摘 要: 以礦工安全生產、安全技能培訓和提高礦井效益為主要目的，論述使用計算機虛擬現實技術構建煤礦安全培訓教育系統(tǒng)的重要性，并簡述了虛擬現實的關鍵技術。用3D MAX 進行建模、貼圖和渲染，Virtools DEV工具開發(fā)交互式煤礦安全培訓教育系統(tǒng)。通過聲音、文字說明、圖像、三維漫游等形式，展現煤礦生產過程中的不安全行為造成的后果。該系統(tǒng)已投入使用，極大提高煤礦安全培訓的質量，取得良好的培訓效果。

隨著對煤礦安全生產工作重要性的認識不斷提高，抓好煤礦安全生產，推進本質安全型礦井顯得尤為重要。有關資料分析，人的不安全行為是導致事故發(fā)生的最主要的原因，由于井下工人安全意識不高，不良安全習慣是導致一切事故的共性原因[1]。

為此，系統(tǒng)從培訓教育服務入手，運用3D 仿真技術，匯集采礦工程、安全科學與技術、虛擬現實技術、現代仿真技術、計算機科學、三維造型技術、可視化技術等，建立煤礦的生產操作虛擬環(huán)境，將不可見的地下的一些安全行為操作和一些不安全行為操作及其造成后果展現出來，即以虛擬現實形式形象、直觀地表現出來，在安全教育方面發(fā)揮獨特的作用。

1 傳統(tǒng)煤礦安全培訓教育

1.1 傳統(tǒng)煤礦安全培訓教育分析

(1) 培訓內容以學習規(guī)章制度為主，內容枯燥，形式呆板。導致培訓效果不理想。

(2) 培訓信息資源嚴重匱乏且質量低下，大部分是些文字資料，枯燥無味。多媒體課件所具有的聲音、圖像、動畫和人機對話特點得不到體現。

(3) 實驗教學(主要指模型教學)成本高、教學效果不明顯、不易于煤礦企業(yè)自行開展周期性的培訓工作。電化教學:缺乏雙向交流,教學手段單一,教學效果一般,很多場面無法真正實現[2]。

1.2 系統(tǒng)目標

該系統(tǒng)以煤礦職工安全生產、安全技能培訓和提采工作面安全知識,連采工作面安全知識,礦井通風安全知識,礦井瓦斯災害防災知識,礦井火災防災知識,礦井透水災害事故避災措施,井下供電安全知識,礦井運輸安全知識,頂板事故避災措施,礦井災害自救互救知識,典型事故案例分析。

虛擬培訓系統(tǒng)具有以下特點:

(1)系統(tǒng)規(guī)范教學內容,結合聲音、圖片和動畫進行細致的分析講解;

(2)采用三維仿真技術模擬井下真實得采礦環(huán)境，逼真的顯示不安全行為導致的事故的現場。

(3)配音正確清晰,插圖動畫生動逼真,配合恰當。

2 煤礦安全虛擬培訓教育系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結構

運用計算機虛擬仿真技術建立一個完整的煤礦安全虛擬培訓系統(tǒng)(包含綜采工作面、連采工作面、機電管理、輔助運輸和一通三防)[3]。從入井巷道到各個生產工作面均由計算機系統(tǒng)虛擬仿真出來,比如人在巷道里行走時可以身臨其境地看到巷道里的支護形式、電纜、水溝、機電設備及各種管道等設施,同時系統(tǒng)采用多媒體技術對相關的場景設備和安全操作規(guī)范等給予文字、語音、視頻、動畫等加以提示和說明。系統(tǒng)可模擬煤礦一些不安全操作造成的后果，并直觀的顯示到學員面前。系統(tǒng)結構見圖1。

 
圖1 系統(tǒng)結構圖

在仿真系統(tǒng)設計中,采用三維建模、模型渲染、交互動作設計和系統(tǒng)整合等技術方案,對煤礦井下各種機電設備、巷道、采煤工作面以及虛擬礦工進行三維建模,三級變電站進行逼真模擬。特別是在綜采工作面,可以對采煤過程進行模擬,按照采煤工藝要求,虛擬礦工操縱采煤機采煤,可以看到采煤機的滾筒轉動、采煤機移動和采煤機搖臂反轉,還可模擬采煤機截煤、落煤和刮板輸送機運煤的逼真場面[4]。對于綜采工作面的支護也可進行仿真,操作者可以操縱綜采工作面的液壓支架完成降架、移架、升架和推溜的整個操作過程。

2.2 系統(tǒng)實現

2.2.1 基本模型的構建

本系統(tǒng)的礦井虛擬環(huán)境井下設備的設計圖紙，通過3D MAX建模工具來完成的，以下是井下的主要模型。

(1) 虛擬人建模[5]

對人體的運動結構的分析，基于人體骨架模型，進行基于非均勻有理B 樣條曲面的外形建模，并結合構造實體幾何法(CSG)創(chuàng)建整個人體幾何模型。其中，外形建模由多個曲面和三角形組成。在外形的關節(jié)處進行曲面的細分，便于表現人體運動產生的皮膚拉伸和擠壓的效果。人體骨骼采用正向運動和反向運動學進行人體運動模擬，最后采用蒙皮技術把人體骨骼和外形皮膚鏈接起來。如圖2(a)虛擬人模型。

(2) 設備建模

井下設備建模采用多邊形建模，對于外形簡單、規(guī)則的設備，先從設備的多個角度拍攝照片，用圖像處理軟件制作出材質貼圖，貼在簡易的模型的外表面。

有助于減少場景中的數據量。對于復雜的模型，先做機械裝置的精模，然后在精模的基礎上在派生出一個簡模，在構建大場景中遠景采用簡模，近景則使用精模，以此來解決大場面制作的數據瓶頸問題。井下大型機械模型如圖2(b)連采機模型。

(3) 巷道建模

巷道模型應根據礦井地圖、巷道圖、巷道照片數字化建模，以便表現礦井巷道的整個概貌。要建立一個真實感巷道模型，首先應該根據系統(tǒng)仿真的需求確定該模型的位置和范圍，采集該區(qū)域內的適當比例及多種類型數據。用戶可以對具有真實感的巷道模型進行不同方位和角度的實時動態(tài)觀察。巷道模型如圖2(c)巷道模型。

 
(a) 虛擬人模型                             (b) 連采機模型                                        (c) 巷道模型
圖2 三維模型

2 環(huán)境仿真

(1) 靜態(tài)環(huán)境仿真

首先是工作面和巷道的制作，根據巷道的尺寸參數和液壓支架、采煤機等設備外觀尺寸來構造巷道和工作面。然后把這些設備及裝置按照尺寸布置到工作面及巷道中，將液壓電纜、導線等連接上，再加一些護網、吊掛等附屬裝備。

(2) 動態(tài)環(huán)境仿真

為了使虛擬的井下工作環(huán)境更真實，使鏡頭的表現更具有視覺沖擊效果，除了上面提到的固態(tài)環(huán)境的仿真外，必須進行動態(tài)仿真。例如瓦斯爆炸、透水、觸電等事故，本系統(tǒng)用Bullfrog環(huán)境特效編輯器進行編輯。

效果如圖3(a)(b)所示。煤塊下落、冒頂、片幫等效果仿真采用目前最先進的物理模塊及反應堆動力學技術，更真實、自然的反應事故案例的過程。效果如圖3(c)。

照明技術是三維虛擬仿真技術的重中之重，本系統(tǒng)采用全局光照明技術，提高光斑特效的表現范圍，如光斑、電弧等。采用體積光技術，表現諸如井下工人頭燈、機械裝置的照明設備對環(huán)境的影響。運用了光能傳遞和光線追蹤技術。

Radiosity(光能傳遞)是一種能夠真實模擬光線在環(huán)境中相互作用的全局照明的渲染技術，它能夠重建自然光在場景物體上的反彈，從而實現更為真實和精確的照明效.LightTracer(光線追蹤)在場景中進行點采樣并計算光線的反射，從而創(chuàng)建叫逼真的照明效果[6]。

圖2是瓦爆炸、觸電、煤塊下落效果圖(3) 實現系統(tǒng)交互式用Virtools DEV實現系統(tǒng)的交互性，Virtools是法國Virtools 公司開發(fā)的一套整合軟件，可以將3D模型、2D 圖形或是聲音文件格式整合到一起[7]。具有豐富的三維實時交互模塊，可以實現交互式節(jié)目、教育培訓、生產仿真和產品展示等，用流程圖的方式編輯模塊的處理順序，逐漸編輯合成一個完整的交互式的虛擬培訓系統(tǒng)。

 
(a) 瓦斯爆炸                                      (b) 觸電                                             (c) 煤塊下落
圖3 瓦斯爆炸、觸電、煤塊下落模擬

3 系統(tǒng)功能及關鍵技術實現

虛擬培訓系統(tǒng)模擬煤礦開采過程中，工人可以控制虛擬人對設備進行操作，檢修井下機械。對采煤機、刮板機、大型皮帶、井下機車等構成的生產運輸系統(tǒng)進行動態(tài)三維實時模擬。主要功能是對工人不安全行為操作產生的災害事故進行仿真。下面以綜采工作面虛擬仿真為例進行說明。

綜采工作面得虛擬仿真，綜采工作面涉及到許多復雜的模型。如液壓支架、采煤機、刮板機以及井下線纜。場景中的液壓支架使用實例化技術，實例化是圖形學里為節(jié)省計算機的運行開銷而采用的一種算法。當三維復雜模型中具有多個幾何形狀相同屬性相同但是位置不同的物體時，可采用實例化技術(Instance)。當構造多個相同形狀相同屬性的物體時，如果采用正常的拷貝手段，每增加一個物體，多邊形的數量就增加一倍，而采用實例化技術，可以在增加同類物體數量時不增加多邊形數量。實例化的使用能夠大大減少場景中的多邊形數量，節(jié)省了大量的內存[8]。

采煤機是一個復雜的模型，載入場景時，數據量巨大。導致場景數據量的膨脹，耗費系統(tǒng)資源，可能導致系統(tǒng)崩潰。使用模型分割技術(LOD(Level ofDetails))，觀察者離物體較近時，使用第一級最多細節(jié)的物體模型，當觀察者遠離物體時，用戶看到的細節(jié)就會減少，系統(tǒng)沒有必要再為用戶渲染出第一級LOD 的圖形，而是渲染出第二級LOD 圖形。由此類推，距離越遠，渲染出更少細節(jié)的LOD圖形。

為了使虛擬場景更逼真，防止相互運動的物體發(fā)生穿透，采用碰撞檢測技術。液壓支架擠壓人的事故中，采用碰撞檢測技術。由于系統(tǒng)是實時性的，要求碰撞檢測算法必須快速的檢測出碰撞位置，并做出反應。

本系統(tǒng)采用隨機碰撞檢測算法，能快速檢測出碰撞[9]。

4 系統(tǒng)應用實例

連采工作面中，連采機在煤壁上切割操作，檢修人員檢修連采機，發(fā)現連采機的截齒需要更換。檢修人員更換截齒時。檢修人員進行違規(guī)操作，沒有切斷連采機的電源，出現連采機把人卷入的事故。員工進入培訓系統(tǒng)，選擇連采工作面，選擇連采機檢修。其中，有兩項是關于連采機檢修的。連采機沒有斷電引起的后果，連采機沒有閉鎖引起的后果。員工控制檢修人員的虛擬人，到連采機前檢修，更換截齒。連采機突然轉動，把檢修人員卷入連采機中。事故發(fā)生后的效果圖4所示：

 
圖4 效果圖

5 結論

解決煤礦職工安全素質低下的重要途徑就是要加強培訓，傳統(tǒng)的培訓已經不適應了，而采用虛擬仿真技術的安全培訓系統(tǒng)，有更高的真實性，靈活性，可以節(jié)省大部分的人力、物力和時間，減少了井下工人的“三違”操作，從而降低煤礦事故。在以后的研究工作中，增加動力學模塊、人體動作柔體動畫等先進的技術。該系統(tǒng)已經應用到神東煤炭集團安全培訓中心，效果明顯。

參考文獻

1 張齊堯.煤礦安全管理學.成都:成都科技大學出版社,1994.

2 楊大明.我國煤礦安全生產現狀與對策.科技導報，2001,(7):57－60.

3 王德永,件自連,杜衛(wèi)新.虛擬現實技術在礦井生產仿真系統(tǒng)中的應用.煤礦機械, 2006,(10):172－173.

4 朱紅,金雪松,魏永錄.煤炭生產安全綜合仿真信息系統(tǒng).煤礦安全, 2006(1):23－26.

5 洪炳镕,蔡則蘇,唐好選.虛擬現實及其應用. 北京：國防工業(yè)出版社, 2005.122－125.

6 王琦電腦動畫工作室.新火星人-3ds max5 白金手冊.北京:北京科海電子出版社.323－327,313－317.

7 劉明昆.三維游戲設計師寶典一Virtools開發(fā)工具篇.成都:四川出版集團, 2005.

8 Cohen J. Wright W. Simplification envelones.Proceedings of SIGGRAPH.96. Neworleans. Louisiana. August 1996.119－128.

9 Barze R, Hughes J, Wood DN. Plausible motionsimulation for computer graphics animation//Proceedings of the Eurographics Workshop ComputerAnimation and Simulation, Springer, 1996.186－197.