孟龍

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.030

摘? 要：從煤礦安全培訓(xùn)實際需求分析入手，文章確定了礦井災(zāi)害防治演練的總體目標(biāo)和設(shè)計方案，將沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入至煤礦安全培訓(xùn)領(lǐng)域，研發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的煤礦井災(zāi)害防治演練平臺。通過音效、文字、動畫、三維漫游等形式，展示礦井災(zāi)害發(fā)生原因及造成的后果，該系統(tǒng)的使用極大提高了礦井安全培訓(xùn)的質(zhì)量，取得了良好的培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);頂板災(zāi)害;3ds Max;Unity 3D

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0108-04

Application of Virtual Reality Technology in the Drill of Mine Disaster?Prevention and Control

MENG Long1，2

（1.China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design and Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China;

2.Nanjing YHD Intelligent Solutions Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China）

Abstract：Starting from the actual demand analysis of coal mine safety training，this paper determines the overall goal and design scheme on the drill of mine disaster prevention and control，introduces immersive virtual reality technology into the field of coal mine safety training，and develops a coal mine disaster prevention and control drill platform based on virtual reality technology. Through the forms of sound effect，text，animation，three-dimensional roaming，etc.，the causes and consequences of mine disasters are displayed. The use of the system has greatly improved the quality of mine safety training，and has achieved good training effect.

Keywords：virtual reality technology;roof disaster;3ds Max;Unity 3D

0? 引? 言

煤礦礦井開采的重要特點是井下作業(yè)、工藝復(fù)雜、存在許多不確定因素。同時，煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)包括“采、掘、機、運、通、排”等多個子系統(tǒng)^[1]，安全生產(chǎn)問題比較突出，管理難度較大。一直以來，煤礦企業(yè)、高校等均利用傳統(tǒng)的教學(xué)方式使得學(xué)員來熟悉煤礦的生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和空間結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量無法保證，甚至還影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)。

提高安全培訓(xùn)課程的質(zhì)量，一直是煤礦安全培訓(xùn)工作者及煤礦企業(yè)追求的目標(biāo)^[2]?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)，為學(xué)員提供三維動態(tài)環(huán)境下的安全信息、操作規(guī)程，將比以往在紙上獲取的靜態(tài)信息要牢固、有效得多^[3]。

1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是伴隨多媒體技術(shù)發(fā)展起來的計算機新技術(shù)，它利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨率顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境。用戶需借助VR眼鏡及定位等設(shè)備實現(xiàn)在虛擬世界中對物體進行交互操作，進而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由計算機（服務(wù)器）、應(yīng)用軟件系統(tǒng)（內(nèi)容制作）、輸出輸入設(shè)備（硬件）、用戶和數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2? 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)3I特性

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特征是三個“I”：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination），具體示意圖如圖2所示。

沉浸性是指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界之中一樣，沉浸性來自于對虛擬世界的多通道感知性，除了通常的視覺和聽覺外，還有觸覺、力覺、運動等多種感知^[4]。交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)強調(diào)人與虛擬世界之間的自然交互，借助于頭顯設(shè)備和操控手柄（手套），以逼真的方式與虛擬環(huán)境交互，實時產(chǎn)生身臨其境的感覺^[4]。想象性是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位地獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念^[5]，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與設(shè)計者思想的結(jié)合，為充分發(fā)揮它們的創(chuàng)造性和想象性而開發(fā)設(shè)計并實現(xiàn)的。

2? 總體方案設(shè)計

2.1? 總體目標(biāo)

將VR技術(shù)與煤礦災(zāi)害預(yù)防培訓(xùn)和救援演練培訓(xùn)相結(jié)合，針對巷道頂板災(zāi)害，進行VR硬件系統(tǒng)集成、制作VR培訓(xùn)內(nèi)容制作與軟件開發(fā)，開創(chuàng)沉浸、真實、可交互的VR培訓(xùn)方式在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用。

2.2? 功能設(shè)計

本系統(tǒng)以井下巷道頂板災(zāi)害為原型進行內(nèi)容制作，具體功能如下文所述。

2.2.1? 內(nèi)容演示功能

根據(jù)礦井災(zāi)害案例，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦井災(zāi)害防治演練平臺內(nèi)容應(yīng)包括災(zāi)害場景還原、災(zāi)害形成原因分析、安全生產(chǎn)規(guī)范流程操作、知識問答等。

2.2.2? 漫游功能

漫游功能的實現(xiàn)采用的是人機交互的方式，系統(tǒng)搭建的井下虛擬生產(chǎn)環(huán)境能直觀、細致、全面地展示井下作業(yè)環(huán)境，使學(xué)員能夠在虛擬環(huán)境中了解災(zāi)害場景再現(xiàn)情況、災(zāi)害預(yù)兆顯現(xiàn)與原因分析及災(zāi)害發(fā)生后應(yīng)急措施等。在搭建的虛擬礦山模型之中，可根據(jù)環(huán)境中文字或語音提示，結(jié)合手柄操作進行場景的切換。

2.2.3? 交互功能

演練平臺設(shè)置巷道頂板災(zāi)害的培訓(xùn)內(nèi)容，以頂板災(zāi)害發(fā)生的全過程為主線，結(jié)合相關(guān)設(shè)備操作、工藝流程、災(zāi)后救援知識和經(jīng)驗的問答，通過模擬災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境，讓學(xué)員深刻掌握煤礦災(zāi)害知識。

2.3? 頂板災(zāi)害仿真內(nèi)容設(shè)計

通過煤礦現(xiàn)場調(diào)研，編制礦井頂板災(zāi)害腳本，腳本大綱為：（1）真實還原掘進巷道永久支護段，作為頂板災(zāi)害現(xiàn)場。場景內(nèi)模型應(yīng)包括安全宣傳板（掘進相關(guān)規(guī)章制度、巷道平面圖、避災(zāi)路線圖）、井下電話及指示標(biāo)志、逃生箭頭標(biāo)志、軌道、皮帶機、掘進機設(shè)備。（2）體驗者通過傳輸點進入掘進工作面。軟件應(yīng)對掘進機工作狀態(tài)進行仿真模擬。（3）掘進機停止工作后，體驗者可使用VR手柄操作錨桿鉆機，進行移動、架設(shè)、鉆孔操作。（4）鉆孔時發(fā)生片幫及頂板災(zāi)害。應(yīng)使用煙塵、碎石等特效手段真實表現(xiàn)災(zāi)害危害性。（5）對災(zāi)害原因進行分析說明。（6）提供安全生產(chǎn)規(guī)范流程，按照敲幫問頂、臨時支護、鉆孔、永久支護的流程依次展現(xiàn)虛擬場景。（7）可使用VR手柄進行選擇答題，進行頂板災(zāi)害問答，軟件自動打分、評級。

3? 礦井災(zāi)害防治演練平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1? 沉浸式仿真環(huán)境建模

3ds Max和Maya是實現(xiàn)真實三維建模的關(guān)鍵軟件，本系統(tǒng)研發(fā)中主要用到的功能包括幾何體建模、二維圖形建模、材質(zhì)與貼圖、燈光與環(huán)境、場景烘焙、攝像機和動畫制作，仿真建模樣例如圖3所示。

3.2? 沉浸式仿真環(huán)境動畫制作

在3ds Max完成場景燈光的布置，然后給設(shè)備設(shè)施、人員、攝像機視角調(diào)節(jié)動作，根據(jù)調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)施、人員、攝像機動作決定在哪個攝像機的哪些部分需要進行渲染，然后進行相關(guān)動畫序列的渲染，制作界面如圖4所示。

3.3? 系統(tǒng)交互功能開發(fā)

本系統(tǒng)中包含模型種類多，且需要實現(xiàn)環(huán)境漫游、災(zāi)害展示、設(shè)備操作、虛擬考核等工作任務(wù)。經(jīng)過對國際主流交互仿真軟件的綜合對比分析，結(jié)合煤礦災(zāi)害演練培訓(xùn)的實際情況，選取Unity3D平臺作為礦井災(zāi)害防治演練系統(tǒng)的開發(fā)平臺，系統(tǒng)主要交互功能主要有下文所述的兩種。

3.3.1? 場景漫游

場景漫游時，通過不斷移動攝像機位置或改變攝像機方向從而產(chǎn)生場景變化的效果實現(xiàn)漫游功能。在沉浸式場景漫游開發(fā)中需要在Unity3D安裝Steam VR插件，通過調(diào)用預(yù)留的API實現(xiàn)利用控制手柄在三維場景漫游的功能，API函數(shù)調(diào)用界面如圖5所示。

3.3.2? 設(shè)備操作

系統(tǒng)通過編寫C#語言腳本賦予各子物體屬性。比如，為在虛擬場景中實現(xiàn)通過控制手柄裝拆鉆機鉆桿目的，需要為鉆機各子對象添加碰撞檢測組件和碰撞干涉組件，此時用到的碰撞檢測函數(shù)為On Trigger Enter（），當(dāng)控制手柄與鉆機子對象發(fā)生碰撞時則將修改子對象的三維空間坐標(biāo)為在原坐標(biāo)上加子對象跟隨控制手柄移動的相對位移，抓取的交互代碼為：

void OnTriggerEnter（Collider other）? //當(dāng)觸碰時

{

if（other.CompareTag（"Player"））

{

isGrab = true;

transform.localPosition = Vector3.zero;

}

}

public void OnGrap（）? ?//當(dāng)抓取時

{

ishaps = true;

handhighlight.SetActive（false）;

}

3.4? 硬件平臺搭建

礦井災(zāi)害防治演練平臺硬件由計算機（服務(wù)器）、頭顯設(shè)備、操控手柄、激光定位器和定位器支架組成，計算機負責(zé)平臺的開發(fā)、運行和數(shù)據(jù)處理，頭顯設(shè)備為學(xué)員提供三維場景并將其位置信息發(fā)送給定位器，操控手柄用于在三維場景中實現(xiàn)物體交互及移動，激光定位器通過紅外LED陣列以固定頻率分別以垂直和水平兩個模式掃描整個房間實現(xiàn)頭顯設(shè)備和操控手柄的定位，支架起支撐定位器的作用，在定位器掃描的范圍內(nèi)能夠準確定位頭顯設(shè)備和操控手柄的位置。硬件結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

4? 平臺應(yīng)用效果

4.1? 初始界面效果

人與系統(tǒng)進行交互的方式主要是通過頭顯設(shè)備中界面提示和控制手柄操作，以及PC桌面控制端的操作進行。在本培訓(xùn)系統(tǒng)中以圖形、菜單和圖標(biāo)等形象的界面來表達相關(guān)信息，界面直觀性強，用戶通過手柄等來完成操作。具體災(zāi)害場景引入界面如圖7所示。