摘 要: 以礦工安全生產(chǎn)、安全技能培訓(xùn)和提高礦井效益為主要目的，論述使用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建煤礦安全培訓(xùn)教育系統(tǒng)的重要性，并簡(jiǎn)述了虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。用3D MAX 進(jìn)行建模、貼圖和渲染，Virtools DEV工具開發(fā)交互式煤礦安全培訓(xùn)教育系統(tǒng)。通過(guò)聲音、文字說(shuō)明、圖像、三維漫游等形式，展現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過(guò)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(xùn)的質(zhì)量，取得良好的培訓(xùn)效果。
隨著對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作重要性的認(rèn)識(shí)不斷提高，抓好煤礦安全生產(chǎn)，推進(jìn)本質(zhì)安全型礦井顯得尤為重要。有關(guān)資料分析，人的不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的最主要的原因，由于井下工人安全意識(shí)不高，不良安全習(xí)慣是導(dǎo)致一切事故的共性原因[1]。
為此，系統(tǒng)從培訓(xùn)教育服務(wù)入手，運(yùn)用3D 仿真技術(shù)，匯集采礦工程、安全科學(xué)與技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、現(xiàn)代仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、三維造型技術(shù)、可視化技術(shù)等，建立煤礦的生產(chǎn)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(xiàn)出來(lái)，即以虛擬現(xiàn)實(shí)形式形象、直觀地表現(xiàn)出來(lái)，在安全教育方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。
1 傳統(tǒng)煤礦安全培訓(xùn)教育
1.1 傳統(tǒng)煤礦安全培訓(xùn)教育分析
(1) 培訓(xùn)內(nèi)容以學(xué)習(xí)規(guī)章制度為主，內(nèi)容枯燥，形式呆板。導(dǎo)致培訓(xùn)效果不理想。
(2) 培訓(xùn)信息資源嚴(yán)重匱乏且質(zhì)量低下，大部分是些文字資料，枯燥無(wú)味。多媒體課件所具有的聲音、圖像、動(dòng)畫和人機(jī)對(duì)話特點(diǎn)得不到體現(xiàn)。
(3) 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)[2]。
1.2 系統(tǒng)目標(biāo)
該系統(tǒng)以煤礦職工安全生產(chǎn)、安全技能培訓(xùn)和提采工作面安全知識(shí),連采工作面安全知識(shí),礦井通風(fēng)安全知識(shí),礦井瓦斯災(zāi)害防災(zāi)知識(shí),礦井火災(zāi)防災(zāi)知識(shí),礦井透水災(zāi)害事故避災(zāi)措施,井下供電安全知識(shí),礦井運(yùn)輸安全知識(shí),頂板事故避災(zāi)措施,礦井災(zāi)害自救互救知識(shí),典型事故案例分析。
虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
(1)系統(tǒng)規(guī)范教學(xué)內(nèi)容,結(jié)合聲音、圖片和動(dòng)畫進(jìn)行細(xì)致的分析講解;
(2)采用三維仿真技術(shù)模擬井下真實(shí)得采礦環(huán)境，逼真的顯示不安全行為導(dǎo)致的事故的現(xiàn)場(chǎng)。
(3)配音正確清晰,插圖動(dòng)畫生動(dòng)逼真,配合恰當(dāng)。
2 煤礦安全虛擬培訓(xùn)教育系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)建立一個(gè)完整的煤礦安全虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)(包含綜采工作面、連采工作面、機(jī)電管理、輔助運(yùn)輸和一通三防)[3]。從入井巷道到各個(gè)生產(chǎn)工作面均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬仿真出來(lái),比如人在巷道里行走時(shí)可以身臨其境地看到巷道里的支護(hù)形式、電纜、水溝、機(jī)電設(shè)備及各種管道等設(shè)施,同時(shí)系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)對(duì)相關(guān)的場(chǎng)景設(shè)備和安全操作規(guī)范等給予文字、語(yǔ)音、視頻、動(dòng)畫等加以提示和說(shuō)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(xué)員面前。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用三維建模、模型渲染、交互動(dòng)作設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整合等技術(shù)方案,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,三級(jí)變電站進(jìn)行逼真模擬。特別是在綜采工作面,可以對(duì)采煤過(guò)程進(jìn)行模擬,按照采煤工藝要求,虛擬礦工操縱采煤機(jī)采煤,可以看到采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)、采煤機(jī)移動(dòng)和采煤機(jī)搖臂反轉(zhuǎn),還可模擬采煤機(jī)截煤、落煤和刮板輸送機(jī)運(yùn)煤的逼真場(chǎng)面[4]。對(duì)于綜采工作面的支護(hù)也可進(jìn)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(gè)操作過(guò)程。
2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.2.1 基本模型的構(gòu)建
本系統(tǒng)的礦井虛擬環(huán)境井下設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)3D MAX建模工具來(lái)完成的，以下是井下的主要模型。
(1) 虛擬人建模[5]
對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析，基于人體骨架模型，進(jìn)行基于非均勻有理B 樣條曲面的外形建模，并結(jié)合構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)創(chuàng)建整個(gè)人體幾何模型。其中，外形建模由多個(gè)曲面和三角形組成。在外形的關(guān)節(jié)處進(jìn)行曲面的細(xì)分，便于表現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的皮膚拉伸和擠壓的效果。人體骨骼采用正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)模擬，最后采用蒙皮技術(shù)把人體骨骼和外形皮膚鏈接起來(lái)。如圖2(a)虛擬人模型。
(2) 設(shè)備建模
井下設(shè)備建模采用多邊形建模，對(duì)于外形簡(jiǎn)單、規(guī)則的設(shè)備，先從設(shè)備的多個(gè)角度拍攝照片，用圖像處理軟件制作出材質(zhì)貼圖，貼在簡(jiǎn)易的模型的外表面。
有助于減少場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)量。對(duì)于復(fù)雜的模型，先做機(jī)械裝置的精模，然后在精模的基礎(chǔ)上在派生出一個(gè)簡(jiǎn)模，在構(gòu)建大場(chǎng)景中遠(yuǎn)景采用簡(jiǎn)模，近景則使用精模，以此來(lái)解決大場(chǎng)面制作的數(shù)據(jù)瓶頸問(wèn)題。井下大型機(jī)械模型如圖2(b)連采機(jī)模型。
(3) 巷道建模
巷道模型應(yīng)根據(jù)礦井地圖、巷道圖、巷道照片數(shù)字化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的整個(gè)概貌。要建立一個(gè)真實(shí)感巷道模型，首先應(yīng)該根據(jù)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(nèi)的適當(dāng)比例及多種類型數(shù)據(jù)。用戶可以對(duì)具有真實(shí)感的巷道模型進(jìn)行不同方位和角度的實(shí)時(shí)動(dòng)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(jī)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(jù)巷道的尺寸參數(shù)和液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備外觀尺寸來(lái)構(gòu)造巷道和工作面。然后把這些設(shè)備及裝置按照尺寸布置到工作面及巷道中，將液壓電纜、導(dǎo)線等連接上，再加一些護(hù)網(wǎng)、吊掛等附屬裝備。
(2) 動(dòng)態(tài)環(huán)境仿真
為了使虛擬的井下工作環(huán)境更真實(shí)，使鏡頭的表現(xiàn)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(jìn)行動(dòng)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(jìn)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(jìn)的物理模塊及反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)技術(shù)，更真實(shí)、自然的反應(yīng)事故案例的過(guò)程。效果如圖3(c)。
照明技術(shù)是三維虛擬仿真技術(shù)的重中之重，本系統(tǒng)采用全局光照明技術(shù)，提高光斑特效的表現(xiàn)范圍，如光斑、電弧等。采用體積光技術(shù)，表現(xiàn)諸如井下工人頭燈、機(jī)械裝置的照明設(shè)備對(duì)環(huán)境的影響。運(yùn)用了光能傳遞和光線追蹤技術(shù)。
Radiosity(光能傳遞)是一種能夠真實(shí)模擬光線在環(huán)境中相互作用的全局照明的渲染技術(shù)，它能夠重建自然光在場(chǎng)景物體上的反彈，從而實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)和精確的照明效.LightTracer(光線追蹤)在場(chǎng)景中進(jìn)行點(diǎn)采樣并計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互式用Virtools DEV實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互性，Virtools是法國(guó)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(shí)時(shí)交互模塊，可以實(shí)現(xiàn)交互式節(jié)目、教育培訓(xùn)、生產(chǎn)仿真和產(chǎn)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(gè)完整的交互式的虛擬培訓(xùn)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(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)
虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)模擬煤礦開采過(guò)程中，工人可以控制虛擬人對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，檢修井下機(jī)械。對(duì)采煤機(jī)、刮板機(jī)、大型皮帶、井下機(jī)車等構(gòu)成的生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維實(shí)時(shí)模擬。主要功能是對(duì)工人不安全行為操作產(chǎn)生的災(zāi)害事故進(jìn)行仿真。下面以綜采工作面虛擬仿真為例進(jìn)行說(shuō)明。
綜采工作面得虛擬仿真，綜采工作面涉及到許多復(fù)雜的模型。如液壓支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)以及井下線纜。場(chǎng)景中的液壓支架使用實(shí)例化技術(shù)，實(shí)例化是圖形學(xué)里為節(jié)省計(jì)算機(jī)的運(yùn)行開銷而采用的一種算法。當(dāng)三維復(fù)雜模型中具有多個(gè)幾何形狀相同屬性相同但是位置不同的物體時(shí)，可采用實(shí)例化技術(shù)(Instance)。當(dāng)構(gòu)造多個(gè)相同形狀相同屬性的物體時(shí)，如果采用正常的拷貝手段，每增加一個(gè)物體，多邊形的數(shù)量就增加一倍，而采用實(shí)例化技術(shù)，可以在增加同類物體數(shù)量時(shí)不增加多邊形數(shù)量。實(shí)例化的使用能夠大大減少場(chǎng)景中的多邊形數(shù)量，節(jié)省了大量的內(nèi)存[8]。
采煤機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的模型，載入場(chǎng)景時(shí)，數(shù)據(jù)量巨大。導(dǎo)致場(chǎng)景數(shù)據(jù)量的膨脹，耗費(fèi)系統(tǒng)資源，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。使用模型分割技術(shù)(LOD(Level ofDetails))，觀察者離物體較近時(shí)，使用第一級(jí)最多細(xì)節(jié)的物體模型，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離物體時(shí)，用戶看到的細(xì)節(jié)就會(huì)減少，系統(tǒng)沒有必要再為用戶渲染出第一級(jí)LOD 的圖形，而是渲染出第二級(jí)LOD 圖形。由此類推，距離越遠(yuǎn)，渲染出更少細(xì)節(jié)的LOD圖形。
為了使虛擬場(chǎng)景更逼真，防止相互運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)生穿透，采用碰撞檢測(cè)技術(shù)。液壓支架擠壓人的事故中，采用碰撞檢測(cè)技術(shù)。由于系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性的，要求碰撞檢測(cè)算法必須快速的檢測(cè)出碰撞位置，并做出反應(yīng)。
本系統(tǒng)采用隨機(jī)碰撞檢測(cè)算法，能快速檢測(cè)出碰撞[9]。
4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
連采工作面中，連采機(jī)在煤壁上切割操作，檢修人員檢修連采機(jī)，發(fā)現(xiàn)連采機(jī)的截齒需要更換。檢修人員更換截齒時(shí)。檢修人員進(jìn)行違規(guī)操作，沒有切斷連采機(jī)的電源，出現(xiàn)連采機(jī)把人卷入的事故。員工進(jìn)入培訓(xùn)系統(tǒng)，選擇連采工作面，選擇連采機(jī)檢修。其中，有兩項(xiàng)是關(guān)于連采機(jī)檢修的。連采機(jī)沒有斷電引起的后果，連采機(jī)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(jī)前檢修，更換截齒。連采機(jī)突然轉(zhuǎn)動(dòng)，把檢修人員卷入連采機(jī)中。事故發(fā)生后的效果圖4所示：
圖4 效果圖
5 結(jié)論
解決煤礦職工安全素質(zhì)低下的重要途徑就是要加強(qiáng)培訓(xùn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)已經(jīng)不適應(yīng)了，而采用虛擬仿真技術(shù)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)，有更高的真實(shí)性，靈活性，可以節(jié)省大部分的人力、物力和時(shí)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(dòng)力學(xué)模塊、人體動(dòng)作柔體動(dòng)畫等先進(jìn)的技術(shù)。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到神東煤炭集團(tuán)安全培訓(xùn)中心，效果明顯。
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