基于Unity3D引擎實現綜采工作面設備安裝部署三維仿真模擬

劉忠昌

（北京天地龍躍科技有限公司，北京 100013）

“安全”是煤礦生產永恒的主題。大量事故的調查分析結果表明，人的不安全行為和管理上的欠缺是引發煤礦事故的主要原因。為了有效預防和扼制煤礦安全事故，必須做好安全培訓，加強職工的安全意識教育，提高安全操作技能。目前，針對新員工安全培訓的形式主要有文字教材、視頻教材等傳統的培訓，員工培訓效果差，在實際生產中出現安全問題的概率仍較高。隨著計算機技術的快速發展，各種交互式開發平臺涌現，Unity3D開發引擎能夠針對特定業務實現三維仿真模擬，使培訓更加直觀、形象、逼真，能夠讓員工對業務產生更加深刻的認知，減少員工在實際生產中所犯的錯，降低安全生產事故的發生率，從而降低安全生產成本，提高培訓和管理的效率。

1 前期調研

煤礦實地調研，搜集資料。綜采工作面設備主要包括液壓支架、超前支架，采煤機、刮板機、膠帶機、轉載機、破碎機等。通過三維建模技術構建真實的井下工作面場景，利用精細模型展現設備的主要部件和構造，通過交互操作認知設備的主要結構，以達到培訓的目的。

系統主要目標包括3個方面，分別為崗位職責培訓、綜采工作面設備認知培訓、綜采工作面主要設備安裝部署認知培訓。

系統特點如下：①教學內容規范，結合配音、模型和動畫等進行細致的分析講解；②采用三維仿真技術模擬井下真實的工作環境，逼真地再現現場場景；③采用三維仿真技術模擬操作工藝流程，動態展現操作流程，結合配音、動畫等，更加形象、逼真。

2 系統功能實現

軟件系統設計的核心理念是利用Unity3D三維仿真引擎系統針對煤礦生產的核心業務、安全教育等需求而進行有針對性的系統開發，在對煤礦采掘工作面要進行操作、維護的設備進行三維建模的基礎上，根據業務需要編寫底層框架及功能腳本，實現對關鍵設備操作過程的三維仿真模擬。

2.1 建模

采用3DMax或者Maya建模工具對煤礦工作面及設備進行建模，對模型渲染并貼圖，導出.FBX格式的模型備用。圖1所示為液壓支架模型。

圖1 液壓支架模型

2.2 系統框架設計

2.2.1 底層框架設計

采用Unity3D 5.1.2f版本引擎，集合了以下多種設計模式：①單例模式，保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點；②觀察者模式，它將在對象與對象之間創建一種依賴關系，當其中一個對象發生變化時，會將這個變化通知給與其創建關系的對象，實現自動化的通知更新；③迭代器模式，它能夠獲取到序列中的所有元素而不用關心其類型是什么序列結構，可以非常高效地構建數據處理通道（data pipeline），數據能夠進入處理通道進行一系列的變換或者過濾，然后得到結果。

2.2.2 流程節點控制

流程節點控制利用PlayMaker插件控制。PlayMaker既是一個可視化腳本工具，又是一個分層邏輯框架。PlayMaker有很多動作行為只需要通過簡單狀態機FSM（Finite state machine）就能實現，可以更加方便、簡潔地管理每個狀態機，還可以設置斷點和單步執行狀態。圖2所示為流程節點控制圖。

圖2 流程節點控制圖

2.2.3 動作節點控制

動作節點控制采用XML配置文件。XML文檔是輕量級的數據儲存文件，其內容與結構完全分離。基于這樣的特點，企業系統可以輕松地實現內容管理和流程管理的徹底分離。另外，XML文檔互操作性強，可以在不同的操作系統之間實現通信。通過腳本來調用XML文件，按照流程順序依次調用鏡頭的移動、模型高亮、模型動畫播放、模型隱藏與現實、配音播放等各功能節點函數，實現各種動作效果。XML配置文件需要按照已經封裝好的功能節點函數規則編寫，支持五級節點。圖3所示為XML配置文件編寫規則示例。

圖3 XML配置文件編寫規則示例

2.2.4 模型動畫設計

Unity5.1.2f版本提供了新的Mecanim動畫系統，使用Animator來取代舊系統Animation，我們可以利用它編輯物理動畫。編輯動畫的對象不會與其他對象產生任何交互。動畫可以實現位置、旋轉、縮放、顏色漸變等各種動畫效果，動畫過度平緩，效果較好。動畫控制采用Animator Controller和控制腳本相結合的方式，使動畫播放控制更加穩定，過渡效果更好。圖4為Animator動畫編輯器面板。

圖4 Animator動畫編輯器面板

2.2.5 配音

根據煤礦崗位職責及設備操作手冊，撰寫簡潔且表達清晰的配音文字，選擇專業配音人員或者相關配音軟件錄制音頻文件。

3 三維仿真效果

根據前期調研資料，綜采工作面安裝設備主要有液壓支架、超前支架，采煤機、刮板機、膠帶機、轉載機、破碎機等，結合煤礦崗位操作規程等資料，確定綜采工作面設備安裝順序為安裝前后刮板、安裝液壓支架、安裝后驅動裝置、安裝采煤機、安裝前驅動裝置等。

將做好的.FBX格式的模型和音頻文件導入Unity場景中，對需要實現的設備各部位動作制作動畫，根據設備安裝順序結合鏡頭移動、動畫等效果編寫XML配置文件，添加控制腳本，導入配音文件，運行并反復調試。綜采工作面設備安裝部署前、后效果分別如圖5和圖6所示。

通過三維建模將綜采工作面及相關設備的模糊認識具體化、形象化，使其看起來更加直觀明了；流程和動作控制使綜采工作面安裝部署流程由簡單的文字說明變成了視覺與文字認知的結合，簡單、形象、直觀；模型動畫設計使抽象的設備操作直觀化，通俗易懂；簡潔明了的配音使整個安裝部署流程更加清晰，能夠使員工更容易理解整個安裝部署過程，印象更加深刻，培訓效果得到很大的提高。

圖5 綜采工作面安裝部署前

圖6 綜采工作面安裝部署后

4 結論

事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠強于對數字和文字等抽象信息的理解能力。三維仿真技術使人們進一步認識“虛”和“實”之間的關系。仿真培訓是指模仿真實的工作條件建設專門的培訓試驗室或人工環境，使用與工作場地相同的設備與技術，嚴格按照真實的情境來學習和訓練如何處理工作中的實際問題。再者，這種方法使培訓效果與實際需要相吻合，且避免了對現實作業的干擾，在一些特殊的領域還有助于節省費用，減少危險。比如宇航員、深海潛水員、各種運輸工具的駕駛員等，仿真培訓正在越來越多地被運用于工作中。通過仿真培訓，可以縮短工人的技術培訓時間，提高在崗職工技術素質和處理事故的應變能力，降低安全生產事故風險，從而提高管理水平和管理效率。

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