基于虚拟仿真技术的煤矿实习培训系统

潘志君，孟传飞，王 颖

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

基于虚拟仿真技术的煤矿实习培训系统

潘志君，孟传飞，王 颖

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

以提高煤矿生产的安全系数，增强矿工的安全技能以及增加矿井效益为目的，本文论述了基于虚拟仿真技术的煤矿实习培训系统和虚拟现实的关键技术。用Adobe Photoshop软件进行图标设计，3Dsmax软件进行场景建模、贴图，Unity3d软件进行合成、导出等工具开发人机互动的煤矿安全培训系统。通过图像、声音、文字、三维漫游等形式真实模拟矿井地上地下环境，实现多人在线互动。本系统已经投入使用，具有真实性、安全性、互动性、实效等特点，是一种高效可靠的煤矿实习培训方式。

虚拟仿真；实习培训；沉浸式体验；煤矿安全

0 引 言

随着国家对煤矿生产的安全问题越来越重视，安全成为煤矿生产的首要工作。我国自然地质条件复杂多变，煤矿事故经常发生，给国家资源和财产造成巨大的损失。通过有关资料分析，煤矿地质条件的不安全状态和工人的不安全行为是导致事故的直接原因。井下工人的安全意识不高，不良安全习惯是导致事故的共性原因[1]。然而面对如此形势，我国煤矿行业的安全培训模式相对落后。在开设采矿工程专业的高等院校，实验手段落后，学生参与程度低，教学效果差。煤矿开采是一个高危险、高成本、高能耗行业，几乎不可能在实验室开展真实生产过程的实验项目[2]。为此，实习系统借助于虚拟现实、人机交互、数据库和网络通信等技术发展起来的虚拟仿真技术，为学生专业技能和实习培训搭建高度仿真的实习环境[3]，让学生获得更好的煤矿实习效果。

1 煤矿虚拟仿真实习培训系统

1.1系统技术分析

计算机技术的快速发展，衍生了虚拟仿真技术，且该技术逐渐应用到各个行业领域。虚拟仿真技术变现出来的沉浸感，使其更具有直观性，震撼性。煤矿实习培训系统利用虚拟仿真技术，实现多人同时在线人机互动的功能，让学习者近于亲身体验虚拟的煤矿环境和学习了解井下安全生产知识，从而达到良好的安全实习培训效果。煤矿实习培训系统主要利用Adobe Photoshop软件进行软件图标设计，3Dsmax软件进行场景建模、贴图，Unity3d软件进行合成、导出，实现人机互动。本实习系统是关键技术主要有3点：①井下煤矿虚拟环境构建的真实感；②井下生产工作的运动感；③多人同时在线的互动感。系统原理如图1所示。

图1 煤矿实习培训系统原理

煤矿实习培训系统软件导出后，需要把登录服务端软件与软件分别安装到主控制电脑和普通操作电脑，且登录服务端软件绑定了主控制电脑IP，每次上机时要先在主控制电脑上打开软件，这样下面被控制的电脑启动软件后才能登录。学员登录进入软件后通过鼠标键盘来控制。

1.2系统功能实现

煤矿实习培训系统主要包括井田地质概况、矿井巷道布置、煤矿实习参观、矿井知识考核、矿用机械演示五大模块。井田地质概况模块主要表示煤层地质条件，可具体观看煤层、地层的3D效果，让学习者对复杂抽象的井下地质条件一目了然。矿井巷道布置模块是井下巷道布置的3D立体展示，并且能动态表示出煤矿通风、运料、提升三大系统。煤矿实习参观模块是多人同时在线互动学习，该模块是老师或者带队人员选择人员角色后，带着实习培训人员到煤矿地面或者井下进行实习参观和安全培训。矿井知识考核模块是对实习培训人员进行煤矿安全知识考核，包括煤矿专业知识、应急救援知识、安全操控设备知识等内容，实习培训者可选择自由答题与考试模式的方式回答题目。矿用机械演示模块展示矿山机械设备，该功能模块包括了采掘机械类、运输机械类、提升机械类、流体机械类4种类型设备的3D仿真模型，实习培训人员可通过操控鼠标来具体了解每个机械的零件构造和工作原理。

1.3服务端搭建

煤矿实习培训系统为了管理多人同时在线并且记录每个登录账号信息，需搭建一个服务端，该服务端运用C语言开发，然后绑定服务器电脑主机IP，最后通过网络联接与煤矿实习培训系统软件对接。

1.4虚拟场景建模

1.4.1 工业广场建模

根据谷歌地图确定所选地区的地形地貌高程和影像数据，通过world machine软件生成真实三维地形。有了地形之后可进行工业广场的建筑物建模，主要基建(主副井、绞车提升机房、通风机房、压风机房)必须根据真实建筑比例来统一建模，然后根据工业广场实际布置设计图来布置地面建筑。

1.4.2 井下巷道建模

井下巷道环境属于有尺度的空间，所以应依据尺寸参数来构建巷道的三维模型[4]。为了让模型逼真，需要对煤矿巷道的数据采集和实景拍摄来进行纹理贴图。巷道建模主要通过样条线放样形式，最后把所有巷道硐室转为可编辑多边形后附加和点焊接，在对巷道进行UVW展开贴图。

1.4.3 机械设备建模

煤矿实习培训系统的机械设备建模主要采用多边形建模技术。简单的小型设备模型构建低模，通过PS软件处理贴图后进行程序纹理贴图。复杂的大型设备如综采机、液压支架、刮板、皮带输送机、提升机等，为达到对其高度仿真的效果，首先需要收集相关设备的技术资料(图片、外形尺寸、机构运动参数等)，构建大型设备模型采用先精模后简模[5]的设计方法。井下工作面有百台液压支架，加上刮板输送机、采煤机机、转载机等复杂多面的设备模型，都是高精度模型必造成场景的数据量膨胀，导致3Dsmax软件崩溃。在制作上对于大场景，模型设计基本采用高精度模型烘焙贴图低模的方法来解决此类问题，因为高精度模型的纹理贴图逼真，所以烘焙出来的低模一样具备逼真的外观，达到很好的仿真效果。机械设备模型制作完成以后，需要把这些设备各自放置到具体的位置，如采煤机、液压支架、刮板输送机进行配套之后放置到工作面，并且要对在煤矿生产工作状态下能运动的设备进行k动画，这样才能提高仿真质量。

1.5人物仿真

煤矿实习培训参观主体是人，在学习者选择角色进入该模块时候，场景中就会出现此角色的人物模型，通过键盘设置的按键来控制人物的运动。为了达到很好的虚拟仿真效果，人物模型和动作制作必须逼真。对人体的运动结构的分析，基于人体骨架模型，进行基于非均匀有理B样条曲面的外形建模，并结合构造实体几何法(CSG)创建整个人体几何模型[6]。人体骨骼则采用正反向运动学技术来进行运动模拟分析，然后人物模型对骨骼进行蒙皮技术处理，这样控制骨骼就控制了人体。人物模型制作好之后，对人体行走、跑步、蹲下、跳步动作做帧动画，最后调整人的面部表情、手指细微动作、身上配件等，最后导出有动作的FBX格式文件。

1.6软件系统合成

所有场景构建完成之后，都导出FBX格式文件，最后将这些FBX格式文件导入Unity3d软件中编辑与合成。在Unity3d软件中，为了能观察每个人物角色，需要在人物后方增加一个摄影机，并通过编写代码来控制摄影机的移动，为了让导出的软件在电脑上流畅运行，还必须编写优化代码，及摄影机不能看到的场景自动进行隐藏，当摄影机移动时，在它所控制的范围内的场景立刻显示。场景灯光也是同样原理。工作面的煤快下落状态需要在Unity3d软件通过粒子系统完成，而且赋予粒子一定显示时间，而且只需一个循环作业就能保证持续的工作动态。这些工作完成之后，需要对场景的物体进行刚体碰撞检测和粒子系统的动力学检测，确保场景没有出现穿透和粒子不真实的状况。刚体碰撞检测和粒子系统的动力学检测是虚拟仿真实现互动的关键技术，解决好此技术问题才能提高虚拟仿真的质量。最后增加文字说明以及音效后导出软件。

2 软件系统应用

煤矿实习培训软件主要包括井田地质概况、矿井巷道布置、煤矿实习参观、矿井知识考核、矿用机械演示五大模块，实习培训者可根据自身情况选择相关的模块学习，对于初学者建议逐个模块认真学习，这样才能达到安全实习培训效果。在煤矿实习参观模块中，实习培训者选择角色进入虚拟场景中时，老师或者带队人可一边带实习培训者进行参观地面工业广场一边讲解培训，也可通过地图和语音讲解自行来参观，最后找到副井提升入口后进入罐笼到井下参观。到达井下后，可在井下行走模式慢慢参观，也可一键进入各个场景，如采煤工作面、掘进工作面等。

3 结 语

煤矿实习培训系统通过三维沉浸式和人机交互方式进入虚拟场景，配以导航和解说等，使培训者可以自主学习了解矿井作业环境，增强了培训者的实习培训效果。在煤矿企业进行实践教学难度大，实践培训成本高，煤矿生产条件复杂、事故隐患多、安全风险大的传统方式下，通过仿真系统来完成实习与安全培训，成为未来的一个发展趋势，集约、节能、直观、高效的系统培训方式更符合未来的可持续发展的要求。

[1] 张齐尧.煤矿安全管理学[M].成都：成都科技大学出版社，1994.

[2] 熊祖强，欧阳凯，韩亚峰.煤矿开采虚拟仿真实验教学技术研究[J].中州煤炭，2015(3)：80-82.

[3] 韩磊，杨科.采矿工程三维可视化虚拟实验室建设[J].实验技术与管理，2011，28(6)：211-213.

[4] 韩可琦，苌道方.虚拟现实技术在综采工作面仿真中的应用[J].计算机仿真，2006，23(6)：229-232.

[5] 高红森，栗继祖.基于3D和Virtools的煤矿安全行为模拟[J].太原理工大学学报，2010，41(1)：106-109.

[6] 洪炳，蔡则苏，唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005.

Coalminetrainingsystembasedonvirtualsimulationtechnology

PAN Zhijun，MENG Chuanfei，WANG Ying

(China University of Geosciences (Beijing)，Beijing100083，China)

In order to improve the safety factor of coal mine production，enhance the safety skills of miners and increase the efficiency of mine，the paper discusses the importance of coal mine practice training system based on virtual simulation technology and briefly introduces the key technology of virtual reality.The coal mine safety training system has been exported with Adobe Photoshop software、3Dsmax software、Unity3d software and other tools.Through the image，sound，text，three-dimensional roaming and other forms，it simulates the surface and underground environment，and achieves multiplayer online interaction.The system has been used，with authenticity，security，interaction，effectiveness and other characteristics，is a highly efficient and reliable practice of coal mine training.

virtual simulation；internship training；immersive experience；mine safety

2017-02-07责任编辑：宋菲

TP391

：A

：1004-4051(2017)09-0153-03