基于NeoAxis引擎的三維虛擬礦井仿真系統(tǒng)平臺

洪玉玲 ，王洋洋

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧，撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.礦用設(shè)備事故仿真與模擬驗證實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著礦山數(shù)字化、智慧化的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。從礦山三維建模與可視化[1]、生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)仿真[2]、礦山數(shù)據(jù)的三維空間分析[3]、礦山的規(guī)劃評估及安全監(jiān)控到礦山事故模擬仿真[4]、模擬仿真培訓(xùn)[5]、應(yīng)急救援演練[6]，虛擬現(xiàn)實技術(shù)都起到了不可替代的作用。然而，這些傳統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)存在2個明顯的缺點：①三維建模與具體應(yīng)用完全捆綁在一起，使得模型只能用于具體的應(yīng)用中[7]，較少考慮模型的重用性和通用性，導(dǎo)致重復(fù)開發(fā)和資源浪費；②這些應(yīng)用都是基于現(xiàn)有的三維引擎進行二次開發(fā)后發(fā)布的運行包，用戶如果需要修改完善必須由原開發(fā)團隊進行，系統(tǒng)不具備擴展性、不可編輯、不易管理。針對上述問題，在我國煤礦虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，提出了基于NeoAxis三維引擎開發(fā)一個面向煤礦的三維虛擬礦井仿真系統(tǒng)平臺。平臺具有全礦井三維模型資源庫，實現(xiàn)了資源編輯管理、模擬場景編輯、礦井仿真系統(tǒng)設(shè)計、礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計等功能，達到了快速高效地構(gòu)建煤礦虛擬礦井系統(tǒng)的目標。同時具備生產(chǎn)及監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)接口，二次開發(fā)接口，通過簡單的操作可以快速實現(xiàn)礦井三維自動化監(jiān)控、設(shè)備及生產(chǎn)安全培訓(xùn)、事故模擬仿真、應(yīng)急救援演練等具體的煤礦三維應(yīng)用。

1 NeoAxis三維引擎

NeoAxis基于.net框架，支持mono編譯[8]?？梢允褂胏#語言進行開發(fā)，開發(fā)工具可以用Microsoft Visual Studio直接基于.net框架編譯運行或調(diào)試。集成了物理引擎、GUI系統(tǒng)、3D音效，出色的圖形和粒子效果，集成了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)多人游戲支持，支持Zip壓縮，使用它可以做任何類型的游戲，或任何一種產(chǎn)品。NeoAxis主要包括資源編輯器和地圖編輯器，在資源編輯器中還包含強大的物理引擎編輯器、模型編輯器、材質(zhì)編輯器、粒子編輯器、GUI編輯器和實體類型編輯，在地圖編輯器中包含了邏輯編輯，可以使用腳本對整個地圖進行邏輯控制[9]。該引擎包括包含了所有現(xiàn)代圖形、物理和游戲項目的音頻功能。NeoAxis引擎是一個完整的創(chuàng)建，包括3D虛擬世界，AAA級游戲，和現(xiàn)實的交互式三維圖形仿真集成開發(fā)環(huán)境。同時具備實時3D引擎和一個全功能的工具套件組成的系統(tǒng)，其非商業(yè)許可證用于非商業(yè)應(yīng)用和學(xué)習(xí)NeoAxis引擎[10]。

2 三維虛擬礦井仿真系統(tǒng)平臺

平臺使用NeoAxis三維引擎作為開發(fā)引擎，C#作為編程語言，在購買的源碼基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)完成，具有NeoAxis三維引擎的開發(fā)授權(quán)。

2.1 平臺架構(gòu)

平臺采用分層架構(gòu)設(shè)計，分為數(shù)據(jù)層、實體層、應(yīng)用層、展示層。數(shù)據(jù)層的功能是生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)資源，如三維模型、圖片、視頻、文本、監(jiān)控數(shù)據(jù)等，使用的工具為3dmax、photoshop、監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源等；實體層的功能是將數(shù)據(jù)層的資源進行裝配，如使用模型和動畫組裝成采煤機，使用的工具是虛擬礦井仿真系統(tǒng)資源編輯器，組裝出設(shè)備、人員、火、水等組件，這些組件存入資源庫內(nèi)；應(yīng)用層的功能是使用資源庫內(nèi)的組件，配置出仿真場景和培訓(xùn)場景，完成采、掘、機、運、通、排水、人員定位、安全監(jiān)控，通風(fēng)結(jié)算等系統(tǒng)的搭建，和安全培訓(xùn)場景的搭建，設(shè)備培訓(xùn)教程的制作；展示層使用交互式三維礦井系統(tǒng)管理采掘機運通排水、人員定位、安全生產(chǎn)的仿真和監(jiān)控，使用三維礦井安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)進行安全培訓(xùn)演練、設(shè)備培訓(xùn)教學(xué)，使用web網(wǎng)站進行人員管理和人員演練成績分析。

2.2 功能結(jié)構(gòu)

平臺主要包括資源編輯器、場景編輯器、交互式三維礦井系統(tǒng)、三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)。各子系統(tǒng)主要功能如下：

1）虛擬礦井仿真系統(tǒng)資源編輯器。虛擬礦井仿真系統(tǒng)資源編輯器基于NeoAxis引擎的資源編輯器開發(fā)，用來編輯、管理項目里的各種資源，包括三維模型，材質(zhì)，紋理圖，物理模型，界面，系統(tǒng)元件，是一個工具，負責(zé)利用3D模型、圖片、聲音、視頻等多媒體素材，編輯生成代表采煤機、掘進機等各類設(shè)備的礦山對象資源。在NeoAxis引擎的資源編輯器基礎(chǔ)上，增加了資源管理管理功能，可增、刪、改、查各類基礎(chǔ)資源，并管理組織存儲各類基礎(chǔ)資源的資源庫，支持多種主流三維模型格式，用戶可自定義擴充資源庫。

2）虛擬礦井仿真系統(tǒng)場景編輯器。虛擬礦井仿真系統(tǒng)場景編輯器基于NeoAxis引擎的開發(fā)。地圖編輯器是創(chuàng)造虛擬世界的工具，該工具是一個復(fù)雜的編輯器，用于管理地圖上的對象，支持編輯者調(diào)用資源庫中的各類資源，對三維場景進行布置。在地圖編輯器基礎(chǔ)上，進行了二次開發(fā)，用以配置交互式三維礦井系統(tǒng)和三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)場景。實現(xiàn)了三維場景編輯、三維巷道編輯、培訓(xùn)腳本編輯、事故教程編輯、設(shè)備教程編輯、自動漫游路徑編輯、三維可視化編輯、監(jiān)測監(jiān)控信息配置、標注信息編輯、工程發(fā)布等功能。

3）三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)。三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)是基于資源編輯器的三維模型資源庫，應(yīng)用場景編輯器創(chuàng)建的用于礦井安全培訓(xùn)的三維應(yīng)用。主要功能如下：①具備礦山實景模擬、事故仿真、應(yīng)急處置、聯(lián)動指揮、多人協(xié)同應(yīng)急救援培訓(xùn)演練功能;②提供多種事故類型（火災(zāi)、冒頂、水災(zāi)、煤塵、瓦斯泄漏等）的救援演練功能;③參加培訓(xùn)人員分別扮演不同的救援角色，以多人在線，分工合作、多人協(xié)同的方式來參加模擬培訓(xùn)演練，角色間可通過文字或語音進行交流、通過操作不同的技能，協(xié)同完成任務(wù);④通過內(nèi)置評估系統(tǒng)，自動生成評估報告，用戶可及時的發(fā)現(xiàn)自身不足;⑤將傳統(tǒng)文檔與三維場景進行結(jié)合，可對設(shè)備的維護和操作進行學(xué)習(xí)，在三維空間中與設(shè)備進行交互;⑥具備鷹眼地圖，倒計時、任務(wù)提示等輔助演練功能;⑦可通過第一人稱和第三人稱控制虛擬角色、支持游客模式，自由瀏覽演練的全局狀況。

4）交互式三維礦井系統(tǒng)。交互式三維礦井仿真系統(tǒng)是基于資源編輯器的三維模型資源庫，應(yīng)用場景管理系統(tǒng)搭建的具體礦井的三維仿真應(yīng)用，通過融合礦山各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦山的三維數(shù)字化、可視化和自動化。主要功能為：①構(gòu)建煤礦井上下三維仿真環(huán)境，支持以漫游、鷹眼地圖和快捷視點快速定位等方式查看礦井地形地貌，及井巷工程、采區(qū)、設(shè)備等空間分布情況；②設(shè)計與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的通訊接口，實現(xiàn)在三維仿真環(huán)境中融合各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；③實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、自動報警、熱力圖展示、歷史數(shù)據(jù)查詢分析，人員定位和人員軌跡回放，通風(fēng)系統(tǒng)解算、避災(zāi)線路展示等功能。

5）后臺管理系統(tǒng)。以網(wǎng)頁形式對人員信息進行管理和維護，對學(xué)員成績進行查詢統(tǒng)計，一方面有效縮短了后臺管理系統(tǒng)的開發(fā)周期，一方面更有利于用戶自身的低成本操作，實現(xiàn)系統(tǒng)的長期有效使用。后臺管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，供交互式三維礦井系統(tǒng)以及三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)調(diào)用。

2.3 系統(tǒng)工作流程

1）資源編輯器工作流程。二次開發(fā)人員使用資源編輯器將模型動畫腳本特效等資源，組裝成對象組件，如采煤機這樣的設(shè)備或采煤工這樣的人員，和其他如文本圖片視頻、圖標文本做的信息面板等存入資源庫中，資源編輯器工作流程圖如圖1。

圖1 資源編輯器工作流程圖Fig.1 Resource editor workflow

2）三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程。應(yīng)用場景編輯齊創(chuàng)建和編輯巷道，布置人員和設(shè)備到場景中，設(shè)計和編輯事故邏輯，將視頻、三維設(shè)備模型、展示圖片、文本等資源組織成設(shè)備學(xué)習(xí)和事故案例的教程，將組建好的培訓(xùn)場景和教程發(fā)布成可以被培訓(xùn)演練系統(tǒng)調(diào)用的資源包式的關(guān)卡。學(xué)生登錄培訓(xùn)演練系統(tǒng)，讀取關(guān)卡，控制虛擬角色在訓(xùn)練場景中完成任務(wù)，根據(jù)教程學(xué)習(xí)設(shè)備的原理和維護的教程，演練的成績上傳到后臺管理系統(tǒng)中進行分析。三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程如圖2。

圖2 三維礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程Fig.2 Creation and workflow of 3D mine safety training system

3）交互式三維礦井系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程。應(yīng)用場景編輯器進行三維場景的布置和數(shù)據(jù)庫的配置，包括巷道的創(chuàng)建、地質(zhì)體的創(chuàng)建、設(shè)備人員的布置等，綜合自動化數(shù)據(jù)、生產(chǎn)掘進數(shù)據(jù)、人員定位數(shù)據(jù)、井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入，最終發(fā)布成獨立的應(yīng)用包，應(yīng)用包可以進行人員定位仿真系統(tǒng)、通風(fēng)仿真系統(tǒng)等的監(jiān)控，終端用戶可以通過界面監(jiān)控來監(jiān)控這些系統(tǒng)。交互式三維礦井系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程如圖3。

圖3 交互式三維礦井系統(tǒng)創(chuàng)建及工作流程Fig.3 Interactive 3D mine system creation and workflow

4）后臺管理系統(tǒng)工作流程。管理員登錄到后臺管理系統(tǒng)可以查詢?nèi)藛T信息、權(quán)限信息、成績信息，也可以添加人員信息和權(quán)限信息。學(xué)生登錄到后臺管理系統(tǒng)可以查詢成績信息。后臺管理系統(tǒng)操作流程如圖4。

圖4 后臺管理系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Workflow of background management system

3 結(jié)語

設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于NeoAixs引擎的三維虛擬礦井仿真系統(tǒng)平臺，重點研究了平臺的架構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)及工作流程。平臺應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)了全礦井（采、掘、機、運、通等）三維模型資源庫，具備資源編輯管理、三維模擬場景設(shè)計、礦井仿真系統(tǒng)設(shè)計、礦井安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計等功能。應(yīng)用結(jié)果表明：平臺可以快速構(gòu)建煤礦三維仿真礦井，并可以在仿真環(huán)境中嵌入事故模擬、培訓(xùn)、考評等功能，可用于三維數(shù)字化礦山，模擬培訓(xùn)、事故仿真、救援演練等領(lǐng)域，提供了一套專業(yè)、系統(tǒng)、分布式、交互式的三維解決方案，是一套可用于煤礦三維應(yīng)用開發(fā)的三維引擎。