虚拟现实技术在矿井生产仿真系统中的应用-21819815

虚拟现实技术在矿井生产仿真系统中的应用王德永仵自连杜卫新（平顶山工业职业技术学院河南省平顶山市467001）摘要：本文从煤炭安全生产形势和传统培训教学方式存在缺陷入手，引入了虚拟现实仿真技术在矿井生产仿真系统中的应用研究的重大意义。并结合实际项目对矿井生产仿真系统进行总体设计、开发工具选择，并对具体的实现技术进行的描述，介绍了利用3DSMax、Maya进行三维模型建模、贴图和渲染，利用VirtoolsDEV进行交互设计和整合，在较短时间内开发了一个较为完整的矿井生产仿真系统，给大家提供了一个虚拟现实仿真软件实现的较为简便的方法。关键词：虚拟现实矿井仿真煤矿安全培训VirtoolsTheApplicationofVirtualRealityTechnologyinMineProductionSimulationSystemWangDeyongWuZilianDuWeixin(PingdingshanIndustrialCollegeoftechnologyPingdingshanHenan467001)Abstract:Thispaper,beginningwiththesituationofsafetyproductionincoalmineandtheflawsintraditionaltrainingandteachingmethods,discussesthegreatsignificanceoftheapplicationofvirtualrealitytechnologyinmineproductionsimulationsystem.And,combiningwiththeactualproject,carriesonthesystematicaldesign,choosesthedevelopingtoolsofmineproductionsimulationsystem,describesthetechnologyconcerned,andintroducesthetechnologyofmakingthree-dimensionalmodels,pastingchartsandapplyingcolorstodrawingsthrough3DSMax,Maya,andmakinginteractivedesignsandconformitywithVirtoolsDEV.Anditfinallydevelopsarelativelycompletesimulationsystemofmineproductioninashorttime,andprovidesasimplermethodforthefulfillmentofvirtualrealitysimulationsoftware.Keywords:virtualreality,minesimulation,coalminesafetytraining,Virtools1、引言煤矿生产是在复杂的自然条件下从事煤炭开采，五大自然灾害时刻威胁着煤矿的安危。煤矿灾害事故还不能得到有效的控制，给国家和人民的生命财产造成巨大损失。事故发生原因有煤矿生产自然条件和人的安全意识行为两个方面的原因，但主要根源在于职工的安全意识淡漠和安全技能素质低下。面对严峻的煤矿安全形势（已引起党和国家领导人的高度重视），目前急需加大科技投入，改变煤矿的不安全状况。要按照国家有关法律法规对职工的生产行为进行规范，加强煤矿安全技术培训工作，强化职工安全意识。矿井生产仿真系统开发，主要是为提高职工安全培训效果，是整个学习培训过程更加生动有效。目前我国煤矿行业安全培训模式和培训手段仍然处于落后状态，没能跟上科技进步的步伐。培训手段是决定教学效果的重要因素，传统的培训方式存在的缺陷：课堂理论教学：内容抽象、枯燥、理论与现场脱节、培训效果差；实验教学(主要指模型教学)：成本高.教学效果不明显.不易于煤矿企业自行开展周期性的培训工作；电化教学：缺乏双向交流.教学手段单一，教学效果一般，很多场面无法真正实现。虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的。它能够创建与现实社会类似的环境，从而能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求，在教育领域内有着极其巨大的应用前景，可以预言，虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的“明星”技术。使用计算机虚拟现实仿真技术构建矿井生产仿真系统能极大地提高安全培训的成效，意义重大。2、矿井生产仿真系统总体设计和具体内容根据生产实际和教学培训的需要，我们对矿井生产系统进行认真分析，结合虚拟现实技术，建立了煤矿生产（采煤、运输、通风、排水）仿真仿真系统，其结构图如下图所示。图1煤矿矿井生产仿真系统总体结构图(Figure1SoftwarearchitecturefortheMineProductionSimulationSystem)我们对煤矿井下各种机电设备、巷道、采煤工作面以及虚拟矿工进行三维建模，利用键盘控制虚拟矿工进行行走，从地面入井开始，坐罐笼下井，进入井底车场，对井底车场中中央泵房和中央变电所进行逼真模拟，虚拟人物可以在井底车场漫游，看到各种设备和设施。同样的反方法对大巷、上下山、机巷、风巷和综采工作面进行漫游，特别是在综采工作面，对采煤过程进行仿真，按照采煤工艺要求，虚拟矿工可以操纵采煤机进行滚筒转动、采煤机移动和采煤机摇臂反转，看到采煤机割煤、落煤和刮板输送机运煤的逼真场面。对于综采工作面的支护也进行了仿真，操作者可以操纵综采工作面的液压支架完成降架、移架、升架和推溜的整个操作过程。进入每个场景，还加有语音介绍和安全提示。除了上述功能之外，我们考虑到教学需要，对通风路线，排水路线、运煤路线和各种灾害逃生路线也进行了模拟仿真。整个系统是基于b/s结构，利用浏览器打开运行，但浏览器要安装相应的虚拟现实播放插件。3、矿井生产仿真系统实现方法要实现一个逼真的三维矿井生产仿真系统，首先需要对矿井中用到的设备、设施及场景、人物角色等进行三维建模，要想使得模型逼真程度较高，就要对建立的三维模型进行贴图和矿井安全火灾避灾水灾避灾反风系统设备展示通风系统采煤机液压支架生产系统综采工作面运煤系统排水系统动力系统矿井生产仿真系统矿井漫游入井井底车场大巷上下山移动变电站渲染；为了完成交互动作和实时渲染，以及仿真系统的整合，要进行交互设计。3.1实现技术方案选择目前，在仿真系统设计中，普遍采用的技术方案有三维建模、模型渲染、交互动作设计和系统整合几个关键步骤。三维建模选用的开发工具有3DSMax、Maya、VRML语言等，渲染模型主要是通过以上工具给模型加入贴图以及灯光光线，来增加模型的逼真程度，交互动作设计和系统整合采用的有VC++编程调用OpenGL、DirectX等进行，或者采用VRML语言直接开发，也可以用利用开发工具引擎来进行，实际这些引擎也是利用上面语言编写而成，只是我们直接可以利用已经编好的存入开发引擎中的类，不用我们从头开始编写，这些工具有Vega、Virtools等，我们经过认真的技术分析采用3DSMax、Maya进行建模和渲染，利用Virtools进行实时渲染、交互动作设计和系统整合。3.2VirtoolsDEV开发工具简介VirtoolsDev是一套整合软件，它是由法国Virtools公司开发，可以将现有常用的文件格式整合在一起，如3D模型、2D图形或是声音文件。VirtoolsDev不是3D引擎，它是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟现实编辑软件，可以制作不同用途的3D产品，如网站、计算机游戏、多媒体课件、建筑设计、交互式电视节目、教育训练、仿真和产品展示等。VirtoolsDev除了具有编辑制作的界面外，也包含了SDK，可以供程序设计人员开发新的功能、新的硬件驱动程序或是将内容编译成执行文件。VirtoolsDev最大的特色就是它的“互动行为模块”（BehaviorBuildingBlock），它可以象堆积木一样，利用鼠标拖放方式将互动行为模块赋予在适当的对象和角色上，以流程图的方式决定行为模块的处理顺序，逐渐编辑合成一个完整的交互式虚拟世界。VirtoolsDev拥有超过500个以上的可供使用，经由编辑后的互动模块群可以组合成一个新的单一互动模块以方便重复使用。3.3开发过程中需要注意的几个问题主要讨论一下开发工具对模型的要求、模型转换，并以几个关键技术为例，说明一下交互的设计过程。在模型制作技巧方面，需要注意尽量减少面数，贴图精细度的分配也应该照面数控制的原则来分配，又大又经常看到的对象就应贴较细致的贴图，又小、出现时间又不长的角色贴图只要看来不失真就可以了，但最高原则就是要维持画面的统一性，也就是每个对象从画面上看起来都能维持相同的画质，所以在面数与贴图的控制是需要相当的技巧与经验的。3.4开发成果展示图2漫游者在中央变电所漫游(Figure2Theworkerroamsinthecentertransformersubstation)图3综采工作面场景(Figure3thesceneofFullyMechanizedCoalface)3、结束语我们利用3DSMax、Maya进行三维模型建模、贴图和渲染，利用VirtoolsDEV进行交互设计和整合，在较短时间内开发了一个较为完整的矿井生产仿真系统，给大家提供了一个虚拟现实仿真软件实现的较为简便的方法，对开发人员编程要求相对较低，适用于现场技术人员使用。参考文献：[1]史先焘.虚拟仿真技术在煤矿安全培训中的应用.中国矿业.2005.9,14(9）.79-80.[2]李敏陈威兵.虚拟现实技术对传统教学的影响.《教育技术研究》.2003.3[3][4]Virtools公司Virtools软件用户培训手册[5]刘明昆，三维游戏设计师宝典—Virtools开发工具篇，四川出版集团，2005.5[6]田雷，中文3DMAX6.0室内装潢效果图经典制作，西北工业大学音像电子出版[7]刘舫，三维动画篇3dsmax6，电子工业出版社，2004.8（作者简介：王德永（1969.6-？），男，汉族，副教授，高级程序员，西安电子科技大学硕士研究生，平顶山工业职业技术学院计算机系教师，主要研究方向计算机虚拟现实仿真、网络规划、设计、管理和网络编程。）