虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦應(yīng)急培訓(xùn)中的應(yīng)用

摘 要：本文通過利用3D建模技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)以及交互式行為控制等虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)一個可交互、逼真進(jìn)行虛擬仿真的煤礦應(yīng)急培訓(xùn)系統(tǒng)，克服了目前煤礦中使用的傳統(tǒng)應(yīng)急管理培訓(xùn)模式存在的周期較長、效果不佳以及費(fèi)用較高等問題。真實模擬煤礦現(xiàn)場安全生產(chǎn)作業(yè)的環(huán)境，學(xué)員在確保安全的基礎(chǔ)前提下完成了各類應(yīng)急管理培訓(xùn)，節(jié)約了培訓(xùn)的費(fèi)用并大大縮短了培訓(xùn)的時間，明顯提升了培訓(xùn)的效果，為促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;應(yīng)急培訓(xùn);碰撞檢測;交互行為控制

中圖分類號：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0016-03

Application of Virtual Reality Technology in Coal Mine Emergency Training

ZHANG Jisuo

（China Coal northwest Energy Co.， Ltd.，Ordos Inner Mongolia 017200）

Abstract： In this paper， by using? 3D modeling technology， collision detection technology， interactive behavior control and other virtual reality technology， a virtual simulation coal mine emergency training system can be realized interactively and realistically， which overcomes the problems of long period， poor effect and high cost existing in the traditional emergency management training mode currently used in coal mines. The actual simulation of coal mine safety production environment， students in the premise of ensuring safety， completed all kinds of emergency management training， saved the cost of training and greatly shortened the training time， significantly improved the training effect， and provided strong support for promoting the development of coal mine safety production.

Keywords： virtual reality; emergency training;collision detection;interactive behavior control

煤礦安全生產(chǎn)是煤礦生存發(fā)展的關(guān)鍵因素，涉及廣大煤礦職工的生命和財產(chǎn)安全，所有煤礦必須履行安全生產(chǎn)責(zé)任制，制定應(yīng)急培訓(xùn)體系。一方面主要采用了新技術(shù)和新設(shè)備等以增加安全生產(chǎn)的軟硬件投資等方式，提高了安全可靠性和保障程度;另外一方面開展各種類型的應(yīng)急培訓(xùn)，提升了職工的安全意識，提高應(yīng)急響應(yīng)能力，確保了煤礦企業(yè)的安全和生產(chǎn)。

本培訓(xùn)系統(tǒng)通過綜合應(yīng)用3D仿真技術(shù)、安全科學(xué)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維造型技術(shù)以及可視化技術(shù)等構(gòu)建了一個虛擬的煤礦安全應(yīng)急培訓(xùn)環(huán)境，提升了煤礦應(yīng)急培訓(xùn)的效果[1]。

1 培訓(xùn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，對煤礦工人應(yīng)急培訓(xùn)采用理論講述培訓(xùn)、手冊培訓(xùn)以及視頻培訓(xùn)等方式，培訓(xùn)周期長、學(xué)員現(xiàn)場感差，學(xué)習(xí)過程枯燥無味，效率低。雖然采用了具備一定表現(xiàn)力的多媒體訓(xùn)練技術(shù)，具備了聲音、圖像以及動漫等方式，但是這種人機(jī)對話的特點卻沒有充分地體現(xiàn)出來。因此，需要一種將實踐和理論相結(jié)合，能讓學(xué)員置身其境的專業(yè)培訓(xùn)體系，可以進(jìn)行互相操作和理論上的考核。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互式煤礦應(yīng)急培訓(xùn)系統(tǒng)具有模型逼真和身臨其境等突出特征，可以如實仿真出一個煤礦現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境，學(xué)員可以借助交互式設(shè)備，高質(zhì)量地完成所需要的培訓(xùn)內(nèi)容，避免在井下進(jìn)行培訓(xùn)時發(fā)生危險事故，提高了培訓(xùn)的效率，降低了培訓(xùn)成本，并自動地完成了考核。

2 開發(fā)軟件介紹

2.1 建模軟件

場景中的三維模型采用3D Studio Max和實時三維建模軟件MultiGen Creator相結(jié)合的模型構(gòu)建方法創(chuàng)建。

2.1.1 3D Studio Max。3D Studio Max游戲是由Autodesk公司專門自主設(shè)計研發(fā)的一種具有三維游戲模型設(shè)計制作和各種游戲動畫特效渲染制作功能的游戲軟件，廣泛應(yīng)用于各種電子游戲、影視制作、工業(yè)技術(shù)設(shè)計及建筑工程設(shè)計可視化等各個方面。

2.1.2 MultiGen Creator。該產(chǎn)品系列建模軟件同時具有多邊形地形建模、矢量地形建模以及能夠精準(zhǔn)設(shè)計各種類型大面積三維地形的3大特點，擁有多種專門的建模選項和應(yīng)用插件，高效地設(shè)計生產(chǎn)了一個基于實時三維的地形數(shù)據(jù)庫，能和其他各種類型的專業(yè)實時三維仿真技術(shù)軟件產(chǎn)品進(jìn)行有效緊密結(jié)合。在模擬視景仿真、模擬技術(shù)培訓(xùn)、交互式電子游戲、信息工程技術(shù)應(yīng)用以及科學(xué)信息可視化等各種現(xiàn)代化實時三維仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，已經(jīng)達(dá)到領(lǐng)先的技術(shù)水平[2]。

2.2 三維引擎

OGRE引擎可以提供基于OpenGL面向?qū)ο蟮能浖蚣?，同時還可以提供許多額外的附加功能模塊用于加速圖形的實際應(yīng)用和開發(fā)。它是一款高效、跨平臺以及源代碼開放的三維圖像視頻游戲引擎。在對比分析多個三維圖形引擎的優(yōu)缺點后，本次操作系統(tǒng)最終決定選擇以3D電子游戲研究開發(fā)引擎OGRE作為基礎(chǔ)平臺，將其設(shè)計成虛擬現(xiàn)實場景的圖形引擎，進(jìn)行二次開發(fā)從而實現(xiàn)交互式的功能[3]。

3 虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模

在虛擬現(xiàn)實中，三維模型直接制約著系統(tǒng)的逼真性。本系統(tǒng)中涉及設(shè)備建模、井下環(huán)境仿真以及人物仿真建模等模型。

3.1.1 設(shè)備建模。井下大型設(shè)備的模型（采煤機(jī)、液壓支架、連采機(jī)以及刮板運(yùn)輸機(jī)等）構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜。在進(jìn)行建模時，先要收集有關(guān)設(shè)備的圖片、外形大小以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)等相關(guān)技術(shù)信息。建立一個機(jī)械設(shè)備和裝置復(fù)雜的模型，然后再利用建模技術(shù)生成一個簡單的模型，在構(gòu)造大場景時遠(yuǎn)景采用了簡單模性，近景則是使用了復(fù)雜模型，以此方式來有效地解決各種大場景制作過程中的數(shù)據(jù)瓶頸。采煤機(jī)模型如圖1所示。

3.1.2 井下環(huán)境仿真。井下工作環(huán)境是有尺度的巷道空間，應(yīng)按照尺寸參數(shù)來構(gòu)建巷道的三維模型。工作面及巷道建模完成后，將液壓支架、采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及順槽皮帶等設(shè)備模型按照尺寸的要求布置到工作面及巷道中，然后再按標(biāo)準(zhǔn)化的要求將高壓電纜和液管等連接上，再加上一些附屬的裝備，一套仿真的工作面及巷道就完成了。環(huán)境仿真還包括爆炸、燃燒、冒頂、噴霧以及透水等環(huán)境特效。

為了讓井下虛擬操作場景變得更真實，更好地提供了一種視覺上的沖擊效果，采用目前先進(jìn)的反應(yīng)堆物理模塊和反應(yīng)堆動力學(xué)技術(shù)，更真實自然地直觀反映了每起事故。照明技術(shù)歷來都被認(rèn)為是三維虛擬仿真技術(shù)發(fā)展過程中的重中之重，由于三維和自然環(huán)境中的各種物體性質(zhì)差異，使得在自然環(huán)境中對照明效果的分析和表達(dá)困難增多，以往一直采用普通標(biāo)準(zhǔn)光照明的方法，其表達(dá)能力往往無法做到令人滿意。本環(huán)境采用小規(guī)模體積光照明技術(shù)來提高各種光斑特效的分析和表達(dá)范圍。井下環(huán)境仿真如圖2所示。

3.1.3 人物仿真模型。本系統(tǒng)有多個人物造型，需要使人物形象多樣化，采用蒙皮技術(shù)構(gòu)建人物模型。人物的動作直接影響系統(tǒng)的逼真性，難度和工作量都比較大。為了高質(zhì)量、高效率完成人物動畫制作，建立人物動作庫，可以將人物動作存入數(shù)據(jù)庫，方便調(diào)用。

3.2 碰撞檢測技術(shù)

虛擬現(xiàn)實中碰撞精確性和實時性是碰撞監(jiān)測技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)，精確地對其進(jìn)行碰撞檢測大大增強(qiáng)了虛擬環(huán)境的視覺真實性與視覺沉浸感[4]。通過性能比較，本文最終選用OBB包圍盒算法構(gòu)建混合碰撞檢測算法[5]。

3.3 交互控制技術(shù)

交互控制技術(shù)是采用了一套具有良好系統(tǒng)指令集自定義和編程文檔的系統(tǒng)建模仿真接口標(biāo)準(zhǔn)和OpenGL工具，開發(fā)一個基于軟件底層的大型通用軟件仿真系統(tǒng)模型的通用綜合性系統(tǒng)集成仿真框架。學(xué)員與虛擬環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行交互，既可以直接使用外部的移動設(shè)備，也可以直接利用鼠標(biāo)和鍵盤等輸入設(shè)備實現(xiàn)交互。通過對OpenGL應(yīng)用程序的運(yùn)動控制，完成了在三維圖中物體的反向移動、旋轉(zhuǎn)以及放縮[6，7]。

4 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互式煤礦應(yīng)急培訓(xùn)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)簡介

該軟件系統(tǒng)的開發(fā)語言主要采用VC++和OpenGL兩種開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用Orcale，并且以3D游戲開發(fā)引擎OGRE軟件作為主要的基礎(chǔ)開發(fā)平臺，可以進(jìn)行漫游、控制以及協(xié)作等多種功能。用圖形、3D動畫以及聲音等多媒體方式再現(xiàn)了煤礦井下標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的真實情況，將煤礦標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程與安全規(guī)程以一種互動式的形態(tài)體現(xiàn)了出來。系統(tǒng)根據(jù)OpenGL中的相應(yīng)函數(shù)記錄了學(xué)員在進(jìn)行實操和演練過程中的各種運(yùn)動軌跡途徑、活動行為以及任務(wù)完成期限等相關(guān)信息，然后與數(shù)據(jù)庫中事先保存的評估標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比、分析，對學(xué)員的運(yùn)動和操作過程給出一個客觀且科學(xué)的評價分析，得出考核結(jié)論。

4.2 系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)包含應(yīng)急救援學(xué)習(xí)、應(yīng)急實操演練以及評價考核3個功能模塊。

4.2.1 應(yīng)急救援學(xué)習(xí)。通過三維仿真的方式，再現(xiàn)礦井各類災(zāi)害事故現(xiàn)場的整體情況，包括頂板冒落、瓦斯爆炸、水害以及火災(zāi)等各種事故現(xiàn)場。模擬啟動相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，將應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行三維動畫展示，詳細(xì)說明整個應(yīng)急救援的響應(yīng)及處理過程、要求及注意事項。

4.2.2 應(yīng)急實操演練。系統(tǒng)能夠以不同的角色登錄，以第一人稱的角度進(jìn)行實操演練學(xué)習(xí)，完成該角色在應(yīng)急救援中應(yīng)該進(jìn)行的所有操作。在演練過程中系統(tǒng)應(yīng)能夠為學(xué)員提供多種虛擬操作與場景交互，使得學(xué)員在一個虛擬的場景中都能夠具有更大的自由度與發(fā)揮空間。同時，還可以通過設(shè)置計時限制及頂板再次冒落或煤塵瓦斯二次爆炸等危險事故的存在情況來考驗學(xué)員對于突發(fā)事件處理能力。

4.2.3 考核評價。系統(tǒng)將學(xué)員在現(xiàn)場實操和演練過程中的所有運(yùn)動軌跡、路徑、動作行為以及完成期限等相關(guān)信息與正確操作方法進(jìn)行了比對、分析，對于學(xué)員在操作過程中給出一個客觀且科學(xué)的綜合分析評價，得出了考核結(jié)論和需要改進(jìn)建議。

5 結(jié)論

本文主要運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計了一個模擬仿真和人機(jī)交互的企業(yè)應(yīng)急救援培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。在培訓(xùn)過程中，學(xué)員置身虛擬現(xiàn)場作業(yè)的仿真環(huán)境中，身臨其境解決了以往培訓(xùn)的枯燥性，提升了培訓(xùn)效果。下一步繼續(xù)研究3D建模技術(shù)，采用三維激光掃描儀進(jìn)行設(shè)備和環(huán)境建模，提高建模效率。同時，探索增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在應(yīng)急培訓(xùn)中的應(yīng)用，使人機(jī)交互更加智能化。

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