汪海濤，張光磊

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710000；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710000)

0 引言

近年來，國內(nèi)煤炭行業(yè)經(jīng)歷了從普通機械化、綜合機械化到自動化的轉變，并逐步開始向數(shù)字化、智能化邁進[1-2]。國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016--2030年)》[3]中明確指出“2020年煤炭安全綠色、高效智能開采技術水平大幅提升，基本實現(xiàn)智能開采，2030年重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化，全國采煤機械化程度達到95%”。煤礦智能化建設已不僅是煤炭行業(yè)未來發(fā)展的需要，更是國家對煤炭行業(yè)進行技術革命的政策導向。煤礦智能化的發(fā)展需結合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術，推進對智能系統(tǒng)、智能裝備的技術創(chuàng)新和應用[4-5]。

VR虛擬仿真系統(tǒng)作為智能系統(tǒng)領域的一個高技術模擬系統(tǒng)，被廣泛應用于各行業(yè)中，其仿真環(huán)境可以是現(xiàn)實中可實現(xiàn)的環(huán)境，也可是現(xiàn)實中不可實現(xiàn)的特殊環(huán)境[6]。而煤礦綜采放頂煤工作面工藝流程復雜，危險程度較高，傳統(tǒng)對井下工作面的監(jiān)測監(jiān)控僅局限于工業(yè)設備參數(shù)的不間斷傳輸，較難做到對設備運行姿態(tài)、動作以及工作面實時生產(chǎn)狀態(tài)在高保真效果下的可視化，從而使得煤礦在對綜放工作面生產(chǎn)進行全局化監(jiān)測、全過程監(jiān)控、全方位監(jiān)管時出現(xiàn)一定的滯后性[7-9]。因此,亟需對煤礦綜放工作面工藝流程及設備運行狀態(tài)，進行基于VR場景下的實時監(jiān)測監(jiān)控及可視化研究，從而提高煤礦對綜放工作面安全生產(chǎn)管理的時效性。

1 系統(tǒng)建設構想與目標

煤礦屬于高危行業(yè)，井下作業(yè)環(huán)境特殊，作業(yè)地點條件惡劣，開采技術條件復雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多[10]。若要實現(xiàn)井下業(yè)務場景的三維實時動態(tài)監(jiān)測，還需對系統(tǒng)的功能和性能提出更高要求。

1.1 系統(tǒng)建設構想

綜放工作面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的建立，采用三維建模、實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化及分布式多屏顯示聯(lián)動等技術，提供生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)設備運行狀況的實時監(jiān)測，并基于VR場景下以三維方式進行直觀展示，從而為綜放工作面日常監(jiān)控、對外展示、安全生產(chǎn)管理提供支持，為智能化礦山建設奠定平臺基礎和技術基礎。

1.2 系統(tǒng)建設目標

通過構建工作面生產(chǎn)環(huán)境、采煤機、綜放液壓支架和刮板輸送機等三維模型，實時采集生產(chǎn)環(huán)境及設備運行數(shù)據(jù)，從而驅動三維模型按照實際生產(chǎn)狀況進行運轉，實現(xiàn)對井下工作面開采過程進行基于VR場景的三維動態(tài)監(jiān)測。同時，通過建立井下成套設備的三維模型庫，打通控制系統(tǒng)和三維動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通道，為后續(xù)的遠程智能控制、工藝流程優(yōu)化奠定基礎。

2 系統(tǒng)建設的關鍵技術

結合綜放工作面開采業(yè)務場景，研究適用于智能化開采的展示系統(tǒng)，在實現(xiàn)該系統(tǒng)過程中所用到的關鍵技術主要有：綜放設備及生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化三維建模、綜放設備多體動力學仿真，以及井下生產(chǎn)過程物理引擎優(yōu)化等。

2.1 綜放設備及生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化三維建模

系統(tǒng)根據(jù)工作面生產(chǎn)設計資料與相關機械設備模型圖片進行三維模型的創(chuàng)建，并通過添加材質、燈光和貼圖等其他輔助操作來提高生產(chǎn)仿真場景的逼真度。同時，系統(tǒng)結合模型貼圖的矯正方法，解決模型切角處的鋸齒失真現(xiàn)象并引入動態(tài)模型加載概念，由近及遠分批次地加載VR場景三維仿真模型，進而實現(xiàn)交互操作與礦山VR場景的實時顯示。對采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備，以及工作面的地形、地質及空間環(huán)境，進行數(shù)字化三維建模及三維模型數(shù)據(jù)庫建設，研究數(shù)字三維模型對資源庫的實時資源調(diào)用和更新功能，實現(xiàn)所有三維模型的動態(tài)加載與目標實體物理對象的運轉數(shù)據(jù)實時匹配。針對系統(tǒng)建設過程中虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)對實時性的需求與硬件對系統(tǒng)的限制問題，采用網(wǎng)格模型優(yōu)化與場景優(yōu)化顯示技術對其進行處理，同時采用LOD(levels of detail)等技術對模型細節(jié)進行系統(tǒng)性優(yōu)化。

2.2 綜放設備多體動力學仿真

礦井三維模型創(chuàng)建，是礦井基于VR場景系統(tǒng)的基礎。結合模型創(chuàng)建軟件建立基于VR場景模型和采煤機、液壓支架、轉載機、膠帶輸送機等動態(tài)模型[11-13]。

系統(tǒng)基于多剛體動態(tài)理論與骨骼仿真運動學分析方法，建立不同場景模型運動控制系統(tǒng)，真實模擬礦山在VR場景下各運動模型的仿真效果。為在VR場景中展現(xiàn)逼真顯示效果，采用三維模型創(chuàng)建軟件對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中的相關機械設備、場景等進行模型的創(chuàng)建，并根據(jù)物體真實的材料和物理特性賦予數(shù)字模型各種物理屬性，在動力學仿真運算中體現(xiàn)其實際狀況。同時,在基于對VR場景模型碰撞檢測算法研究的基礎上，優(yōu)化改進一種適用礦井VR場景下的模型碰撞檢測算法，實現(xiàn)VR場景真實的交互體驗感。從而實時展示設備位置移動、運行狀態(tài)和實時參數(shù)等信息,實現(xiàn)真三維下的漫游，為生產(chǎn)環(huán)境的動態(tài)信息(如瓦斯?jié)舛?、環(huán)境預警信息等)提供展示和監(jiān)控平臺。

2.3 井下生產(chǎn)過程物理引擎優(yōu)化

建立設計高擴展性及可持續(xù)迭代的數(shù)字化平臺，以三維建模技術為模擬引擎，以ETL為數(shù)據(jù)處理引擎，以虛擬現(xiàn)實技術為視覺引擎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與展示。

由于礦業(yè)領域具有極高安全標準要求，因此對基于VR場景的綜采工作面提出了遠高于其他行業(yè)的系統(tǒng)標準。需針對物理引擎制定特定的開發(fā)、優(yōu)化技術，結合綜采放頂煤智能化開采的業(yè)務場景，從VR技術沉浸性、交互性和設想性等特點出發(fā)，研究出適用于綜采工作面智能化開采的實時渲染、多體動力學仿真、跨平臺、高保真和易用的工作面展示系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的構建與優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)的部署

系統(tǒng)使用RabbitMQ做數(shù)據(jù)分流，Redis做實時數(shù)據(jù)的緩存，MySQL做報警數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)存儲，并以WebSocket作為實時數(shù)據(jù)與模型的通信方式。服務器部署拓撲圖如圖1所示。

圖1 服務器部署拓撲圖

RabbitMQ可使實時數(shù)據(jù)進行分流，并將采集服務與應用服務進行解耦，使得服務間相互獨立，動態(tài)擴容。Redis用于緩存設備點位的實時數(shù)據(jù)，提高實時數(shù)據(jù)推送效率。MySQL將業(yè)務數(shù)據(jù)進行物理備份，保證數(shù)據(jù)安全性和可還原性。Tomcat部署應用管理端，方便用戶進行設備點位管理、數(shù)據(jù)模擬和驅動數(shù)據(jù)點位管理。后端采集服務實時采集OPCServer服務中的實時數(shù)據(jù)，并且針對數(shù)據(jù)進行去重、報警等處理，處理完后發(fā)布到RabbitMQ中提供應用服務訂閱使用。應用服務訂閱RabbitMQ中的實時數(shù)據(jù)，并且將實時數(shù)據(jù)進行分類，按照模型驅動要求進行數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)模擬和數(shù)據(jù)報警監(jiān)控。

3.2系統(tǒng)模型構建

3.2.1場景三維模型的構建

采用3DS MAX構建三維模型，并用Editable Poly面片建模，將機械設備CAD構造圖導入到MAX初始零點位置。為提升貼圖利用率與交互場景運行速度，需減少整個場景的面數(shù)，刪除場景中多余面，如box底面、物體背面等，但必須保留參與動力學運算物體面，同時保持模型面與面之間的最小間距為當前場景最大尺度的1/2 000，并避免模型與模型之間出現(xiàn)共面、漏面和反面情況。模型必須規(guī)范使用英文命名，避免出現(xiàn)重名，最后對靜態(tài)物體和環(huán)境場景進行烘焙。單個模型構建流程如圖2所示。

圖2 單個模型的制作流程

3.2.2 基于多體動力學的綜放設備仿真模型的構建

煤礦無人開采需各個子系統(tǒng)之間進行協(xié)同工作[14]。為真實反映設備間動力學關系，對設備構件賦予反映其物理特性的真實物理材質，對質量、質地、彈性、摩擦力、色彩、光澤和透明度等屬性進行賦值。同時根據(jù)設備各個部件的構造，賦予其Box Collider碰撞器、Mash Collider碰撞器、Capsule Collider碰撞器、Mesh Collider碰撞器、Wheel Collider碰撞器和Terrain Collider碰撞器，各種碰撞器依據(jù)物體實際幾何外觀進行賦值，從而可節(jié)約動力學實時運算開銷。前4種碰撞器的資源消耗依次增大，因此在規(guī)則的幾何外形條件下，盡量使碰撞器的邊界與設備部件的幾何邊界完全一致。對于較復雜的不規(guī)則設備，采用網(wǎng)絡碰撞器，對于構造非常復雜的物體，采用組合碰撞器，即在不影響動力學運算精度的條件下，給物體賦予多個盒子碰撞器，以最大限度減少資源開銷；對于復雜的設備，不宜采用單體的碰撞檢測，造成過度復雜的物理運算，應把設備分成若干部分，分別賦予Box Collider碰撞；對于不規(guī)則的物體，運用Sphere Collider碰撞；對于煤壁破碎掉落前的模塊采用Mesh Collider碰撞，并給予其一定的靜態(tài)摩擦力和阻力，防止在煤機滾筒沒有接觸前煤壁而破碎掉落。主要設備的碰撞方式如表1所示。

表1 主要設備的碰撞方式

為真實反映設備間的連接運動關系，系統(tǒng)大量采用Fixed Joint固定連接和Configurable Joint可配置連接。主要表現(xiàn)在刮板推移和支架牽引等動作中，剛體可使物體能在物理引擎控制下運動，可通過接受力與扭矩使物體模擬現(xiàn)實中設備的運動方式。任何物體均須包含一個剛體組件，從而才可以正常受到重力與腳本施加力作用,或通過NVIDIA PhysX物理引擎來與其他物體交互。

3.3 系統(tǒng)模型優(yōu)化

3.3.1 場景三維模型的優(yōu)化

綜放工作面系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)龐大，且需要進行大量的動力學運算，在模型量大且運動復雜的場景下，會有卡頓現(xiàn)象。因此需要針對復雜場景下的三維模型進行優(yōu)化，保障三維模型能在物理引擎下動作流暢，同時使展示效果盡量切合井下實際情況。綜合運用以下技術手段：

a.減少不必要的面，刪除無需展示的物體模型，刪除層級細節(jié)、遮擋剔除等技術應用，保證單個模型頂點數(shù)不大于900。

b.盡量使用相同材質，增加動態(tài)批次處理數(shù)量；場景中不移動的物體且不參與動力學運算的模型物體，如井下環(huán)境、靜態(tài)設備等均標記為“靜態(tài)”。

c.使用光照烘焙技術，對陰影進行烘焙減少實時陰影，減少材質的多通道Shader，盡量使用單一通道材質。

d.合并物體，減少需要渲染的數(shù)量，貼圖生成Mipmap，以減少內(nèi)存需求。

3.3.2 三維模型的展示優(yōu)化

為避免破碎煤壁的效果展示以及近距離觀看設備的細節(jié)展示與普通顯示器上的效果差異，需對三維模型進行展示優(yōu)化。

為真實展現(xiàn)煤壁破碎的效果，在每個煤機滾筒上添加了13個粒子系統(tǒng)，粒子元素采用煙塵貼圖和Mesh模型2種模式，用來模擬粉塵效果和煤塊跌落效果。同時給粒子增加重力和破碎碰撞效果。為增加真實性，給滾筒添加運動模糊，同時減少粒子渲染數(shù)量，減少粒子的產(chǎn)生范圍和區(qū)域，只存在滾筒轉動方向的一面和前進方向的一面。優(yōu)化前后動態(tài)割煤效果如圖3和圖4所示。

圖3 優(yōu)化前動態(tài)割煤效果

圖4 優(yōu)化后增加運動模糊的動態(tài)割煤效果

3.3.3 系統(tǒng)VR場景的優(yōu)化

在系統(tǒng)VR場景構建過程中，由于模型數(shù)量多、場景復雜、精細度更高，在場景切換時若渲染速度出現(xiàn)延遲，則會導致畫面中斷。因此，需通過以下技術手段提升渲染速度，達到VR場景的流暢度和交互要求。

a.近距離的LOC級模型進行了邊角的細化處理，層級之間距離更近，以減少同時渲染模型數(shù)量。

b.在對虛擬仿真場景模型碰撞檢測算法研究的基礎上，改進設計了一種適用基于VR場景的礦井模型碰撞檢測算法?；驹砣缦拢阂酝跫?guī)X煤礦某工作面為例對改進算法進行介紹，由于工作面長達260 m，建立260 m長的破碎煤壁完全無法實現(xiàn)，因此建立了1個寬高為5 m×3.4 m，深為0.9 m的可破碎煤壁，并運用CaronteFX粒子破碎引擎進行隨機破碎，并破碎成800塊(CaronteFX是一款粒子動畫引擎，可以把破碎畫面生成動畫，這里不生成動畫，僅僅破碎成碎塊即可)。破碎好后給每個粒子加入多邊形碰撞體(Mesh Collider)以及重力、質量等屬性，且初始狀態(tài)凍結位移和旋轉。當滾筒與此破碎煤壁碰撞時，對位移和旋轉進行解凍，從而產(chǎn)生破碎效果。當滾筒破碎完上一個煤壁時即會接續(xù)破碎下一個煤壁，不會同時有多個破碎煤壁存在于場景中，由此便大大減少破碎粒子的數(shù)量。

4 綜放工作面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用

以王家?guī)X煤礦某工作面的設備為基礎，建立設備的三維數(shù)據(jù)模型庫以及基于VR場景的煤礦綜放工作面的真實環(huán)境。

4.1 數(shù)據(jù)采集

采用OPC協(xié)議對接控制系統(tǒng)，獲取采煤機、液壓支架、泵房和變電所等設備的實時運行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集流程包含原始數(shù)據(jù)采集、原始數(shù)據(jù)實時處理、設備驅動數(shù)據(jù)配置和設備驅動數(shù)據(jù)報警監(jiān)控。設備數(shù)據(jù)采集頻率可根據(jù)實際需要進行動態(tài)修改，以滿足實際數(shù)據(jù)處理和模型驅動效率要求。系統(tǒng)采集部分采煤機點位數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)采集采煤機部分點位數(shù)據(jù)

4.2 系統(tǒng)實踐應用效果

系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實踐應用，其中，液壓支架模型應用效果圖和采煤機模型應用效果分別如圖5和圖6所示。應用效果如下：

圖5 液壓支架模型應用效果

圖6 采煤機模型應用效果

a.該系統(tǒng)作為生產(chǎn)狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)，并不是單純展示固定動畫，而是從控制系統(tǒng)采集實時數(shù)據(jù)，用實時數(shù)據(jù)來驅動三維模型的運轉。系統(tǒng)實現(xiàn)對綜放工作面采煤機、液壓支架和刮板輸送機等采放煤過程中實時動作姿態(tài)的精確展現(xiàn)，使得礦井綜采放頂煤工藝流程在虛擬環(huán)境下得以全方位的真實呈現(xiàn)，為煤礦提供了一個全局、全過程、全方位的綜放工作面三維展示平臺。

b.系統(tǒng)在提供直觀三維展示平臺的基礎上，將各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備參數(shù)和報警信息等實時上傳至三維展示平臺，為煤礦在生產(chǎn)過程中提出的相關決策措施提供數(shù)據(jù)支撐，保障煤礦安全生產(chǎn)的穩(wěn)步進行。

5 結束語

本文以三維建模及VR技術為基礎，通過和控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，實時采集設備運行參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理后，驅動三維模型的運轉，以達到對井下生產(chǎn)狀況進行三維實時監(jiān)測的目的。具體結論如下：

a.針對現(xiàn)階段井下綜放工作面工藝流程及生產(chǎn)過程中設備姿態(tài)、動作的可視化程度低，實時監(jiān)測井下工作面生產(chǎn)狀態(tài)能力不足的缺點，提出了基于VR場景的綜放工作面仿真系統(tǒng)的建設構想和目標。系統(tǒng)建設的主要關鍵技術有：綜放設備及生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化三維建模、綜放設備多體動力學仿真和井下生產(chǎn)過程物理引擎優(yōu)化等。

b.系統(tǒng)以RabbitMQ做數(shù)據(jù)分流，Redis做實時數(shù)據(jù)的緩存，以MySQL做報警數(shù)據(jù)和系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)存儲，并以WebSocket作為實時數(shù)據(jù)與模型的通信方式，利用3DS MAX軟件構建三維模型，同時構建了基于多體動力學的綜放設備仿真模型，對場景三維模型、三維模型的展現(xiàn)以及VR場景進行了優(yōu)化。

c.系統(tǒng)以王家?guī)X某工作面為例進行了實踐模擬仿真，采集了部分王家?guī)X工作面生產(chǎn)時各項設備數(shù)據(jù)，取得良好的應用實踐效果。該系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了井下生產(chǎn)狀況的三維實時監(jiān)測和放煤過程的可視化，為后期的遠程控制提供了仿真模擬基礎。