楊景峰

(陜西陜煤彬長礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤礦近年來大力推進(jìn)“兩化融合”“四化建設(shè)”工作，從數(shù)字化礦山逐步向智能化礦山邁進(jìn)[1-3]。智能化礦山就是對(duì)生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)和后勤保障等進(jìn)行主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、快速處理的無人礦山。智能化礦山是本質(zhì)，礦山的數(shù)字化、信息化是智能化礦山建設(shè)的前提和基礎(chǔ)[4-6]。三維可視化礦山系統(tǒng)建立的前提，在于生產(chǎn)場(chǎng)景在管理平臺(tái)中的還原，使之具備可視化的基礎(chǔ)屬性。

煤礦三維可視化展示系統(tǒng)建設(shè)的最終目標(biāo)，是基于三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，建立煤礦的基礎(chǔ)三維地理數(shù)據(jù)制作與三維虛擬可視化展示系統(tǒng)的開發(fā)。最終完成一套能夠針對(duì)煤礦進(jìn)行漫游、瀏覽、工藝流程展示的三維可視化平臺(tái)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，其實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中[7-8]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，它在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。沉浸、交互、構(gòu)想是VR環(huán)境系統(tǒng)的3個(gè)基本特性，虛擬技術(shù)的核心是建模與仿真。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

系統(tǒng)包含三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與VR展示系統(tǒng)開發(fā)2個(gè)方面內(nèi)容。

三維建模與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理：內(nèi)容包括三維場(chǎng)景建模與煤礦主要設(shè)備建模2部分。三維模型建立的精度直接影響到場(chǎng)景展示的效果，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)高效、高質(zhì)量的完成整個(gè)礦區(qū)地形模型建立；利用三維建模軟件也可快速完成大型生產(chǎn)設(shè)備的模型構(gòu)建。

VR展示系統(tǒng)開發(fā)：設(shè)計(jì)一套先進(jìn)、可擴(kuò)展的煤礦虛擬場(chǎng)景展示系統(tǒng)。通過VR平臺(tái)，構(gòu)建煤礦虛擬場(chǎng)景，采用飛行漫游的方式，擬定好礦區(qū)瀏覽展示路線，突出煤礦生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的虛擬展示，可以全方位的了解礦山。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦VR展示系統(tǒng)組網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 煤礦VR展示系統(tǒng)組網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器，進(jìn)行交互數(shù)據(jù)的處理，并傳遞處理結(jié)果至展示終端，展示終端可以將接收到的交互數(shù)據(jù)，如采煤機(jī)割煤、安全提示等消息，通過可穿戴設(shè)備，展示在使用者眼中。

同時(shí)，可穿戴設(shè)備可以通過交互接收器，將下一步動(dòng)作發(fā)送到處理終端并由統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器收集處理。圖2為煤礦VR展示系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖2 煤礦VR展示系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)實(shí)施過程中，需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要模塊，即統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器模塊和業(yè)務(wù)服務(wù)器模塊。在實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器時(shí)，需要根據(jù)礦山實(shí)際情況，建立礦山1∶1，1∶3，1∶5，1∶10模型，由虛擬人物實(shí)現(xiàn)全礦山漫游數(shù)據(jù)的采集。統(tǒng)一業(yè)務(wù)服務(wù)器需要完成交互數(shù)據(jù)的接收，接收由業(yè)務(wù)展示器發(fā)送的交互信息，例如確認(rèn)采煤機(jī)附近安全，并開啟采煤機(jī)動(dòng)作等。交互數(shù)據(jù)留存在服務(wù)器中，以便日后的操作流程追溯。業(yè)務(wù)服務(wù)器需要完成對(duì)交互信息的進(jìn)一步處理，統(tǒng)計(jì)生成異常操作點(diǎn)報(bào)告報(bào)表，以便針對(duì)異常多發(fā)點(diǎn)組織進(jìn)一步的安全實(shí)踐培訓(xùn)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)說明

場(chǎng)景交互漫游：場(chǎng)景交互漫游功能通過上帝視角與第一視角兩種瀏覽模式對(duì)整個(gè)礦區(qū)模型進(jìn)行漫游與瀏覽，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)可控制的位置瀏覽、位置變換功能，以位置的變換切換對(duì)不同設(shè)備或場(chǎng)所的瀏覽。同時(shí)，交互漫游也是開啟自動(dòng)漫游、生產(chǎn)工藝流程回訪功能的入口。上帝視角模式中，提供對(duì)整個(gè)礦區(qū)的整體瀏覽功能，在礦區(qū)上空進(jìn)行宏觀層面的瀏覽；第一視角模式中，提供“走動(dòng)”功能，由體驗(yàn)者自行在可行動(dòng)區(qū)內(nèi)行走、體驗(yàn)。在場(chǎng)景中系統(tǒng)提供“游覽車”載具及“車站”，在第一視角模式中體驗(yàn)者可與之互動(dòng)乘坐，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按照事先編輯路線進(jìn)行場(chǎng)景漫游。同時(shí)，提供“工藝流程介紹展板”，瀏覽者在場(chǎng)景中互動(dòng)觸發(fā)后實(shí)現(xiàn)特定工藝流程場(chǎng)景的流程回放功能。

場(chǎng)景自動(dòng)漫游：利用“游覽車”載具實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景自動(dòng)漫游功能，系統(tǒng)從第一視角模式啟動(dòng)自動(dòng)漫游功能后，可選擇事先制定的游覽路線，設(shè)置行進(jìn)速度等觀覽參數(shù)后進(jìn)行自動(dòng)漫游功能。游覽過程中，將對(duì)涉及的地點(diǎn)進(jìn)行語音、文字或視頻介紹。

漫游路線管理：漫游路線管理功能，提供對(duì)自動(dòng)行進(jìn)路線及相關(guān)語音、文字、視頻介紹內(nèi)容的編輯功能。

信息查詢：信息查詢功能主要提供系統(tǒng)展示場(chǎng)景內(nèi)相關(guān)設(shè)備的屬性查詢，包括基本外觀參數(shù)、技術(shù)參數(shù)、工作方式介紹、原始圖片資料等。

生產(chǎn)工藝流程展示(回放)：利用自動(dòng)漫游中對(duì)游覽車中相關(guān)按鈕操作，或交互漫游中某一生產(chǎn)工藝流程展示區(qū)附近的工藝流程介紹展板操作可觸發(fā)生產(chǎn)工藝流程展示程序。利用VR技術(shù)將預(yù)編制的工藝流程自動(dòng)執(zhí)行流程配以解說詞帶領(lǐng)參觀人員進(jìn)行身臨其境的沉浸式體驗(yàn)。

生產(chǎn)工藝流程編制：本功能提供工藝流程的具體分解步驟、動(dòng)作、動(dòng)畫效果的編制。

設(shè)備模型管理：三維虛擬展示系統(tǒng)主要涉及場(chǎng)景模型與設(shè)備模型兩個(gè)方面，其管理功能主要完成模型的分類、查詢、導(dǎo)入、導(dǎo)出等一系列相關(guān)內(nèi)容。

操作權(quán)限管理：系統(tǒng)中需要區(qū)分管理權(quán)限，操作權(quán)限管理用來設(shè)置、分配人員的角色、權(quán)限。普通用戶不能操作生產(chǎn)流程編制、模型管理、權(quán)限管理等功能。

系統(tǒng)終端展現(xiàn)方式：①電腦PC端。利用鍵盤+鼠標(biāo)的方式進(jìn)行體驗(yàn)，設(shè)置鍵盤的相關(guān)鍵作為“前進(jìn)”“后退”等動(dòng)作，鼠標(biāo)控制行進(jìn)方向；②較少人參觀時(shí)的方式。利用VR頭顯+Touch手柄的方式進(jìn)行體驗(yàn)，體驗(yàn)者帶上VR頭顯設(shè)備進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的交互體驗(yàn)，其他人可通過大屏實(shí)時(shí)觀看體驗(yàn)者的視角，從而了解煤礦相關(guān)情況；③較多人參觀時(shí)的方式?？衫谜{(diào)度室大屏幕，觀看煤礦3D動(dòng)畫展示，同時(shí)為增強(qiáng)3D體驗(yàn)的效果，可佩戴3D眼鏡進(jìn)行觀看。

3 三維模型建立及VR展示引擎應(yīng)用開發(fā)

3.1 虛擬場(chǎng)景及主要生產(chǎn)設(shè)備三維建模

三維建模采用國內(nèi)主流的傾斜攝影自動(dòng)建模系統(tǒng)smart 3D進(jìn)行真三維模型的制作，該系統(tǒng)是基于攝影測(cè)量原理，對(duì)大重疊度的傾斜影像進(jìn)行空三加密、連接點(diǎn)密集匹配等過程，最終生成真三維模型。

精細(xì)建模采用DP-Modeler軟件，將整個(gè)實(shí)景三維模型加載，在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)設(shè)備單獨(dú)建模，實(shí)現(xiàn)模型的單體化，對(duì)復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)在3Dmax中進(jìn)行處理，最后對(duì)所有單體模型自動(dòng)映射傾斜影像紋理，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的底商紋理賦予模型，得到測(cè)區(qū)的精細(xì)實(shí)景三維模型。

3.2 生產(chǎn)工藝流程腳本編制

生產(chǎn)工藝通過現(xiàn)場(chǎng)采集工藝流程，針對(duì)不同的流程，在模型中設(shè)置不同的流程動(dòng)作觸發(fā)點(diǎn)。煤礦主要生產(chǎn)工藝流程包括：采煤機(jī)作業(yè)流程、綜掘機(jī)作業(yè)流程、主運(yùn)輸皮帶作業(yè)流程等。

3.3 VR展示引擎應(yīng)用開發(fā)

VR展示部分使用Unity3D引擎，驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行包括場(chǎng)景漫游在內(nèi)的所有內(nèi)容。圖3為Unity3D VR引擎界面。

圖3 Unity 3D VR引擎界面

Unity3D是目前市面上最常用的VR引擎之一，其高度的適配能力可以為礦山、工廠、機(jī)場(chǎng)等大型的戶外施工場(chǎng)地進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)。開發(fā)過程中通過3Dmax進(jìn)行模型建立，在模型完成的情況下，使用Unity3D實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游和交互。

4 結(jié)語

生產(chǎn)調(diào)度指揮中心是煤礦中樞部分，承擔(dān)著生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)宣傳、展示煤礦主要生產(chǎn)工藝流程的重要職能。通過基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成煤礦實(shí)景真三維模型數(shù)據(jù)與礦區(qū)大型設(shè)備三維建模，完全滿足各項(xiàng)精度指標(biāo)要求，能滿足煤礦生產(chǎn)工藝展示，并滿足后期煤礦各項(xiàng)工作生產(chǎn)、設(shè)備監(jiān)控與調(diào)度以及規(guī)劃建設(shè)的需要，對(duì)提升煤礦信息化、智能化水平有著重要意義。