劉欣倩，樊　娟

（1.西安建筑科技大學，陜西　西安　710055；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西　西安　710000）

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基于Unity3D煤礦礦井突水事故的三維仿真研究

劉欣倩1，樊娟2

（1.西安建筑科技大學，陜西西安710055；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710000）

摘要：隨著三維虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展，在對煤礦礦井突水事故可視化的研究中，文章利用目前應用最廣泛并具有強大多語言多平臺編輯能力的Unity3D引擎，模擬礦井突水事故的發(fā)生，用3dMax實現(xiàn)礦井巷道建模、以Unity3D虛擬現(xiàn)實為平臺實現(xiàn)對巷道模型的渲染以及突水的模擬，并用JavaScript開發(fā)語言實現(xiàn)對場景以及模型的控制。

關鍵詞：煤礦突水；Unity3D；三維仿真

煤礦礦井突水事故由于受到地質構造以及不規(guī)范開采的影響，造成的人員傷亡以及經(jīng)濟損失在五大礦井災害中排名第二。一旦發(fā)生突水事故，由于其突發(fā)性以及繼發(fā)性，輕則損壞井下工作設備或被迫停產(chǎn)，重則完全淹沒礦井巷道以及造成人員傷亡。因此，對于突水過程可視化技術的研究是目前礦井突水研究的主要方向。

Unity3D引擎是一個多平臺的三維虛擬開發(fā)工具，一般用于三維網(wǎng)絡游戲、建筑可視化以及三維動畫等方面。由于Unity3D具有編輯器功能集中、跨平臺支持、可導入多種類型的文件、多語言腳本編輯功能、強大的地形編輯器以及提供粒子系統(tǒng)渲染等特點，因此，近幾年廣泛用于各類虛擬仿真設計開發(fā)以及網(wǎng)絡新媒體的應用設計方面。目前，Unity3D引擎可將同一項目發(fā)布到PC機、Web瀏覽器、手機端IOS和Android等各種平臺，市場應用前景較好。

本文利用Unity3D平臺，結合3Dmax建立的巷道模型，模擬實現(xiàn)煤礦礦井巷道突水事故。整個過程包括巷道建模，貼圖、渲染以及Unity3D腳本編程。

1　Unity3D平臺

1.1Unity

Unity3D軟件編輯窗口主要包括：場景窗口（Scene）、工程窗口（Project）、層次結構窗口（Hierarchy）和檢視窗口（Inspector）等。

一個完整的Unity3D項目是多個場景疊加起來的，每個場景中由若干個模型組成，并可以通過腳本來控制模型的屬性以及動作，攝像頭用來呈現(xiàn)并控制場景里的內容。Unity3D模擬現(xiàn)實中的物理現(xiàn)象主要利用其強大的物理引擎。

（1）層次結構開發(fā)環(huán)境：父子鏈組織結構，即各個模型之間屬于父子關系。所以，子級對象狀態(tài)的改變取決于它與父級對象之間的關系，即當父級對象的位置發(fā)生變化時，子級對象位置也會隨之一起變化。這樣的組織結構層次清晰，便于學習Unity3D。（2）場景（Scene）：Unity3D項目中的基本組成單位，一個完整的Unity3D程序都是由多個場景疊加組合而成，場景之間轉換是通過腳本程序來控制的。（3）模型（Game Object）：在游戲設計中被稱為游戲對象。Unity3D的程序設計是基于面向對象的，其中所有的對象，包括Game Object對象，都是Object對象的繼承。（4）腳本：Object對象的專有屬性以及行為動作都是由腳本來來實現(xiàn)。Unity3D支持多種腳本語言，包括C#，JavaScript和Boo三種。Unity3D之所以支持動態(tài)索引等功能，是由于Unity3D的基礎是一種基于.Net Framework的開源語言Mono的Mono腳本。（5）攝像頭（Camera）：場景呈現(xiàn)給使用者看到的內容由攝像頭來控制，一個完整場景展現(xiàn)的內容是由多個攝像頭前后縱深疊加而成。攝像頭就像是場景中的窗戶。（6）物理引擎：Unity3D已經(jīng)內置了對Nvidia的PhysX physics engine支持。開發(fā)者可以使用Unity3D內置的物理引擎來模擬現(xiàn)實世界的物理現(xiàn)象，僅僅只需要給Game Object附加重力、剛體等物理特性就可以。（7）粒子系統(tǒng)：Unity3D可以完成許多特殊效果的制作依靠的是其內置了一套優(yōu)秀的粒子系統(tǒng)。

1.2腳本編寫

Game Object（模型）是Unity3D場景里所有實體的基類，為了實現(xiàn)不同的特效和功能，我們需要對Game Object對象的實例附加各種屬性以及動作。Unity3D的腳本必須附加到一個實體上才可以執(zhí)行，本文中腳本的編寫使用JavaScript語言。在腳本中可以訪問到被附加的實體的屬性，如renderer（渲染器）、transform（變換）等。

在Unity3D中Mono Behaviour是所有腳本的基類，使用JavaScript語言時腳本自動繼承Mono Behaviour，而使用C#時，需要顯式繼承Mono Behaviour。腳本中有各種不同的函數(shù)被不同的事件所觸發(fā)，要實現(xiàn)不同的功能就在相應的函數(shù)里編寫代碼。

下面介紹幾個最常用的函數(shù)：（1）Start（）：初始化，只要腳本實例被啟用了Start（）函數(shù)，將會在Update（）函數(shù)第一次被調用之前調用。（2）Update（）：這個函數(shù)每一幀都會被調用，對于幀的更新它是主要的負荷函數(shù)，用來運行很多程序的行為代碼，不包括物理行為代碼。（3）FixedUpdate（）：這個函數(shù)比Update函數(shù)被調用的更頻繁。每一幀會被調用多次，F(xiàn)ixedUpdate（）被調用會立即執(zhí)行所有的圖形計算和更新。程序的基本物理行為代碼寫在這個函數(shù)內。（4）OnGUI（）：渲染和處理GUI事件時被調用，每一幀會被調用多次（一般最低2次）。

2　場景模擬

創(chuàng)建虛擬場景主要分為2個部分，建立基礎模型和場景管理。由于Unity3D自身建模能力有限，所以礦井巷道的模型需要通過其它建模軟件來建立?；谂cUnity3D軟件有良好的兼容性，選用3DMax軟件來實現(xiàn)礦井巷道的建模工作。

礦井巷道場景的模擬主要包括幾個步驟，其流程圖如圖1所示。

圖1　礦井巷道場景模擬流程

3DMax提供多種建模方式，包括基礎形狀建模、多邊形建模、復合對象建模、面片建模、NURBS建模等方式。多邊形建模是3DMax建模方式中最容易掌握且被廣泛應用的建模方式，主要是利用編輯多邊形的點、線、面3個元素來建立模型。因此，建立礦井巷道三維模型時，選擇多邊形建模方式。由3DMax繪制出的基本礦井巷道模型如圖2所示。

圖2　礦井巷道基本模型

得到3DMax繪制出的基本巷道模型后，導出格式為FBX的文件，之后導入到Unity3D中，進行貼圖、添加攝像機、燈光效果以及場景構建等渲染，被導入的信息包括巷道的空間位置、屬性以及名稱材質等。

通過Unity3D將單個模型進行整合形成不同的虛擬場景，在模型不同的位置上附加貼圖，對虛擬場景進行整體規(guī)劃，包括細節(jié)修改、位置調整并調節(jié)燈光的位置、強弱和顏色，使其更接近于現(xiàn)實世界的場景。巷道內部渲染后如圖3所示。

圖3　渲染后巷道內部

3　突水事故模擬

突水事故場景模擬主要是針對水流在巷道中的運動狀態(tài)進行模擬。一般只需要表達基于表面紋理的水平面以及水浪水花等。

水流在現(xiàn)實世界中是一種不規(guī)則的物體，它的特點是動態(tài)性和隨機性。對于這些不規(guī)則物體進行模擬時，Unity3D采用粒子系統(tǒng)來提高渲染的真實度以及性能。粒子系統(tǒng)是由若干個具有屬性和方法的粒子組成的，粒子數(shù)量越多，則模擬的物體其真實感就越強。粒子的屬性一般有形狀、大小、顏色、透明度、運動速度、運動方向、生命周期等。通過腳本可以控制粒子的各種屬性，從而使粒子可以隨著時間的變化而變化，使其不管是在時間上還是在空間上都具有動態(tài)分布特性，從而可以較真實地模擬出水流運動規(guī)律的特效。

除了水流的模擬之外，讓水流在巷道中進行流動，還需要對水流進行碰撞設計，這樣就能夠具有真實水流的動態(tài)效果。實現(xiàn)方法是用粒子系統(tǒng)模擬水流時給所有粒子添加碰撞盒，當發(fā)生剛體碰撞時，阻擋并改變水流方向。突水事故模擬如圖4所示。

圖4　突水事故模擬

圖4中可以看出，突水位置的水流運動變化規(guī)律，隨著時間，突水量越來越大，巷道中被水流淹沒的面積也就越大。

4　結語

隨著三維虛擬化技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實會成為計算機可視化研究的主流方向。本文通過描述煤礦礦井突水事故的仿真過程，闡述了通過3DMax建模到使用Unity3D對模型進行渲染，并使用腳本控制模型動作以及粒子系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了煤礦礦井突水的仿真模擬。

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Study on Three-dimensional Simulation Based on Unity3D Coal Mine Water Inrush Accident

Liu Xinqian1, Fan Juan2
（1.Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an710055， China； 2.CCTEG Xi’an Research Institute， Xi’an710000， China）

Abstract：With the rapidly development of 3D virtual reality technique, during the research of coal mining water inrush accidents visualization， this article uses the Unity3D engine， which is most widely used currently and has strong editing ability with multi-language and multi-platform， to simulate the water inrush accidents， using 3dMaxto realize modeling mine roadway and to realize rendering mine model and simulating the water based on Unity3D virtual reality, using JavaScript, which is a kind of language of development, to realize controling scene and model.

Key words：water inrush of coal mine; Unity3D; 3D simulation

作者簡介：劉欣倩（1990-），女，陜西渭南，碩士研究生。