基于3dmax的綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

基于3dmax的綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

0應(yīng)用于礦能、地質(zhì)及方向的三維仿真及技術(shù)特點(diǎn)隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件水平的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)顯示技術(shù)越來(lái)越被應(yīng)用于礦業(yè)工程、土木工程、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。例如，美國(guó)autolv12基于美國(guó)全面實(shí)施的網(wǎng)格設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)方法。此外，它還具有強(qiáng)大的網(wǎng)格圖紙功能，并具有人機(jī)交互和腳本命令等多重操作的優(yōu)勢(shì)，因此已在多個(gè)行業(yè)應(yīng)用。然而，由于他主要從事平面圖紙等二維設(shè)計(jì)，他無(wú)法滿足大多數(shù)用戶的視覺(jué)需求。三維可視化虛擬仿真［3－4］技術(shù)是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)水平快速發(fā)展而崛起的另一種圖形學(xué)仿真技術(shù),因其具有逼真的視覺(jué)效果與良好的用戶交互體驗(yàn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)景仿真、游戲制作等多個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)三維可視化虛擬仿真技術(shù)在礦業(yè)工程方向的研究,國(guó)外學(xué)者S.W.Houlding［5］首先提出了三維地質(zhì)建模的概念,實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的合理規(guī)劃,延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限。在國(guó)內(nèi),許多學(xué)者結(jié)合三維可視化技術(shù),在自己的研究領(lǐng)域進(jìn)行了較深入的研究并取得了理想的研究成果,例如:馮興隆等［6］通過(guò)利用三維模擬技術(shù)對(duì)礦巖的可崩性進(jìn)行了分析,為金川Ⅲ礦礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)采提供了參考;徐衛(wèi)亞等［7］采用X3D三維可視化技術(shù)對(duì)高邊坡復(fù)雜巖質(zhì)的情況進(jìn)行了模擬,為邊坡工程復(fù)雜幾何體的三維展示提供了數(shù)據(jù)支持;胡建明［8］結(jié)合三維可視化技術(shù)在礦業(yè)工程方向的研究現(xiàn)狀,提出了三維礦山數(shù)字化軟件在未來(lái)礦山應(yīng)用上的發(fā)展前景;蔡武等［9］利用Autodesk公司生產(chǎn)的3DMAX三維制作軟件,對(duì)礦井生產(chǎn)工作面進(jìn)行的虛擬展示。但以往三維可視化技術(shù)在礦業(yè)系統(tǒng)工程中的應(yīng)用,由于只采用的單一的模型創(chuàng)建與整合方式,缺乏逼真的視覺(jué)效果與良好的用戶體驗(yàn),難以對(duì)井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真以。本文針對(duì)以上問(wèn)題:首先利用3DMAX內(nèi)置的強(qiáng)大建模工具對(duì)礦區(qū)地形、地質(zhì)以及綜采工作面的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行三維實(shí)體模型的創(chuàng)建,并賦予貼圖及骨骼;然后,利用Con-verse3D虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件對(duì)模型進(jìn)行整合,并對(duì)系統(tǒng)的界面UI與交互操作進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬仿真。1礦區(qū)地形和地質(zhì)1.1第四系第二水平高標(biāo)準(zhǔn)-71m處的煤巖資源量淮南礦區(qū)位于安徽省北部淮河流域兩岸,其區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬華北板塊,礦區(qū)煤田分布為近東西走向,南北兩側(cè)為對(duì)沖瓦扇形結(jié)構(gòu),1622綜采工作面位于該礦第二水平標(biāo)高-810m處,共有13-1、13-2、13-3三組煤層,其中13-1煤層為采高1.3-5.0m的亮煤、鏡煤,煤層內(nèi)部十五東1孔到十五東21孔之間有一層厚度約0.1-0.4m的炭質(zhì)泥巖夾矸,13-2、13-3兩組煤位于13-1組煤層上部,且均厚均未超過(guò)1.0m,為不可采薄煤層,在13-1組煤層正常采煤推進(jìn)過(guò)程中,作為直接頂處理,該工作面的具體地質(zhì)參數(shù)如表1所示。1.2地形與地質(zhì)構(gòu)造1.2.1建立數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)與以往用等高線表示礦區(qū)地形、地貌不同,三維可視化地形模型能夠直觀、清晰的表現(xiàn)出礦區(qū)的地形、地貌等特點(diǎn)。在礦區(qū)地形模型的創(chuàng)建過(guò)程中,首先將礦區(qū)的地形等高線圖設(shè)置為三維模型制作軟件3DMAX頂視圖的“視口背景”,并勾選縱橫比為“匹配位圖”,然后選用創(chuàng)建圖形下的“創(chuàng)建線”工具,依次繪制出地形的等高線。接著,利用工具欄中的“選擇并移動(dòng)”工具,依次拾取創(chuàng)建出來(lái)的地形等高線,按等高線中的海拔數(shù)值,等比例的調(diào)節(jié)它們世界坐標(biāo)z軸的偏移值。然后,利用創(chuàng)建復(fù)合對(duì)象下的“地形”創(chuàng)建工具,從下向上依次拾取等高線,創(chuàng)建地形模型,并將模型的顯示類型設(shè)置為“分級(jí)實(shí)體”,得到礦區(qū)地形三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2.2可采煤層頂?shù)装宸謱咏Y(jié)構(gòu)在地質(zhì)的三維實(shí)體模型創(chuàng)建中,為了便于觀察學(xué)習(xí)與節(jié)省系統(tǒng)資源,用一個(gè)長(zhǎng)方體代替地質(zhì)的立體剖面結(jié)構(gòu),并設(shè)置長(zhǎng)方體的長(zhǎng)、寬、高數(shù)值分別為:800×800×1000mm,高度分段數(shù)為8;同時(shí),為了形象的表示出13-1組可采煤層的頂?shù)装宸謱咏Y(jié)構(gòu),為該長(zhǎng)方體賦予材質(zhì),并將材質(zhì)的參數(shù)類型設(shè)置為“多維/子對(duì)象”,材質(zhì)的數(shù)量為5。選中長(zhǎng)方體,為其添加一“可編輯多邊形”修改器,單擊“可編輯多邊形”下的“多邊形”子對(duì)象,通過(guò)分別選取代表不同地質(zhì)層組的多邊形,對(duì)三維地質(zhì)實(shí)體模型賦予不同的子材質(zhì),渲染輸出礦區(qū)地形、地質(zhì)三維實(shí)體模型如圖2所示。2選擇和準(zhǔn)備機(jī)械零件2.1日生產(chǎn)能力采煤料根據(jù)潘三礦1622工作面的設(shè)計(jì)資料顯示,該綜工作面采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法采煤,采煤機(jī)選用往返進(jìn)兩刀的雙向割煤工藝進(jìn)行采煤,同時(shí)該機(jī)采面原煤的日生產(chǎn)能力應(yīng)滿足公式［10］:式中:L-工作面長(zhǎng)度;M-煤層采高;B-采煤機(jī)截深;γ-原煤密度;K-綜采面日開(kāi)機(jī)率;T-每日時(shí)間;td-采煤機(jī)往返割煤所用時(shí)間。根據(jù)以上數(shù)據(jù)確定,1622綜采工作面采用截深0.6m,采高1.3-3.0m,型號(hào)為:MG132/320-W的采煤機(jī)進(jìn)行采煤。2.1.2創(chuàng)建相應(yīng)組件模型在采煤機(jī)三維實(shí)體模型的制作過(guò)程中,為了減少模型占用的系統(tǒng)內(nèi)存資源,提高其渲染刷新速度,分別對(duì)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制箱及電動(dòng)機(jī)等組成部采用簡(jiǎn)單幾何體來(lái)代替,并結(jié)合“復(fù)合對(duì)象”下的“布爾”運(yùn)算完成相應(yīng)組件模型的創(chuàng)建。在對(duì)采煤機(jī)截割部分的制作過(guò)程中,為了真實(shí)形象的表達(dá)出這一部分的模型結(jié)構(gòu),首先在“頂視圖”中,用創(chuàng)建“螺旋線”工具,創(chuàng)建出一條“順時(shí)針”旋轉(zhuǎn)的螺旋線,并設(shè)置半徑1、2均為1400mm,高度600mm,圈數(shù)為2。選中剛創(chuàng)建出的“螺旋線”,利用創(chuàng)建復(fù)合對(duì)象下的“放樣”工具,拾取“滾筒”螺紋的剖面結(jié)構(gòu)作為放樣圖案制作截割部的滾筒結(jié)構(gòu),并調(diào)節(jié)“x軸”的扭曲值為-90,完成采煤機(jī)截割部位的創(chuàng)建,最后,調(diào)節(jié)采煤機(jī)的各個(gè)組成部件到合適的位置,賦予材質(zhì)、貼圖,渲染輸出結(jié)果如圖3所示。2.2液壓支架的高度由1622綜采工作面的地質(zhì)資料顯示,13-1組可采煤層厚度2m以下占6.32%;2.0-2.5m占22.31%;2.5-3.0m占33.42%;3.0-3.5m占25.26%;3.5-4.0m占8.28%;4m以上占4.43%。綜上數(shù)據(jù)分析,當(dāng)采高定位1.8-3.4m之間時(shí)可滿足一次采全高的設(shè)計(jì)要求,同時(shí),液壓支架的高度選取應(yīng)滿足以下公式:式中:H-采煤機(jī)機(jī)面高度;C-采煤機(jī)機(jī)身厚度;D-滾筒直徑;La-采煤搖臂長(zhǎng)度;am-搖臂向上的最大擺角;S1,S2-分別為前后柱處頂板最大下沉量;h1-支架支撐高度富裕量;h2-支柱伸縮余量。根據(jù)以上公式計(jì)算確定,選用支撐高度范圍為1.7-3.5m的ZY4000/17/35型液壓支架支護(hù)頂板。2.2.2液壓支架三維建模及骨折系統(tǒng)的創(chuàng)建在液壓支架三維模型的創(chuàng)建過(guò)程中,為了真實(shí)形象的表達(dá)出液壓支架的結(jié)構(gòu)與工作原理,結(jié)合采煤機(jī)三維模型的創(chuàng)建方法,分別對(duì)液壓支架的底座、推移裝置、掩護(hù)梁、支柱等各個(gè)組成部件單獨(dú)建模,然后調(diào)節(jié)各個(gè)組件模型到相應(yīng)的位置,完成液壓支架三維實(shí)體模型的創(chuàng)建。同時(shí),為了能夠形象的表現(xiàn)出液壓支架前梁可彎曲、收縮等特點(diǎn),在“系統(tǒng)”面板下,為液壓支架添加一骨骼系統(tǒng)“Bone01”,并調(diào)節(jié)骨骼的位置與液壓支架前梁重合。緊接著為液壓支架賦予材質(zhì)、貼圖,渲染輸出如圖4所示。2.3基于三維建模技術(shù)的采煤機(jī)與液壓支架的建模當(dāng)1622綜采工作面采煤機(jī)與液壓支架的型號(hào)確定以后,在滿足礦井核定生產(chǎn)能力的情況下,確定該工作面選用SGB620/80T型刮板輸送機(jī)與SZD730/90型轉(zhuǎn)載機(jī)作為工作面煤炭的裝運(yùn)設(shè)備。結(jié)合上面采煤機(jī)和液壓支架的建模技術(shù),分別對(duì)兩者進(jìn)行三維實(shí)體模型的創(chuàng)建如圖5、圖6所示。最后,依據(jù)1622綜采工作面的生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)圖紙,將采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等綜采工作面三維模型調(diào)整到合適的位置,并添加攝像機(jī)、燈光等工作場(chǎng)景輔助設(shè)備,渲染輸出綜采工作面的生產(chǎn)環(huán)境如圖7所示。3虛擬技術(shù)及其應(yīng)用由于煤礦企業(yè)的工作生產(chǎn)環(huán)境多集中于數(shù)百米深的地下,存在地質(zhì)情況難以探明、瓦斯突出、頂板冒落、突水等一系列影響安全生產(chǎn)的因素存在。為了改善這些缺點(diǎn),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［11－12］應(yīng)運(yùn)而生;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),集三維立體空間顯示、語(yǔ)音、交互等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身,能夠逼真的將井下復(fù)雜的工作環(huán)境呈現(xiàn)在學(xué)員面前,進(jìn)而調(diào)動(dòng)了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情,縮短了從事安全生產(chǎn)培訓(xùn)所需要的時(shí)間。3.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)首先,利用Converse3D虛擬仿真系統(tǒng)合成軟件在指定的文件路徑下新建一個(gè)工作場(chǎng)景,系統(tǒng)在指定的文件路徑下自動(dòng)生成一系列的虛擬仿真系統(tǒng)所需的文件及文件夾;然后,在3DMAX中打開(kāi)上面所創(chuàng)建的綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境,點(diǎn)擊“渲染”菜單欄下的“渲染到紋理”工具,將工作場(chǎng)景的渲染路徑指定到虛擬仿真系統(tǒng)項(xiàng)目下的“Texture”文件夾內(nèi),并設(shè)置輸出模型的“紋理元素”為“LightingMap”、目標(biāo)貼圖位置為“SpecularColor”,其他詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如圖8所示,烘焙貼圖;待烘焙完成以后,選中工作面場(chǎng)景模型,將模型的導(dǎo)出路徑指定在虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目下的“Model”文件夾內(nèi),導(dǎo)出綜采工作面的場(chǎng)景模型。3.2界面ui與用戶交互作為一個(gè)應(yīng)用于煤礦類企業(yè)與高校培訓(xùn)的綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng),界面UI與系統(tǒng)交互的設(shè)計(jì)不僅能滿足與用戶與系統(tǒng)之間的交互,更關(guān)系到整個(gè)軟件產(chǎn)品的成敗。在設(shè)計(jì)“綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng)”的界面UI與用戶交互時(shí),首先,打開(kāi)虛擬現(xiàn)實(shí)合成軟件Converse3D,利用工具面板下的“UI設(shè)計(jì)”工具,將經(jīng)過(guò)Photoshop圖像處理軟件處理過(guò)的導(dǎo)航條、按鈕、進(jìn)度條等依次導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之中,并調(diào)整大小到合適的位置;緊接著,打開(kāi)“GUI腳本編輯器”(如圖9所示)為按鈕等添加交互命令,完成系統(tǒng)的設(shè)置。3.3場(chǎng)景打包方式在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件合成的過(guò)程中,Con-verse3D虛擬現(xiàn)實(shí)合成軟件,為用戶提供了“動(dòng)態(tài)加載”和“靜態(tài)加載”兩種場(chǎng)景打包方式,這兩種場(chǎng)景打包方式均導(dǎo)出供生成“可執(zhí)行文件”和“發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)所用的*.c3d數(shù)據(jù)包。當(dāng)對(duì)“綜采工作面虛擬生產(chǎn)仿真系統(tǒng)”的場(chǎng)景打包時(shí),考慮到工作面不僅有地形、地質(zhì)等三維實(shí)體模型,更有采煤機(jī)、液壓支架等精細(xì)機(jī)械設(shè)備,所以在對(duì)綜采工作面三維場(chǎng)景導(dǎo)出的過(guò)程中,我們選用了便于快速預(yù)覽場(chǎng)景的“動(dòng)態(tài)加載”方式并設(shè)置詳細(xì)參數(shù),如圖10所示,導(dǎo)出工作面場(chǎng)景模型。3.4虛擬制作軟件比較為了驗(yàn)證本虛擬仿真系統(tǒng)的兼容性,本文將開(kāi)發(fā)綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng)所采用的虛擬現(xiàn)實(shí)合成軟件Converse3D與法國(guó)VIRTOOL公司推出的較成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)合成軟件VirtoolsDev2.1［13］進(jìn)行對(duì)比,比較結(jié)果如表2所示。通過(guò)兩種軟件的對(duì)比數(shù)據(jù)顯示,虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件Converse3D與Virtools的相似率為71.4%,結(jié)果顯示:本系統(tǒng)可以在兩種虛擬現(xiàn)實(shí)合成軟件之間實(shí)現(xiàn)良好的過(guò)渡。同時(shí),本系統(tǒng)還可以通過(guò)“.NET”互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與“*.exe”可執(zhí)行文件兩種不同的形式發(fā)布,兼容性較高。4綜采工作面生產(chǎn)仿真系統(tǒng)在社會(huì)運(yùn)行中的應(yīng)用結(jié)論基于三維可視化與虛擬仿真技術(shù)的綜采工作面虛擬仿真系統(tǒng),在總結(jié)三維可視化技術(shù)在煤礦類企業(yè)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合3DMAX的三維建模與Con-verse3D的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)合成技術(shù)對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦1622綜采工作面進(jìn)行了綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)仿真,通過(guò)對(duì)綜采工作面生產(chǎn)仿真系統(tǒng)在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦的應(yīng)用數(shù)據(jù)分析,得到以下結(jié)論:(1)較傳統(tǒng)安全生產(chǎn)培訓(xùn)而言,基于三維可視化與虛擬仿真技術(shù)的綜合工作面虛擬仿真系統(tǒng),因其形象、真實(shí)、交互等特點(diǎn),平均節(jié)省培訓(xùn)時(shí)間高達(dá)50%