虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井災(zāi)害防治演練中的應(yīng)用

孟龍

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.030

摘? 要：從煤礦安全培訓(xùn)實(shí)際需求分析入手，文章確定了礦井災(zāi)害防治演練的總體目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入至煤礦安全培訓(xùn)領(lǐng)域，研發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦井災(zāi)害防治演練平臺(tái)。通過音效、文字、動(dòng)畫、三維漫游等形式，展示礦井災(zāi)害發(fā)生原因及造成的后果，該系統(tǒng)的使用極大提高了礦井安全培訓(xùn)的質(zhì)量，取得了良好的培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);頂板災(zāi)害;3ds Max;Unity 3D

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）08-0108-04

Application of Virtual Reality Technology in the Drill of Mine Disaster?Prevention and Control

MENG Long1，2

（1.China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design and Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China;

2.Nanjing YHD Intelligent Solutions Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China）

Abstract：Starting from the actual demand analysis of coal mine safety training，this paper determines the overall goal and design scheme on the drill of mine disaster prevention and control，introduces immersive virtual reality technology into the field of coal mine safety training，and develops a coal mine disaster prevention and control drill platform based on virtual reality technology. Through the forms of sound effect，text，animation，three-dimensional roaming，etc.，the causes and consequences of mine disasters are displayed. The use of the system has greatly improved the quality of mine safety training，and has achieved good training effect.

Keywords：virtual reality technology;roof disaster;3ds Max;Unity 3D

0? 引? 言

煤礦礦井開采的重要特點(diǎn)是井下作業(yè)、工藝復(fù)雜、存在許多不確定因素。同時(shí)，煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)包括“采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、排”等多個(gè)子系統(tǒng)^[1]，安全生產(chǎn)問題比較突出，管理難度較大。一直以來，煤礦企業(yè)、高校等均利用傳統(tǒng)的教學(xué)方式使得學(xué)員來熟悉煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和空間結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量無法保證，甚至還影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)。

提高安全培訓(xùn)課程的質(zhì)量，一直是煤礦安全培訓(xùn)工作者及煤礦企業(yè)追求的目標(biāo)^[2]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)，為學(xué)員提供三維動(dòng)態(tài)環(huán)境下的安全信息、操作規(guī)程，將比以往在紙上獲取的靜態(tài)信息要牢固、有效得多^[3]。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是伴隨多媒體技術(shù)發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)新技術(shù)，它利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨率顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境。用戶需借助VR眼鏡及定位等設(shè)備實(shí)現(xiàn)在虛擬世界中對(duì)物體進(jìn)行交互操作，進(jìn)而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）、應(yīng)用軟件系統(tǒng)（內(nèi)容制作）、輸出輸入設(shè)備（硬件）、用戶和數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2? 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)3I特性

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特征是三個(gè)“I”：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination），具體示意圖如圖2所示。

沉浸性是指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界之中一樣，沉浸性來自于對(duì)虛擬世界的多通道感知性，除了通常的視覺和聽覺外，還有觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等多種感知^[4]。交互性是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界之間的自然交互，借助于頭顯設(shè)備和操控手柄（手套），以逼真的方式與虛擬環(huán)境交互，實(shí)時(shí)產(chǎn)生身臨其境的感覺^[4]。想象性是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位地獲取知識(shí)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，尋求解答，形成新的概念^[5]，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)計(jì)者思想的結(jié)合，為充分發(fā)揮它們的創(chuàng)造性和想象性而開發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的。

2? 總體方案設(shè)計(jì)

2.1? 總體目標(biāo)

將VR技術(shù)與煤礦災(zāi)害預(yù)防培訓(xùn)和救援演練培訓(xùn)相結(jié)合，針對(duì)巷道頂板災(zāi)害，進(jìn)行VR硬件系統(tǒng)集成、制作VR培訓(xùn)內(nèi)容制作與軟件開發(fā)，開創(chuàng)沉浸、真實(shí)、可交互的VR培訓(xùn)方式在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用。

2.2? 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以井下巷道頂板災(zāi)害為原型進(jìn)行內(nèi)容制作，具體功能如下文所述。

2.2.1? 內(nèi)容演示功能

根據(jù)礦井災(zāi)害案例，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦井災(zāi)害防治演練平臺(tái)內(nèi)容應(yīng)包括災(zāi)害場(chǎng)景還原、災(zāi)害形成原因分析、安全生產(chǎn)規(guī)范流程操作、知識(shí)問答等。

2.2.2? 漫游功能

漫游功能的實(shí)現(xiàn)采用的是人機(jī)交互的方式，系統(tǒng)搭建的井下虛擬生產(chǎn)環(huán)境能直觀、細(xì)致、全面地展示井下作業(yè)環(huán)境，使學(xué)員能夠在虛擬環(huán)境中了解災(zāi)害場(chǎng)景再現(xiàn)情況、災(zāi)害預(yù)兆顯現(xiàn)與原因分析及災(zāi)害發(fā)生后應(yīng)急措施等。在搭建的虛擬礦山模型之中，可根據(jù)環(huán)境中文字或語音提示，結(jié)合手柄操作進(jìn)行場(chǎng)景的切換。

2.2.3? 交互功能

演練平臺(tái)設(shè)置巷道頂板災(zāi)害的培訓(xùn)內(nèi)容，以頂板災(zāi)害發(fā)生的全過程為主線，結(jié)合相關(guān)設(shè)備操作、工藝流程、災(zāi)后救援知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的問答，通過模擬災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，讓學(xué)員深刻掌握煤礦災(zāi)害知識(shí)。

2.3? 頂板災(zāi)害仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過煤礦現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，編制礦井頂板災(zāi)害腳本，腳本大綱為：（1）真實(shí)還原掘進(jìn)巷道永久支護(hù)段，作為頂板災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)。場(chǎng)景內(nèi)模型應(yīng)包括安全宣傳板（掘進(jìn)相關(guān)規(guī)章制度、巷道平面圖、避災(zāi)路線圖）、井下電話及指示標(biāo)志、逃生箭頭標(biāo)志、軌道、皮帶機(jī)、掘進(jìn)機(jī)設(shè)備。（2）體驗(yàn)者通過傳輸點(diǎn)進(jìn)入掘進(jìn)工作面。軟件應(yīng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。（3）掘進(jìn)機(jī)停止工作后，體驗(yàn)者可使用VR手柄操作錨桿鉆機(jī)，進(jìn)行移動(dòng)、架設(shè)、鉆孔操作。（4）鉆孔時(shí)發(fā)生片幫及頂板災(zāi)害。應(yīng)使用煙塵、碎石等特效手段真實(shí)表現(xiàn)災(zāi)害危害性。（5）對(duì)災(zāi)害原因進(jìn)行分析說明。（6）提供安全生產(chǎn)規(guī)范流程，按照敲幫問頂、臨時(shí)支護(hù)、鉆孔、永久支護(hù)的流程依次展現(xiàn)虛擬場(chǎng)景。（7）可使用VR手柄進(jìn)行選擇答題，進(jìn)行頂板災(zāi)害問答，軟件自動(dòng)打分、評(píng)級(jí)。

3? 礦井災(zāi)害防治演練平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1? 沉浸式仿真環(huán)境建模

3ds Max和Maya是實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維建模的關(guān)鍵軟件，本系統(tǒng)研發(fā)中主要用到的功能包括幾何體建模、二維圖形建模、材質(zhì)與貼圖、燈光與環(huán)境、場(chǎng)景烘焙、攝像機(jī)和動(dòng)畫制作，仿真建模樣例如圖3所示。

3.2? 沉浸式仿真環(huán)境動(dòng)畫制作

在3ds Max完成場(chǎng)景燈光的布置，然后給設(shè)備設(shè)施、人員、攝像機(jī)視角調(diào)節(jié)動(dòng)作，根據(jù)調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)施、人員、攝像機(jī)動(dòng)作決定在哪個(gè)攝像機(jī)的哪些部分需要進(jìn)行渲染，然后進(jìn)行相關(guān)動(dòng)畫序列的渲染，制作界面如圖4所示。

3.3? 系統(tǒng)交互功能開發(fā)

本系統(tǒng)中包含模型種類多，且需要實(shí)現(xiàn)環(huán)境漫游、災(zāi)害展示、設(shè)備操作、虛擬考核等工作任務(wù)。經(jīng)過對(duì)國(guó)際主流交互仿真軟件的綜合對(duì)比分析，結(jié)合煤礦災(zāi)害演練培訓(xùn)的實(shí)際情況，選取Unity3D平臺(tái)作為礦井災(zāi)害防治演練系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，系統(tǒng)主要交互功能主要有下文所述的兩種。

3.3.1? 場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游時(shí)，通過不斷移動(dòng)攝像機(jī)位置或改變攝像機(jī)方向從而產(chǎn)生場(chǎng)景變化的效果實(shí)現(xiàn)漫游功能。在沉浸式場(chǎng)景漫游開發(fā)中需要在Unity3D安裝Steam VR插件，通過調(diào)用預(yù)留的API實(shí)現(xiàn)利用控制手柄在三維場(chǎng)景漫游的功能，API函數(shù)調(diào)用界面如圖5所示。

3.3.2? 設(shè)備操作

系統(tǒng)通過編寫C#語言腳本賦予各子物體屬性。比如，為在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)通過控制手柄裝拆鉆機(jī)鉆桿目的，需要為鉆機(jī)各子對(duì)象添加碰撞檢測(cè)組件和碰撞干涉組件，此時(shí)用到的碰撞檢測(cè)函數(shù)為On Trigger Enter（），當(dāng)控制手柄與鉆機(jī)子對(duì)象發(fā)生碰撞時(shí)則將修改子對(duì)象的三維空間坐標(biāo)為在原坐標(biāo)上加子對(duì)象跟隨控制手柄移動(dòng)的相對(duì)位移，抓取的交互代碼為：

void OnTriggerEnter（Collider other）? //當(dāng)觸碰時(shí)

{

if（other.CompareTag（"Player"））

{

isGrab = true;

transform.localPosition = Vector3.zero;

}

}

public void OnGrap（）? ?//當(dāng)抓取時(shí)

{

ishaps = true;

handhighlight.SetActive（false）;

}

3.4? 硬件平臺(tái)搭建

礦井災(zāi)害防治演練平臺(tái)硬件由計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）、頭顯設(shè)備、操控手柄、激光定位器和定位器支架組成，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)平臺(tái)的開發(fā)、運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理，頭顯設(shè)備為學(xué)員提供三維場(chǎng)景并將其位置信息發(fā)送給定位器，操控手柄用于在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)物體交互及移動(dòng)，激光定位器通過紅外LED陣列以固定頻率分別以垂直和水平兩個(gè)模式掃描整個(gè)房間實(shí)現(xiàn)頭顯設(shè)備和操控手柄的定位，支架起支撐定位器的作用，在定位器掃描的范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確定位頭顯設(shè)備和操控手柄的位置。硬件結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

4? 平臺(tái)應(yīng)用效果

4.1? 初始界面效果

人與系統(tǒng)進(jìn)行交互的方式主要是通過頭顯設(shè)備中界面提示和控制手柄操作，以及PC桌面控制端的操作進(jìn)行。在本培訓(xùn)系統(tǒng)中以圖形、菜單和圖標(biāo)等形象的界面來表達(dá)相關(guān)信息，界面直觀性強(qiáng)，用戶通過手柄等來完成操作。具體災(zāi)害場(chǎng)景引入界面如圖7所示。