劉少華 孟國(guó)營(yíng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電工程學(xué)院，北京 100081）

基于Quest3D的煤礦主扇風(fēng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究

劉少華 孟國(guó)營(yíng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電工程學(xué)院，北京 100081）

以煤礦主扇風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，開發(fā)了基于Quest3D和SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)的風(fēng)機(jī)三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)介紹了系統(tǒng)的功能及總體結(jié)構(gòu)框架。該系統(tǒng)為三維煤礦虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了一種基本的參考模式，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)字化具有一定的指導(dǎo)意義。

煤礦主扇風(fēng)機(jī)；設(shè)備監(jiān)測(cè)；虛擬現(xiàn)實(shí)；Quest3D

0 引言

主扇風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。但是，傳統(tǒng)的主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)方法還是以參數(shù)列表和二維圖形為主，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)沒有得到直觀反映[1]。本文基于Quest3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，開發(fā)了煤礦主扇風(fēng)機(jī)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序，以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，以此直觀反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

Quest3D是一款先進(jìn)的實(shí)時(shí)3D建構(gòu)軟件，提供了很多預(yù)設(shè)的channel，每個(gè)channel具有特定的功能，運(yùn)用這些channel，用戶可以方便快捷地搭建起功能完善的仿真應(yīng)用程序。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦主扇風(fēng)機(jī)三維實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的主要作用是在滿足對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)功能的前提下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化，能更為直觀地觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其主要功能具體包括：

①建立一個(gè)逼真的煤礦主扇風(fēng)機(jī)工作場(chǎng)景，并能對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行查詢管理；

②建立漫游相機(jī)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的多方位觀察；

③建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)；

④建立工況顯示畫面，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；

⑤建立報(bào)警模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行報(bào)警。

根據(jù)對(duì)煤礦主扇風(fēng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能的詳細(xì)劃分，系統(tǒng)的開發(fā)主要分為模型建立、模型渲染、功能搭建3大部分。系統(tǒng)主要開發(fā)流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

2 三維模型的建立

Quest3D支持3DSMAX以及MAYA等主流三維建模軟件。但是，3DSMAX和MAYA等建模軟件雖然具有強(qiáng)大的渲染功能，卻很難建立高精度的機(jī)械設(shè)備模型。為解決這個(gè)問題，本文首先采用PRO/E建模軟件建立主扇風(fēng)機(jī)的三維實(shí)體模型，然后將此模型導(dǎo)入3DSMAX中進(jìn)行材質(zhì)渲染[2]。PRO/E模型建立完成之后，將其另存為.OBJ格式的文件，用3DSMAX直接導(dǎo)入即可。環(huán)境模型主要包括風(fēng)機(jī)房、草地樹木等模型。這些模型精度要求不高，3DSMAX完全滿足建模要求。模型建立完畢之后，在3DSMAX中將模型另存為.x文件，為Quest3D導(dǎo)入模型做好準(zhǔn)備。

3 Quest3D中模型的渲染

將建立好的模型的.x文件直接導(dǎo)入Quest3D中，會(huì)在channel視圖中自動(dòng)生成模型的channel組，為該channel組添加一個(gè)Start 3D Scene通道和Render通道，將三維模型的channel組、Render通道和Start 3D Scene通道由下至上依次連接，并設(shè)置Start 3D Scene通道為起始通道，此時(shí)在Quest3D的Preview視圖中就能顯示出煤礦主扇風(fēng)機(jī)以及周圍環(huán)境的三維視圖。

Quest3D具有很強(qiáng)的模型渲染能力，通過添加不同功能的channel組，可以在場(chǎng)景中建立燈光、貼圖以及攝像機(jī)。本系統(tǒng)燈光采用點(diǎn)光源，圖2是光源的通道設(shè)置。

圖2 光源通道設(shè)置

為使模型更為逼真，系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行貼圖設(shè)置。Quest3D貼圖圖片的像素必須是2的8次方以上。

為方便用戶能夠從不同角度觀察風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，系統(tǒng)在場(chǎng)景中設(shè)置一個(gè)第一人稱行走相機(jī)（1stWalkthrough Camera）。同時(shí)，通過添加 Collision Object Channel來設(shè)置外墻以及風(fēng)機(jī)外殼為碰撞物體，以此保證相機(jī)在行走的時(shí)候不會(huì)穿過此模型。圖3是相機(jī)以及碰撞物體的設(shè)置。

圖3 相機(jī)及碰撞物體的設(shè)置

4 Quest3D功能的搭建

4.1 數(shù)據(jù)的接收與處理

Quest3D提供MY SQL和ODBS3.0兩種數(shù)據(jù)庫的連接，本文選用MY SQL連接數(shù)據(jù)庫。拖動(dòng)一個(gè)DB Driver MYSQL channel到視圖中，建立MY SQL連接，然后可以使用DB QUERY channel查詢數(shù)據(jù)。必須注意的是，在它的屬性窗口中，需要設(shè)置數(shù)據(jù)源和查詢名稱。數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果可以通過DB Value或者DB Text存儲(chǔ)，在它們的屬性窗口選擇查詢和字段，其子連接可以指定行列數(shù)。圖4是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通道的設(shè)置。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通道設(shè)置

4.2 三維動(dòng)畫的驅(qū)動(dòng)顯示

以風(fēng)機(jī)各個(gè)部件類別分別建立一個(gè)Array Table Channel，從而以數(shù)組方式記錄每個(gè)設(shè)備的靜態(tài)屬性及DB QUERY channel實(shí)時(shí)輸出的動(dòng)態(tài)參數(shù)。由設(shè)備的靜態(tài)參數(shù)結(jié)合實(shí)例技術(shù)構(gòu)建風(fēng)機(jī)系統(tǒng)三維場(chǎng)景，由動(dòng)態(tài)參數(shù)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)部件模型的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的三維實(shí)時(shí)顯示[3]。圖5是參數(shù)驅(qū)動(dòng)通道的設(shè)置。

圖5 參數(shù)驅(qū)動(dòng)通道設(shè)置

4.3 報(bào)警設(shè)置

當(dāng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)故障特征的時(shí)候，系統(tǒng)要能夠發(fā)出報(bào)警，并在屏幕上顯示報(bào)警參數(shù)以及加亮相應(yīng)的故障部件。本文首先設(shè)置各類參數(shù)的上下限值，然后將DB QUERY channel的輸出數(shù)據(jù)輸入IF channel進(jìn)行判斷，若輸出數(shù)據(jù)超出上下限值，則發(fā)出報(bào)警。報(bào)警發(fā)出時(shí)，通過Trigger channel觸發(fā)報(bào)警動(dòng)畫（部件加亮顯示）。報(bào)警參數(shù)的屏幕顯示選用2D Screen Text channel實(shí)現(xiàn)，在其Text子連接的屬性窗口分別設(shè)置報(bào)警參數(shù)名稱、報(bào)警值以及報(bào)警時(shí)間等內(nèi)容。圖6是報(bào)警通道設(shè)置。

圖6 報(bào)警通道設(shè)置

5 實(shí)現(xiàn)效果

本文開發(fā)的風(fēng)機(jī)三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)全面、準(zhǔn)確、直觀地反映了風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)效果見圖7。

圖7 系統(tǒng)效果

6 結(jié)論

本文以Quest3D為工具，開發(fā)了煤礦主扇風(fēng)機(jī)三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)更直觀準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來，為煤礦設(shè)備的可視化監(jiān)測(cè)提供了一種具有通用性的方法，促進(jìn)了煤礦數(shù)字化的建設(shè)水平。

[1]華臻，范輝，靳鐘銘.虛擬現(xiàn)實(shí)在礦井通風(fēng)中的可控可視化應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電.2003(5)：83-86.

[2]毛善君，熊偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及初步實(shí)現(xiàn) [J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(5)：571-575.

[3]何治斌，張均東，林葉錦，等.國(guó)內(nèi)外輪機(jī)模擬器的發(fā)展及對(duì)比研究 [J].造船技術(shù)，2007(1):38-39.

Research on Virtual Reality of the Mine's Main Fan Based on Quest3D

Liu shaohua Meng guoying

(China University of Mining&Technology,institute of electrical and mechanical engineering,Beijing 100081)

With the mine's main fan for research object,this paper develops a three-dimensional virtual reality system of main fan based on database technology of Quest3D and SQL Server.And it introduces its main function and system structure.This system provides a basic reference pattern for designing further application software for threedimensional virtual reality in coal mine.And it has a certain significance to achieve coal mine digital.

the mine's main fan；equipment monitoring；virtual reality;Quest3D

TD441

A

1000-4866（2012）03-0001-03

劉少華，女，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電工程學(xué)院，碩士研究生。

2012-05-25

2012-06-15