒子系統(tǒng)的動力學(xué)檢測，確保場景沒有出現(xiàn)穿透和粒子不真實的狀況。剛體碰撞檢測和粒子系統(tǒng)的動力學(xué)檢測是虛擬仿真實現(xiàn)互動的關(guān)鍵技術(shù)，解決好此技術(shù)問題才能提高虛擬仿真的質(zhì)量。最后增加文字說明以及音效后導(dǎo)出軟件。

2 軟件系統(tǒng)應(yīng)用

煤礦實習(xí)培訓(xùn)軟件主要包括井田地質(zhì)概況、礦井巷道布置、煤礦實習(xí)參觀、礦井知識考核、礦用機械演示五大模塊，實習(xí)培訓(xùn)者可根據(jù)自身情況選擇相關(guān)的模塊學(xué)習(xí)，對于初學(xué)者建議逐個模塊認真學(xué)習(xí)，這樣才能達到安全實習(xí)培訓(xùn)效果。在煤礦實習(xí)參觀模塊中，實習(xí)培訓(xùn)者選擇角色進入虛擬場景中時，老師或者帶隊人可一邊帶實習(xí)培訓(xùn)者進行參觀地面工業(yè)廣場一邊講解培訓(xùn)，也可通過地圖和語音講解自行來參觀，最后找到副井提升入口后進入罐籠到井下參觀。到達井下后，可在井下行走模式慢慢參觀，也可一鍵進入各個場景，如采煤工作面、掘進工作面等。

3 結(jié) 語

煤礦實習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)通過三維沉浸式和人機交互方式進入虛擬場景，配以導(dǎo)航和解說等，使培訓(xùn)者可以自主學(xué)習(xí)了解礦井作業(yè)環(huán)境，增強了培訓(xùn)者的實習(xí)培訓(xùn)效果。在煤礦企業(yè)進行實踐教學(xué)難度大，實踐培訓(xùn)成本高，煤礦生產(chǎn)條件復(fù)雜、事故隱患多、安全風險大的傳統(tǒng)方式下，通過仿真系統(tǒng)來完成實習(xí)與安全培訓(xùn)，成為未來的一個發(fā)展趨勢，集約、節(jié)能、直觀、高效的系統(tǒng)培訓(xùn)方式更符合未來的可持續(xù)發(fā)展的要求。

[1] 張齊堯.煤礦安全管理學(xué)[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1994.

[2] 熊祖強，歐陽凱，韓亞峰.煤礦開采虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)研究[J].中州煤炭，2015(3)：80-82.

[3] 韓磊，楊科.采礦工程三維可視化虛擬實驗室建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28(6)：211-213.

[4] 韓可琦，萇道方.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在綜采工作面仿真中的應(yīng)用[J].計算機仿真，2006，23(6)：229-232.

[5] 高紅森，栗繼祖.基于3D和Virtools的煤礦安全行為模擬[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2010，41(1)：106-109.

[6] 洪炳，蔡則蘇，唐好選.虛擬現(xiàn)實及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

Coalminetrainingsystembasedonvirtualsimulationtechnology

PAN Zhijun，MENG Chuanfei，WANG Ying

(China University of Geosciences (Beijing)，Beijing100083，China)

In order to improve the safety factor of coal mine production，enhance the safety skills of miners and increase the efficiency of mine，the paper discusses the importance of coal mine practice training system based on virtual simulation technology and briefly introduces the key technology of virtual reality.The coal mine safety training system has been exported with Adobe Photoshop software、3Dsmax software、Unity3d software and other tools.Through the image，sound，text，three-dimensional roaming and other forms，it simulates the surface and underground environment，and achieves multiplayer online interaction.The system has been used，with authenticity，security，interaction，effectiveness and other characteristics，is a highly efficient and reliable practice of coal mine training.

virtual simulation；internship training；immersive experience；mine safety

2017-02-07責任編輯：宋菲

TP391

：A

：1004-4051(2017)09-0153-03