虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用-21819815

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用王德永 仵自連 杜衛(wèi)新（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南省平頂山市467001）摘要：本文從煤炭安全生產(chǎn)形勢(shì)和傳統(tǒng)培訓(xùn)教學(xué)方式存在缺陷入手，引入了虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用研究的重大意義。并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工具選擇，并對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行的描述，介紹了利用3DS Max、Maya進(jìn)行三維模型建模、貼圖和渲染，利用Virtools DEV進(jìn)行交互設(shè)計(jì)和整合，在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)了一個(gè)較為完整的礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)，給大家提供了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件實(shí)現(xiàn)的較為簡(jiǎn)便的方法。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 礦井仿真 煤礦安全培訓(xùn) Virtool

2、s The Application of Virtual Reality Technology in Mine Production Simulation System Wang Deyong    Wu Zilian   Du Weixin     (Pingdingshan Industrial College of technology Pingdingshan Henan   467001)Abstract: This paper, beginni

3、ng with the situation of safety production in coal mine and the flaws in traditional training and teaching methods, discusses the great significance of the application of virtual reality technology in mine production simulation system. And, combining with the actual project, carries on the syst

4、ematical design, chooses the developing tools of mine production simulation system, describes the technology concerned, and introduces the technology of making three-dimensional models, pasting charts and applying colors to drawings through 3DS Max, Maya, and making interactive designs and conformit

5、y with Virtools DEV. And it finally develops a relatively complete simulation system of mine production in a short time, and provides a simpler method for the fulfillment of virtual reality simulation software. Key words: virtual reality, mine simulation, coal mine safety training, Virtools

6、0; 1、 引言煤礦生產(chǎn)是在復(fù)雜的自然條件下從事煤炭開(kāi)采，五大自然災(zāi)害時(shí)刻威脅著煤礦的安危。煤礦災(zāi)害事故還不能得到有效的控制，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。事故發(fā)生原因有煤礦生產(chǎn)自然條件和人的安全意識(shí)行為兩個(gè)方面的原因，但主要根源在于職工的安全意識(shí)淡漠和安全技能素質(zhì)低下。面對(duì)嚴(yán)峻的煤礦安全形勢(shì)（已引起黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視），目前急需加大科技投入，改變煤礦的不安全狀況。要按照國(guó)家有關(guān)法律法規(guī)對(duì)職工的生產(chǎn)行為進(jìn)行規(guī)范，加強(qiáng)煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)工作，強(qiáng)化職工安全意識(shí)。礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，主要是為提高職工安全培訓(xùn)效果，是整個(gè)學(xué)習(xí)培訓(xùn)過(guò)程更加生動(dòng)有效。目前我國(guó)煤礦行業(yè)安全培訓(xùn)模式和培訓(xùn)手段仍然處

7、于落后狀態(tài)，沒(méi)能跟上科技進(jìn)步的步伐。培訓(xùn)手段是決定教學(xué)效果的重要因素，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式存在的缺陷：課堂理論教學(xué)：內(nèi)容抽象、枯燥、理論與現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)、培訓(xùn)效果差；實(shí)驗(yàn)教學(xué)(主要指模型教學(xué))：成本高.教學(xué)效果不明顯.不易于煤礦企業(yè)自行開(kāi)展周期性的培訓(xùn)工作；電化教學(xué)：缺乏雙向交流.教學(xué)手段單一，教學(xué)效果一般，很多場(chǎng)面無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支。它生成的視覺(jué)環(huán)境是立體的、音效是立體的，人機(jī)交互是和諧友好的。它能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)社會(huì)類(lèi)似的環(huán)境，從而能夠解決學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性的要求，在

8、教育領(lǐng)域內(nèi)有著極其巨大的應(yīng)用前景，可以預(yù)言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)。使用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)構(gòu)建礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)能極大地提高安全培訓(xùn)的成效，意義重大。2、 礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和具體內(nèi)容根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和教學(xué)培訓(xùn)的需要，我們對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立了煤礦生產(chǎn)（采煤、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水）仿真仿真系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。礦井安全火災(zāi)避災(zāi)水災(zāi)避災(zāi)反風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備展示通風(fēng)系統(tǒng)采煤機(jī)液壓支架生產(chǎn)系統(tǒng)綜采工作面運(yùn)煤系統(tǒng)排水系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)礦井漫游入井井底車(chē)場(chǎng)大巷上下山移動(dòng)變電站圖1 煤礦礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

9、圖(Figure 1 Software architecture for the Mine Production Simulation System)我們對(duì)煤礦井下各種機(jī)電設(shè)備、巷道、采煤工作面以及虛擬礦工進(jìn)行三維建模，利用鍵盤(pán)控制虛擬礦工進(jìn)行行走，從地面入井開(kāi)始，坐罐籠下井，進(jìn)入井底車(chē)場(chǎng)，對(duì)井底車(chē)場(chǎng)中中央泵房和中央變電所進(jìn)行逼真模擬，虛擬人物可以在井底車(chē)場(chǎng)漫游，看到各種設(shè)備和設(shè)施。同樣的反方法對(duì)大巷、上下山、機(jī)巷、風(fēng)巷和綜采工作面進(jìn)行漫游，特別是在綜采工作面，對(duì)采煤過(guò)程進(jìn)行仿真，按照采煤工藝要求，虛擬礦工可以操縱采煤機(jī)進(jìn)行滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)、采煤機(jī)移動(dòng)和采煤機(jī)搖臂反轉(zhuǎn)，看到采煤機(jī)割煤、落煤和刮板輸送機(jī)

10、運(yùn)煤的逼真場(chǎng)面。對(duì)于綜采工作面的支護(hù)也進(jìn)行了仿真，操作者可以操縱綜采工作面的液壓支架完成降架、移架、升架和推溜的整個(gè)操作過(guò)程。進(jìn)入每個(gè)場(chǎng)景，還加有語(yǔ)音介紹和安全提示。除了上述功能之外，我們考慮到教學(xué)需要，對(duì)通風(fēng)路線，排水路線、運(yùn)煤路線和各種災(zāi)害逃生路線也進(jìn)行了模擬仿真。整個(gè)系統(tǒng)是基于b/s結(jié)構(gòu)，利用瀏覽器打開(kāi)運(yùn)行，但瀏覽器要安裝相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)播放插件。3、礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法要實(shí)現(xiàn)一個(gè)逼真的三維礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)，首先需要對(duì)礦井中用到的設(shè)備、設(shè)施及場(chǎng)景、人物角色等進(jìn)行三維建模，要想使得模型逼真程度較高，就要對(duì)建立的三維模型進(jìn)行貼圖和渲染；為了完成交互動(dòng)作和實(shí)時(shí)渲染，以及仿真系統(tǒng)的整合，要進(jìn)行

11、交互設(shè)計(jì)。3.1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案選擇目前，在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，普遍采用的技術(shù)方案有三維建模、模型渲染、交互動(dòng)作設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整合幾個(gè)關(guān)鍵步驟。三維建模選用的開(kāi)發(fā)工具有3DS Max、Maya、VRML語(yǔ)言等，渲染模型主要是通過(guò)以上工具給模型加入貼圖以及燈光光線，來(lái)增加模型的逼真程度，交互動(dòng)作設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整合采用的有VC+編程調(diào)用OpenGL、DirectX等進(jìn)行，或者采用VRML語(yǔ)言直接開(kāi)發(fā)，也可以用利用開(kāi)發(fā)工具引擎來(lái)進(jìn)行，實(shí)際這些引擎也是利用上面語(yǔ)言編寫(xiě)而成，只是我們直接可以利用已經(jīng)編好的存入開(kāi)發(fā)引擎中的類(lèi)，不用我們從頭開(kāi)始編寫(xiě)，這些工具有Vega、Virtools 等，我們經(jīng)過(guò)認(rèn)真的技術(shù)分析采用3D

12、S Max、Maya 進(jìn)行建模和渲染，利用Virtools進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染、交互動(dòng)作設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整合。3.2 Virtools DEV開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介Virtools Dev是一套整合軟件，它是由法國(guó)Virtools公司開(kāi)發(fā)，可以將現(xiàn)有常用的文件格式整合在一起，如3D模型、2D圖形或是聲音文件。Virtools Dev不是3D引擎，它是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)編輯軟件，可以制作不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)站、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體課件、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視節(jié)目、教育訓(xùn)練、仿真和產(chǎn)品展示等。Virtools Dev除了具有編輯制作的界面外，也包含了SDK，可以供程序設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)新的功能、新

13、的硬件驅(qū)動(dòng)程序或是將內(nèi)容編譯成執(zhí)行文件。Virtools Dev最大的特色就是它的“互動(dòng)行為模塊”（Behavior Building Block），它可以象堆積木一樣，利用鼠標(biāo)拖放方式將互動(dòng)行為模塊賦予在適當(dāng)?shù)膶?duì)象和角色上，以流程圖的方式?jīng)Q定行為模塊的處理順序，逐漸編輯合成一個(gè)完整的交互式虛擬世界。Virtools Dev擁有超過(guò)500個(gè)以上的可供使用，經(jīng)由編輯后的互動(dòng)模塊群可以組合成一個(gè)新的單一互動(dòng)模塊以方便重復(fù)使用。3.3 開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題主要討論一下開(kāi)發(fā)工具對(duì)模型的要求、模型轉(zhuǎn)換，并以幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為例，說(shuō)明一下交互的設(shè)計(jì)過(guò)程。在模型制作技巧方面，需要注意盡量減少面數(shù)，貼圖精

14、細(xì)度的分配也應(yīng)該照面數(shù)控制的原則來(lái)分配，又大又經(jīng)?？吹降膶?duì)象就應(yīng)貼較細(xì)致的貼圖，又小、出現(xiàn)時(shí)間又不長(zhǎng)的角色貼圖只要看來(lái)不失真就可以了，但最高原則就是要維持畫(huà)面的統(tǒng)一性，也就是每個(gè)對(duì)象從畫(huà)面上看起來(lái)都能維持相同的畫(huà)質(zhì)，所以在面數(shù)與貼圖的控制是需要相當(dāng)?shù)募记膳c經(jīng)驗(yàn)的。3.4 開(kāi)發(fā)成果展示圖2漫游者在中央變電所漫游(Figure 2 The worker roams in the center transformer substation)圖3 綜采工作面場(chǎng)景(Figure 3 the scene of Fully Mechanized Coalface)3、 結(jié)束語(yǔ)我們利用3DS Max、Maya進(jìn)行三維模型建模、貼圖和渲染，利用Virtools DEV進(jìn)行交互設(shè)計(jì)和整合，在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)了一個(gè)較為完整的礦井生產(chǎn)仿真系統(tǒng)，給大家提供了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件實(shí)現(xiàn)的較為簡(jiǎn)便的方法，對(duì)開(kāi)發(fā)人員編程要求相對(duì)較低，適用于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員使用。參考文獻(xiàn)：1 史先燾 . 虛擬仿真技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用. 中國(guó)礦業(yè). 2005. 9 ,14(9）. 79-80.2 李敏 陳威兵. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的影響. 教育技術(shù)研究. 2003.33 4 Virtools公司