基于Unity3D的采礦方法動態(tài)仿真系統(tǒng)研發(fā)

梁瑞余 徐 帥 沈慶陽 安 龍

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 研究背景

采礦方法作為金屬礦床地下開采過程中核心內(nèi)容，其選擇的科學性將直接影響礦山經(jīng)濟效益和礦產(chǎn)資源的回收利用程度[1-2]。采礦方法通常采用工程圖紙中的“三視圖”表示，采用平面圖紙結(jié)合文字說明來表示一個礦塊開采的空間和時間上的動態(tài)過程，其表述與理解相對困難，需要非常強的專業(yè)知識支撐，限制了采礦方法的表述、傳達與交流。以往只靠二維圖形來教學的方法不能清楚、直觀地反映出采場內(nèi)部結(jié)構，不利于教師描述采礦方法的流程，學生也不能直觀地理解其具體構造，導致學習效果不佳。因此，采礦方法的科學可視化一直是采礦教學、科研和生產(chǎn)實際中重要的研究內(nèi)容之一。

三維動態(tài)仿真技術是基于計算機圖形學、3dMax三維建模、面向?qū)ο缶幊痰榷囗椉夹g，將復雜、漫長的演化過程立體、直觀重建，通過動態(tài)可視化與交互控制，再現(xiàn)事物發(fā)展變化的時空關系的一項技術。為了簡化復雜的采礦方法的理解交流與學習的過程，一些學者基于三維動態(tài)仿真開展了大量研究，修春華等[3]研發(fā)了虛擬礦山漫游系統(tǒng)、彭家蘭等[4]研發(fā)了礦井通風三維仿真系統(tǒng)、僧德文等[5]研發(fā)了礦床的三維可視化仿真系統(tǒng)，將采礦方法工藝環(huán)節(jié)的時空關系、工作流程等都借助交互操作展現(xiàn)，豐富了采礦方法教學工具，提升了采礦工程學生的空間想象能力和復雜工藝過程的理解能力。但現(xiàn)有的動態(tài)仿真交互系統(tǒng)大多不完善，如漫游系統(tǒng)和逃生系統(tǒng)的三維模型多采用面片模型，由于面片模型難以在Unity場景下添加用于物理仿真的碰撞體組件，且渲染效果不佳，不能進行更真實的爆破仿真，所以該類模型的用途局限在漫游仿真層面；礦床的三維可視化等仿真系統(tǒng)多基于OpenGL開發(fā)，交互層搭建難，開發(fā)工程量大且整體仿真效果不佳，如需對爆破進行模擬，需要從底層編寫物理碰撞方法，難度較大。

Unity3D作為跨平臺三維引擎，因其強大優(yōu)勢，受到虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)等眾多行業(yè)青睞。其優(yōu)點有：能夠根據(jù)三維場景實時內(nèi)建貼圖、光照及烘培系統(tǒng)，創(chuàng)造逼真的3D視覺效果，支持C#等多種腳本。近年來，國內(nèi)外采礦學者也在借助Unity3D平臺進行項目研發(fā)，Bednarz T P等[6]借助Unity3D平臺，利用VR、智能手機等設備，以服務于培訓工作為目的，開發(fā)了沉浸式VR程序，為采礦環(huán)境中的遠程操作提供交互環(huán)境，成為了良好的教學媒介；Sun Q等[7]利用可穿戴設備Oculus Rift DK2研發(fā)了建筑逃生系統(tǒng)，通過逼真場景實現(xiàn)效果預覽和員工培訓；Harrod J R[8]基于Oculus DK2設備進行了基于場景的采礦教學虛擬現(xiàn)實仿真研究，得到了良好的試驗效果。

由此可見，基于三維可視化的采礦工程教學交互系統(tǒng)在國內(nèi)外均受到了采礦學者的重視，其開發(fā)也成為目前數(shù)字礦山[9-10]的一項重要研發(fā)內(nèi)容。但現(xiàn)有的研究多為開采過程宏觀性、系統(tǒng)性的展示，對具體的采礦方法方面仿真研究較少。因此，本文針對采礦方法仿真需求，依托Unity3D平臺和3dMax三維建模軟件，研究包含圍巖的巷道模型的創(chuàng)建方法，利用不同的Unity組件完成采礦過程中不同環(huán)節(jié)的交互可視化，形成一個對采礦方法完整仿真的動態(tài)演示系統(tǒng)，并通過大量測試檢驗不同可視化方法對系統(tǒng)性能的影響，提出一套簡單可行的仿真系統(tǒng)搭建方法，本研究可為采礦方法動態(tài)仿真提供借鑒。

2 采礦仿真的流程及關鍵技術

2.1 采礦方法仿真系統(tǒng)框架

采礦方法仿真系統(tǒng)包括模型建立、Unity場景渲染輸出、開采流程演示和場景交互?？傮w架構如圖1所示。

圖1 采礦方法仿真系統(tǒng)框架Fig.1 Simulation system framework to mining method

2.2 模型創(chuàng)建

采礦方法仿真系統(tǒng)研究首先需要完成各項工程模型創(chuàng)建[11-12]，主要包括：礦體、運輸巷道、穿脈、出礦穿脈、天井、充填體、塹溝、鑿巖硐室以及炮孔等。根據(jù)模型的用途不同，常用的建模方法包括：實體陽模建模法和面片建模法。其中前者適用于礦體及開拓系統(tǒng)外部效果預覽，因不能進入模型內(nèi)部，不能展現(xiàn)細節(jié)構造、進行漫游交互以及動態(tài)掘進演示；后者適用于基于攝像機等非物理實體漫游的三維漫游場景，但面片模型因沒有實體厚度，渲染容易出現(xiàn)偏差，且難添加用于物理效果仿真的碰撞體組件，導致該類模型不能進行自由視角切換和物理爆破仿真。

基于上述問題，本文采用閉合二維曲線擠出實體建模法，具體操作步驟如圖2所示，其過程采用AutoCAD與3dMax相結(jié)合的模式。其中：第一步中二維輪廓線為設計巷道的實際尺寸輪廓；第二步中向外偏移距離可以根據(jù)演示系統(tǒng)需要的巖壁厚度不同進行調(diào)節(jié)，如無具體要求，建議偏移距離為巷道寬的1/5；第三步中封閉外輪廓框用于創(chuàng)建巷道底板和頂板；第四步中適合的閉合曲線是指能使物體呈現(xiàn)規(guī)則形狀(矩形、最小體積彎曲實體)的曲線，以此減少使用網(wǎng)格碰撞體的頻率，該處理可以避免碰撞體交匯和過于復雜產(chǎn)生冗余物理碰撞計算。

Unity3D中碰撞體和剛體組件用于模擬物理碰撞、重力、摩擦力以及彈力等，其中，碰撞體即物體碰撞邊界，根據(jù)物體形狀選擇不同的碰撞體類型。隨著場景中碰撞體數(shù)量的增多和碰撞體的復雜度變大，場景渲染壓力變大，系統(tǒng)運行幀率下降，所以，在保證仿真效果的同時，按照球形(Sphere)>膠囊形(Capsule)>矩形(Box)>網(wǎng)格(Mesh)的順序選擇碰撞體能夠獲得良好的運行幀率，保證系統(tǒng)流暢運行。

圖2 巷道三維建模步驟(以出礦川為例)Fig.2 Three-dimensional modeling steps of roadway (taking the mining roadway as a case)

模型創(chuàng)建完成后，需對模型貼圖，主要利用UVW貼圖、UVW展開2種修改器，具體貼圖流程如圖3所示。

圖3 模型貼圖處理流程Fig.3 Model map processing flow

2.3 坐標系轉(zhuǎn)化

Unity3D自身的建模能力較弱，只能創(chuàng)建簡單的三維模型，所以場景中三維模型主要來源于Sketchup、3dMax等三維建模工具。而3dMax在三維建模上優(yōu)勢明顯，能夠?qū)δＰ瓦M行更細致的面編輯、具有強大的渲染系統(tǒng)、能夠修改操控軸等，所以本研究選擇3dMax為建模工具。

3dMax中采用右手坐標系，而Unity3D中采用左手坐標系，源自3dMax的模型直接導入至Unity3D場景會出現(xiàn)X軸旋轉(zhuǎn)為-90°的現(xiàn)象，影響物體后續(xù)布置與交互操控，所以需要統(tǒng)一坐標系。由于Unity3D中無法改變物體坐標軸，所以，左右手坐標系的轉(zhuǎn)化需要在3dMax中完成。具體步驟為：對物體進行軸調(diào)整，選擇僅影響軸選項；將物體坐標軸繞X軸旋轉(zhuǎn)90°；在導出為FBX格式的同時選擇Y軸向上。最后導入到Unity3D環(huán)境中的模型坐標軸將與左手坐標系一致。

2.4 模型導入與預處理

完成模型創(chuàng)建和貼圖后，將模型導出為FBX格式，并勾選嵌入媒體選項，使材質(zhì)綁定到三維對象中。除采礦方法所需的礦體與各工程模型外，還需在3dMax對需破碎實體進行破碎處理(圖4)。碎塊數(shù)將影響爆破仿真效果，就采礦方法仿真系統(tǒng)而言，經(jīng)過大量爆破仿真測試，建議在逐次單排爆破過程中，一次爆破的破碎塊數(shù)小于3 000塊為宜。

圖4 預制破碎斷面效果Fig.4 Precast fracture section effect

三維實體導入Unity3D場景后，需要綁定碰撞體、剛體和驅(qū)動腳本(C#控制代碼)等組件，修改組件參數(shù)用于模擬真實效果，包括修改物理材質(zhì)，調(diào)節(jié)摩擦因數(shù)、彈性模量等。同時，為實體添加不同的標簽(Tag)、將一些固定不動的實體設置為靜態(tài)(static)可以簡化驅(qū)動代碼調(diào)用。

2.5 工程可視化

采礦方法可視化包括：巷道掘進(漸現(xiàn))可視化、硐室掘進(漸隱)可視化、炮孔鉆進可視化、爆破煙霧(火光)可視化、爆破拋擲可視化以及底部工程掘進可視化等。

(1)掘進(漸現(xiàn)/漸隱)可視化。采礦仿真過程需要對不同工程運用不同模型，如主運輸巷道等采用陽模，鑿巖硐室等采用陰模，針對陰/陽模型，可視化方法均為在Unity3D場景中重寫渲染器(Shader)來實現(xiàn)不同軸向的漸現(xiàn)/漸隱效果。重寫渲染器是對材質(zhì)球的渲染模式進行重寫，其中材質(zhì)球源自物體在3dMax中的貼圖。FBX模型導入Unity3D后，會生成對應的材質(zhì)球，默認情況下，材質(zhì)球的渲染器都是standard模式，要實現(xiàn)掘進工程的漸現(xiàn)/漸隱，需要重寫渲染器，并在控制代碼中設定控制變量，將物體小于控制變量的部分進行渲染，而大于控制變量的部分進行光遮罩處理，進而達到漸現(xiàn)效果。鑿巖硐室的漸隱可視化處理方式相反即可。

(2)炮孔鉆進可視化。炮孔鉆進貫穿采礦過程始終，在仿真系統(tǒng)中占據(jù)主要地位。在本仿真系統(tǒng)中，炮孔鑿進可視化采用軸向拉伸法。其思路為：通過對炮孔陽模進行掘進軸向的拉伸，實現(xiàn)鑿孔過程，而拉伸的速度和起止位置，均由代碼進行控制。炮孔鑿進也起著承前啟后的作用，需要在鑿進過程通過控制代碼傳遞信息以輔助完成仿真系統(tǒng)演示邏輯。其中主要信息包括：鑿進炮孔類型、鑿進速度、鑿進軸向、是否進行微震球?qū)崟r動態(tài)展示、是否受限制于其他掘進工程和計劃掘進長度等。以上信息通過代碼進行傳遞到總控制代碼中，用于激活或是靜默某一進程，完善演示系統(tǒng)邏輯。

(3)爆破效果可視化。爆破過程中，火光、煙霧以及爆破后的粉塵擴散是采礦過程中的常見效果。這一部分的可視化依靠Unity3D中粒子系統(tǒng)組件，通過控制粒子的初始速度、初始粒子大小、生命周期、粒子顏色以及散發(fā)范圍和形狀等形成不同的粒子效果，進而對爆破的火光、爆破粉塵和煙霧等進行可視化，再通過代碼控制其演示的開始與結(jié)束，即可與爆破工程相結(jié)合進行可視化演示，見圖5。

圖5 爆破效果Fig.5 Blasting effect

(4)爆破拋擲可視化。爆破工程[13]仿真主要借助Unity中的碰撞體和剛體組件完成。斷面的預先破碎通過3dMax實現(xiàn)。根據(jù)不同的斷面尺寸，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將預先確定好塊度的破碎斷面通過RayFire插件進行隨機破碎，導入Unity3D后，添加網(wǎng)格碰撞體和剛體組件，并對相應的參數(shù)，如動摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、彈性模量、質(zhì)量、角阻力、碰撞檢測模式等進行調(diào)整。參數(shù)設置越精確得到的仿真效果越準確，但同時，電腦的CPU和顯卡性能耗費也會越大，因此，需要在保證仿真效果的同時盡可能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。爆破拋擲依靠碰撞體之間交匯觸發(fā)不同方向的張力，利用張力將碎石拋出，而在采用網(wǎng)格碰撞體的情況下，碎石之間的碰撞體是面與面的接觸，不會產(chǎn)生交匯，所以，需要“炮孔”碰撞體觸發(fā)碰撞，“炮孔”是通過空物體添加膠囊碰撞體和剛體組件后，起到爆破炮孔作用的替代品，“炮孔”在實例化一瞬間完成其功能后便將其銷毀，防止對爆破仿真產(chǎn)生干擾。

上述4種主要的可視化方法能夠?qū)⒉傻V過程中的大部分細節(jié)進行模擬，除了單一使用之外，個別環(huán)節(jié)的仿真需要2種或2種以上的方法組合進行可視化模擬，如底部結(jié)構掘進成型，采用的是渲染器重寫與軸向拉伸可視化相結(jié)合的模式。

2.6 操作環(huán)境視角控制

演示系統(tǒng)視角控制是仿真系統(tǒng)與用戶交互的關鍵點，其中主要包括了視角旋轉(zhuǎn)、縮放、拖動三項功能。實現(xiàn)原理是通過鼠標的點擊獲取屏幕坐標，再根據(jù)鼠標點擊位置發(fā)射射線至三維場景，進而轉(zhuǎn)化得到三維場景坐標。例如：視角的旋轉(zhuǎn)根據(jù)鼠標在屏幕按下按鍵不放開期間的起始點坐標，轉(zhuǎn)化得到終點相對起點的坐標軸旋轉(zhuǎn)角度，并以起始點坐標為中心，將三維場景進行相應角度的旋轉(zhuǎn)。

除上述三項功能，用于采礦方法的演示系統(tǒng)還需要進行固定視角轉(zhuǎn)換，如常用的主俯左三視圖以及等軸視圖。其實現(xiàn)是利用iTween插件，由外部UI觸發(fā)，控制攝像機在不同位置與旋轉(zhuǎn)角度之間平滑過度。

3 工程應用

結(jié)合上述仿真過程，針對某礦垂直藥包后退式階段礦房法(VCR法)進行了開采過程仿真系統(tǒng)研發(fā)。該方法的采礦參數(shù)如下：礦體水平厚度30 m，傾角70°，階段高度50 m。礦房垂直走向布置，寬12 m，長為礦體厚度。回采順序為“隔一采一”，礦房間隔同步回采，回采后進行充填；采用平底塹溝結(jié)構鏟運機出礦，塹溝高10 m。采準工程包括，階段運輸巷道、出礦穿脈、切頂巷道，斷面均為寬3 m、墻高1.8 m、全高3 m的三心拱斷面，鑿巖硐室尺寸為4.4 m×4 m。切割工作包括底部塹溝形成和回采過程切割槽形成兩部分。塹溝形成采用扇形中深孔拉底形成底部結(jié)構?；夭蛇^程自鑿巖硐室向下打垂直深孔，分段裝藥，自下向上分次爆破形成回采自由面；回采自由面形成后，自頂柱鑿巖硐室掘進礦房內(nèi)下向垂直深孔，裝藥后，分次逐排爆破，完成礦房回采，采用深孔側(cè)向爆破。按照上述參數(shù)進行二維圖紙繪制，再轉(zhuǎn)化為三維模型，并在3dMax中對模型進行處理，最后導出至Unity3D場景中，通過C#代碼和UI組件對系統(tǒng)進行封裝，完整的演示系統(tǒng)界面如圖6所示。

4 結(jié) 論

(1)二維曲線擠出實體建模法創(chuàng)建的三維模型能夠滿足爆破、漫游以及動態(tài)掘進等仿真演示系統(tǒng)功能，模型對計算機性能占用不大，能達到較好的仿真效果。

圖6 某銅礦三維交互仿真系統(tǒng)Fig.6 Three-dimensional interactive simulation system of a copper mine

(2)采用渲染器重寫法、軸向拉伸法、粒子渲染法、碰撞體組合法實現(xiàn)了巷道漸現(xiàn)/漸隱可視化、炮孔掘進可視化、爆破火光與煙霧可視化以及爆破拋擲可視化。并經(jīng)過測試得出碎塊數(shù)目在3 000塊以內(nèi)時，碰撞體組合法能夠高效地模擬爆破效果。

(3)通過屏幕坐標與三維場景坐標轉(zhuǎn)換方法，利用控制腳本實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)、拖拽、平移等視角控制功能；借助iTween插件與UI觸發(fā)的方式實現(xiàn)等軸視圖與固定視角視圖的轉(zhuǎn)化，滿足了交互仿真系統(tǒng)視角控制需求。

(4)由某銅礦演示系統(tǒng)的實踐驗證了，設置實體為靜態(tài)物體、控制運動物體休眠時間、使用簡單碰撞體等可以減輕計算機運算負擔，達到更好的仿真演示效果。

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