湯其建

（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城476600）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤礦設(shè)計和規(guī)劃、礦井災(zāi)害的模擬、煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)等方面。美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實礦工培訓(xùn)系統(tǒng)允許用戶在虛擬工作面上檢查故障隱患，如頂板支護是否合理，工作面設(shè)備是否正確放置，以及應(yīng)該采取哪些措施。德國DMT大學(xué)開發(fā)的礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG，是采礦專業(yè)學(xué)生的訓(xùn)練軟件。該軟件包括地質(zhì)、開采設(shè)計、工作面狀況等方面的簡化條件，學(xué)生可以進行決策和管理。

在國內(nèi)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面的研究剛剛起步，但也已經(jīng)取得了一定的發(fā)展。在重大事故調(diào)查分析中，利用粒子系統(tǒng)和動態(tài)紋理技術(shù)可以形象再現(xiàn)瓦斯爆炸、火災(zāi)等復(fù)雜事故過程和發(fā)生原因；目前，中國礦業(yè)大學(xué)和DMT－TFH合作，已將STMBERC應(yīng)用于真實礦井中，開展火災(zāi)防治等方面的研究〔1〕；在煤礦培訓(xùn)和教育方面，以徐州翰林科技有限公司和西安和利德軟件有限公司為代表的企業(yè)研發(fā)了一些煤礦虛擬仿真教學(xué)設(shè)備，一些產(chǎn)品已經(jīng)市場化，但是，根據(jù)我們的調(diào)查，存在以下顯著不足：

（1）仿真度低。目前市場上的虛擬仿真教學(xué)設(shè)備與真實設(shè)備和場景差別較大，影響設(shè)備的推廣和應(yīng)用。

（2）信息傳遞通道以展示為主。目前市場上的虛擬仿真教學(xué)設(shè)備主要以多媒體展示為主，交互式虛擬訓(xùn)練功能較少。

（3）操作考核內(nèi)容較少，且單一。缺少突發(fā)狀況處置、各種故障診斷排除等方面的訓(xùn)練和考核，而這些內(nèi)容往往是掘進機司機培訓(xùn)的重要部門。

（4）均為單機版，購買使用成本較高，推廣和應(yīng)用效果不理想。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)由永城職業(yè)學(xué)院獨立開發(fā)，目前已完成大部分工作，待系統(tǒng)完善后即可發(fā)布，面向職工培訓(xùn)機構(gòu)、煤礦類職業(yè)院校提供掘進機操作訓(xùn)練服務(wù)。

2.1 技術(shù)路線

系統(tǒng)整體采用B／S結(jié)構(gòu)。服務(wù)器端采用VB.net面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言開發(fā)；通訊系統(tǒng)采用TCP／IP體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議。瀏覽器端采用國際主流游戲開發(fā)引擎Unitiy3d 4.0，建模和渲染采用3DMax，腳本程序開發(fā)采用C＃語言。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1，服務(wù)器安放在永城職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，全國各地的職工培訓(xùn)學(xué)校和職業(yè)學(xué)院經(jīng)過網(wǎng)關(guān)許可后都可以通過互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器連接，在線開展掘進機運行仿真與故障診斷實訓(xùn)。實際上，只要有互聯(lián)網(wǎng)，在未得到服務(wù)器網(wǎng)關(guān)許可的情況下，也可以借助我們的系統(tǒng)進行掘進機操作實訓(xùn)，只是無法進行突發(fā)狀況處理、故障診斷等內(nèi)容的實訓(xùn)。

圖1 掘進機運行仿真與故障診斷系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.3 模型建造及工作面布置

以我國某大型煤礦機械廠家生產(chǎn)的EBZ160型懸臂式掘進機為原型，完成了模型建造工作（見圖2）。初步制作了掘進工作面的各種三維模型，并進行了布置，（見圖3）。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖2 掘進機模型

圖3 掘進工作面布置

本系統(tǒng)可為授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶提供實訓(xùn)教學(xué)服務(wù)。對于非授權(quán)用戶，學(xué)員只能學(xué)習(xí)掘進機基本操作，無法實訓(xùn)突發(fā)狀況處置和故障診斷等方面的內(nèi)容；對于授權(quán)用戶，學(xué)員可以實訓(xùn)包括突發(fā)狀況處置和故障診斷等方面在內(nèi)的全部內(nèi)容。

（1）非授權(quán)用戶

普通電腦連接互聯(lián)網(wǎng)→登錄永城職業(yè)學(xué)院虛擬實訓(xùn)網(wǎng)站→通過圖4界面免費注冊→通過圖5界面登錄→進行掘進機基本操作虛擬實訓(xùn)。

非授權(quán)用戶的學(xué)員實訓(xùn)內(nèi)容包括：① 操作演示；② 初級互動訓(xùn)練（無突發(fā)狀況處置和故障診斷）。

（2）授權(quán)用戶

通過電話、Email或網(wǎng)站與管理員取得聯(lián)系，獲得授權(quán)→管理員按申請節(jié)點數(shù)進行授權(quán)，并開通超級用戶賬號→超級用戶通過與圖5類似界面登錄，登錄后進入圖6所示界面負責(zé)與遠端服務(wù)器通信并管理本節(jié)點所有實訓(xùn)機器→超級用戶通過其管理界面選擇掘進機型號、設(shè)置各種參數(shù)，然后點擊開始實訓(xùn)，將設(shè)置結(jié)果傳輸給遠端服務(wù)器→遠端服務(wù)器根據(jù)接收到超級用戶的參數(shù)將對應(yīng)數(shù)據(jù)打包一次性傳輸給超級用戶的計算機→超級用戶計算機接管服務(wù)，負責(zé)與學(xué)員實訓(xùn)機交換數(shù)據(jù)→學(xué)員進行掘進機運行仿真與故障診斷虛擬實訓(xùn)。

授權(quán)用戶的學(xué)員實訓(xùn)內(nèi)容包括：① 操作演示。② 互動訓(xùn)練包括初級、中級和高級三個難度等級，其中初級無突發(fā)狀況處置和故障診斷，操作過程有文字提示；中級有突發(fā)狀況處置和故障診斷，操作過程有文字提示；高級有突發(fā)狀況處置和故障診斷，且無文字提示。③ 過程考核。

圖4 用戶注冊界面

圖5 用戶登錄界面

圖6 超級用戶管理界面

3 系統(tǒng)特點及意義

3.1 系統(tǒng)特點

（1）采用B／S架構(gòu)。只要有接入互聯(lián)網(wǎng)的普通電腦，就可以登入本系統(tǒng)開展實訓(xùn)，使學(xué)生和企業(yè)員工享受到便捷、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)的信息化服務(wù)；同時也有利于本課題成果的應(yīng)用推廣。

（2）超級用戶可以根據(jù)實訓(xùn)要求，自行選擇掘進機機型、設(shè)置實訓(xùn)環(huán)境、突發(fā)狀況以及故障類型，有利于提高學(xué)員綜合素質(zhì)、增強應(yīng)急處理能力。

（3）實訓(xùn)操作貼近實際，完全按照現(xiàn)場情況設(shè)計。國內(nèi)同類型的系統(tǒng)為了降低設(shè)計難度，一般采取文字說明或者菜單選擇等方式代替實際操作。要知道，工作現(xiàn)場是不會有文字提示和菜單選擇的，這樣就大大降低了虛擬實訓(xùn)的真實性。

（4）按制造流程建造掘進機等設(shè)備模型。掘進機在工廠按什么樣的順序生產(chǎn)組裝，那么，我們的模型也完全按照這個工藝流程建造，確保模型與實物的高度一致。這樣，我們就可以非常精細地模擬各種故障，甚至一個螺紋的破損。

（5）采用互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)相結(jié)合的辦法構(gòu)建系統(tǒng)。如果所有的實訓(xùn)計算機都與遠端服務(wù)器通訊，將會給服務(wù)器造成很大的負擔(dān)，甚至出現(xiàn)死機。為了解決該問題，本系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)相結(jié)合的辦法。超級用戶計算機與遠端服務(wù)器交換一次信息后，即接管服務(wù)器的功能，負責(zé)與其所管轄的實訓(xùn)計算機通訊，也就是說，只有實訓(xùn)參數(shù)和環(huán)境需要更新的時候，用戶才和遠端服務(wù)器通訊。這樣，遠端服務(wù)的負擔(dān)將大大減小，降低系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。

3.2 意義

本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)，設(shè)計思路獨特，應(yīng)用于職工培訓(xùn)和學(xué)生實訓(xùn)將提高教學(xué)信息化和現(xiàn)代化水平，大大降低教學(xué)成本，同時可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有效提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。根據(jù)設(shè)想，本系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用后，還有可能革新職工培訓(xùn)的模式，不但提高培訓(xùn)質(zhì)量，同時還能使其從生產(chǎn)單位的附屬機構(gòu)變?yōu)橛圆块T，推動職業(yè)培訓(xùn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

〔1〕李 東.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用〔J〕.中國信息化，2014，（11）：48－51.

〔2〕朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)〔J〕.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2012，（10）：36－39.

〔3〕張文磊，鄭曉雯，陳寶峰，等.基于虛擬現(xiàn)實的液壓支架工作狀態(tài)研究〔J〕.煤礦機械，2012，（10）：72－74.

〔4〕BISE CJ.Virtual Reality：Emerging Technology for Training of Miners〔J〕.Mining Engineering，1997（1）：37－41.

〔5〕B.Denby，D.Schofield.Role of virtual reality in safety training of mine personnel〔J〕.Mining engineering，1999，6：59－64.

〔6〕毛善君，熊 偉.煤礦虛擬環(huán)境系統(tǒng)的總體設(shè)計及初步實現(xiàn)〔J〕.煤炭學(xué)報，2005（05）.