VR技术在采矿实践教学中的应用

陈 爽，王 强

(中国矿业大学 职业与继续教育部， 江苏 徐州市 221008)

VR技术在采矿实践教学中的应用

陈 爽，王 强

(中国矿业大学 职业与继续教育部， 江苏 徐州市 221008)

由于煤炭企业生产任务重，安全生产责任大，事故隐患多，学生到煤矿往往不能深入到生产一线顶岗实习，致使煤炭高校的实践教学计划难以落实，为了解决这一问题引入了先进的虚拟现实技术(VR)，开发了交互式三维虚拟矿井实习及教学系统。利用3Ds Max软件进行三维建模、贴图及渲染烘托，利用VRPlatform进行交互性设计及平台的融合，设计了虚拟矿井教学系统；并对设计制作过程中遇到的问题提出了解决方案。

三维虚拟矿井；虚拟现实技术；3Ds Max；VRP

为了跟随新型工业化发展的步伐，适应能源生产与消费革命的新要求，煤矿行业走绿色、安全、高效开采之路已经成为共识，作为煤炭高校必须进行教育改革，培养出适合新形势发展的实践与创新能力强的高等技术人才。然而在搭建实践教学能力培养平台的过程中，由于煤炭企业生产任务重，安全生产责任大，事故隐患多，学生到了煤矿，不能深入到生产一线顶岗实习，致使煤炭高校的实践教学计划难以落实，为了解决这一问题，应用先进的虚拟仿真技术，开发了交互式三维虚拟矿井实习及教学系统，为学生搭建了一个良好的反映复杂的矿井生产系统的实习平台。

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，利用计算机仿真生成一个与真实情况相同的三维空间的虚拟世界让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实充分运用计算机三维建模技术、3D立体显示技术、对用户身体部位动作的跟踪技术、 立体声等多种技术，使用户达到身临其境的感觉[1￣14]。

目前，虚拟现实平台种类繁多，比较知名的有Virtools、Quest3D、Converse3D、ShiVa3D、 WebMax、unity 3D等,本人主要采用由国内虚拟现实开发厂商中视典数字科技有限公司独立开发，拥有自主知识产权的Virtual Reality Platform软件(简称VRP)作为开发平台；采用功能强大，集成3D建模、动画和渲染解决方案的软件Autodesk 3Ds Max 2010作为3D建模工具；利用微软公司开发的C语言作为开发工具。

1 系统设计

系统以教学矿井为设计模型，建立包括矿井工业广场、信息调度指挥中心、空压机房、井筒绞车房等地面建筑和井筒、井底车场、硐室、大巷、采掘工作面、主要采掘设备等井下主要建筑和设备的虚拟矿井模型，能够在虚拟矿井模型中实现矿井各生产系统的模拟仿真、各类矿井灾害事故仿真与分析、井上下虚拟漫游等功能。在采矿等相关专业需要进行认识实习或者煤矿工人进行岗前培训时，能够在一个舒适安全的环境中进行真实矿井系统环境的讲解、浏览及学习培训，避免现场实习影响企业安全生产。

系统利用相机拍摄矿井实际环境照片，采集信息， 利用Potoshop图像处理软件处理照片内容，修整处理，使之能为后期3Ds Max软件建模时候的纹理贴图所用；整体的虚拟矿井系统基于煤矿生产的CAD图纸，使用3Ds Max软件基于采掘工程平面图的真实坐标搭建虚拟世界, 在虚拟交互平台软件VRP中对场景进行进一步的处理，优化并设置各部分设备的动画设定、添加培训时需要讲解的内容资料、设备动画展示及矿井的浏览路径等。

1.1 基础资料的采集整理

虚拟矿井建设前期需要采集现场工业广场、井筒、硐室、大巷、工作面等场所和设备的照片以及采掘工程平面图、井上下对照图等矿图文件。

采集照片是为了在3Ds Max中搭建模型的时候进行贴图的制作，为了提高虚拟场景的真实性，用真实的场景照片经过处理后赋予搭建好的场景模型，会产生真实的外观效果。

基于采掘工程平面图、井上下对照图等矿图文件去搭建模型场景，能更好的在虚拟的世界中还原真实的场景内容。

1.2 三维虚拟场景的建立

由于系统在制作的时候要考虑到新场景的真实及客观性，在场景搭建的时候用3Ds Max建模软件基于采掘工程平面图完成。在这个时候有一个问题，真实的矿井CAD数据导入3Ds Max之后，由于CAD的真实坐标数据一般不会产生在空间坐标的(0,0,0)坐标点上，所以在模型的制作初期可能会产生模型、线框及三维点的晃动。

此处的解决方法有两种：一种是把导入的CAD矿图进行打组，并移动到3Ds Max空间坐标系的原点处；另外一种方法就是在模型的基础框架搭好之后把需要详细制作的模型另存，然后在新保存的3Ds Max文件中把模型移动到中心，制作详细的内容然后再导回到3Ds Max整体文件中，一个整体的矿井内容包括地面工业广场部分及井下巷道及采矿设备等部分，制作的过程中如果发生内存不足或者处理器占用过高的情况，可以分开来制作，在后期导入进VRP的过程中再合并为一个整体。制作效果见图1。

图1 虚拟矿井三维模型

1.3 矿井设备的动画制作

综采一次采全高工作面一般采用双滚筒采煤机落煤，刮板输送机运煤，自移式液压支架进行顶板支护方式实现工作面的连续开采。在制作采煤机系列动画的时候，需要用到3Ds Max中的“曲线编辑器”及“动画控制器”来设置割煤机的各个部件的刚体动画关键帧(见图2)。

3Ds Max场景中所有的对象在创建之始都带有一个默认的动画控制器，所有的常规动画参数都记录在动画控制器里。所有的动画效果都由动画控制器记录，添加新的动画控制器，实际上是将原有的动画控制器更改为其他的更为合适的动画控制器，如果在编辑过程中认为新动画控制器不适用，可以重新更换为原有的默认动画控制器。

在动画模型的制作过程中，需要注意的是：添加有重复关键帧动画的模型不可以用镜像复制的方法来代替,每一个模型文件必须单独制作并添加动画关键帧文件及脚本内容。如果是镜像复制的模型，则会在导入进VRP时出现动画模型在空间中“乱飞”的现象。解决这一问题的方法可以在3Ds Max软件中给相关的模型添加一个“重置变换”属性，在添加了“重置变换”属性之后，在材质球编辑器中给模型贴图添加上“双面”的参数，这样在导入进VRP后就不会再出现上述问题。

图2 综采设备刚体动画设置

1.4 虚拟系统在VRP中的设定

VRP编辑器在安装的时候有功能插件可以直接适配到3Ds Max 2010版本中，在安装了VRP导出插件的3Ds Max中，可以把制作好的模型直接导出为VRP所支持的文件格式。

模型导入进VRP编辑器后需要根据实际情况来判断模型在VRP空间中的物理碰撞属性、动态光照的开启及模型贴图的再次修改(见图3)。

图3 VRP中交互设置

在场景模型都设置好属性之后，可以开始录制动画相机路径。

VRP支持在自身编辑器中直接录制路径动画相机，也支持3Ds Max中设置好的路径动画相机。路径动画相机的录制应当遵循虚拟教学矿机在运行讲解的时候所行走的路径，或者按照既定的顺序来依次录制。

录制的过程中应随时调节镜头的参数，以适应不同的地质模型环境。VRP中的相机分为行走相机、飞行相机、绕物体旋转相机、角色控制相机等各种不同属性的相机，这个可以按照制作的虚拟矿井的模型实际来选择相应的相机。

相机录制完成后按照顺序即可以在运行时自动播放。

在VRP中添加实际生产矿井中所用到的基础设备模型，并添加模型设备的参数信息面板。通过VRP自带的脚本编辑器来编写程序，达到路径动画相机在靠近采矿设备的时候停止当前动画相机的播放并弹出相关设备的参数信息面板；在实现面板被点击关闭以后当前动画相机能自动继续播放的效果。

1.5 系统的发布及运行

当搭建好的虚拟场景调试完成并添加了相应的脚本文件之后就可以打包输出场景。VRP编辑器支持直接生成EXE可执行程序或者发布为VRPIE文件以便发布到网络上共享使用。VRP编辑器生成的EXE可执行程序自带系统播放器，可以运行在任何平台的WINDOWS系统上。本系统是针对在煤矿进行实习的与矿业有关专业的学生、煤矿新工人的岗前及安全培训使用而设计的。所以选择发布为EXE格式的可执行程序。

不过需要注意的是：系统的运行需要相应的硬件环境支持, 否则运行效果将出现巨大差别, 出现这种问题的原因一方面与模型内容的大小有关, 另一方面与电脑的显卡、内存及处理器性能有关。

在发布EXE可执行程序的时候可以设置加密或者直接运行；添加设置系统名称、发布单位及信息，发布完成后即可在电脑上运行(见图4)。

2 虚拟教学矿井系统的应用

虚拟教学矿井系统通过基于偏振光的立体投影系统和人机交互设备，构建高度沉浸感的互动虚拟教学矿井系统，用于采矿相关专业教学。

2.1 采矿工程专业认识实习

通过认识实习巩固所学的理论知识，使理论更好的结合实际，使学生能够建立对矿山的感性认识，了解煤矿生产过程及各主要生产环节，建立煤、机、电一体化的概念，树立煤矿安全生产的理念，体会煤矿事业在国民经济中的重要地位，了解采矿技术人员在煤矿所起的重要作用，为以后学好专业课程，奠定良好的基础。

传统的认识实习主要采用听现场工程技术人员报告、井下及地面参观、阅读并讨论有关资料等方式来实现。通过虚拟教学矿井系统的建立，实现了在3D实验室使学生达到身临其境的井下实习效果。

2.2 复杂知识点虚拟仿真教学

在采矿工程专业教学中，井筒、大巷、井底车场、上下山等错综复杂的巷道和地质构造、大型机械设备融在一起，使学生非常难以理解。传统视频的制作与多媒体教学的手段，不利于学生对井下巷道产生感性的认识，而且多媒体手段也不允许教师自由探究某个局部巷道布置的细节，不允许对大型采掘机械实际操作演示。这些相对复杂的教学知识点，通过虚拟教学系统给学生一个动手能力和实际感性的认识，并且在课堂上增加了最时尚和最前沿的虚拟现实技术，提升了学生的学习兴趣和学习效果。

3 结 论

随着计算机技术的迅速发展，基于3Ds Max 2010和VRP的虚拟现实技术为学生实习提供了一种非常有效的手段。采用该技术开发的矿井虚拟仿真系统具有高仿真性、交互性和易实现等特点,能极大地提高相关专业实习、实践教学的效果， 减少学生实习时间、提高实习效率, 保证实践教学的安全及便捷。

该系统不仅可以供采矿、安全等相关专业的学生生产实习，还可用于生产矿井对煤矿工人进行岗前培训及安全教育,为进一步实现煤矿行业走绿色、安全、高效开采之路奠定了基础。

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作者简介：陈 爽(1962-)，女，黑龙江佳木斯人，高级工程师，主要从事计算机实验教学工作,Email：89727546@qq.com。

仲 峰(1973-)，男，湖北宜昌人，硕士，高级工程师，研究方向为工程爆破技术与民爆装备技术，Email：zfgege@sina.com。

2016￣10￣11)