基于虛擬現實技術的礦山機械設備仿真系統設計

安 龍

（大同煤礦集團同地紅溝梁煤業有限公司， 山西 大同 037100）

引言

結合我國各類能源儲備總體狀況和應用結構，尤其是我國關于能源發展規劃看，雖然近年來如核電、風電、水電等能源有了一定的發展，但隨著清潔高效的煤炭能源不斷擴大應用范圍，在未來相當長的時間里煤炭依然會作為主要能源的形式[1]。以煤為基的能源供給結構依舊是我國能源發展的戰略選擇[2]。

到2020年，煤炭的年消耗量將超過40億t，作為高產量、高能耗的行業就必然會有規模龐大的從業人員。而與之相對應的是我國多數的煤炭開采是以礦井為主的方式，存在開采條件差、地質條件復雜、自然危害現象易發等天然劣勢，尤其是隨著開采活動深入地下后出現的諸如高地下水壓、高瓦斯含量、高地下應力等影響采煤活動的復雜因素交織，一些事故警示表明我國煤炭行業依然是傳統的高危行業[3-4]，開展安全知識培訓是十分必要的。

1 虛擬現實技術的應用前景

傳統的安培方式主要是通過圖、文、影、音等媒介獲取的，以說教式為主的靜態、局部的安全知識。同時受到校內和崗前培訓中時間、場地、設備、工況的限制，難以滿足安培人員從設備實體結構、工作方式、工作原理、安裝方式、調試方法、維保作業方式等在具體工況下形象的認識和訓練。在一些安培中心具備一定的現場認識、操控等方面的培訓，但也僅僅局限于部分設備下的具體工況。對于在礦山生產企業各個環節中的眾多設備難以全面培訓。尤其是受到設備種類眾多、部分設計重大、結構復雜、安裝場合難以達到等制約難以在短時間內對安培人員進行必要的認知、操作、維保等有關于職業技能的培訓工作。此外由于多數現場操作人員所受專業教育背景有限識圖等專業能力不足導致對現場認識不足、結構認識不清、操作方法不夠熟練等因素的制約導致達不到理想的安培效果[5]。

而近年來虛擬現實技術在工業領域逐步廣泛的應用為礦山企業從業人員安培帶來了契機。其中以虛擬樣機技術為基礎的礦山機械數字樣機資源庫能夠將礦山企業生產的各個環節，如掘進、開采、分選、清洗、輸送、運輸等環節所涉及的設備的模型以三維實體的方式展示其工作過程、運動原理、操作流程、安裝和拆卸等進行全方位展示[6]。結合虛擬現實還能夠對具體的工作場景進行還原以幫助安培人員從設備層和工位層完成對礦山設備的認識、了解，并熟悉具體設備的運行、拆裝和維保操作，以輔助安培人員完成職業技能的更新和提升，從技術角度確保礦山企業安全平穩運行。

2 系統概況

結合系統在礦山從業人員安培過程中的作用，以虛擬樣機技術為基礎的仿真實訓系統需要在完成具體設備、工況模型的基礎上，具備模擬具體工作環境、演示具體工作原理、虛擬拆裝和考核等具體功能。

一方面需要系統具備虛擬技術的先進性，能夠模擬礦山企業生產環節的各類不同層次的設備、具備和實際設備、工作環境相當的仿真體驗，同時要求在技術上能夠模擬如碰撞檢測、摩擦等基本的物理特性。同時還要求系統本身具有一定的軟、硬件兼容性，包括軟件版本和操作系統的兼容性、設備仿真實體的兼容性。也要求系統在人機交互方面表現出應有的性能以適應考核的功能[7]。

一般的虛擬現實系統由軟件環境、硬件設備、數據庫、交互設備等構成，由于本文所涉及的系統主要面向礦山企業從業人員安培工作對軟硬件性能要求不嚴格[8]。所需硬件投入不大，具體構成如下頁圖1所示。

由于礦山機械虛擬仿真系統是桌面級的虛擬現實系統，因此軟硬件要求較低，對設備的投入不大。

圖1 系統硬件構成

該虛擬現實的主要硬件設備包括：高性能的計算機、信息輸入與輸出設備、控制設備。

軟件環境中采用的開發軟件主要由：VC++、3DMAX、EON Studio、3D 開發引擎等，VC++ 是由微軟開發的基于面向對象的軟件開發平臺。3DMAX是制作專業三維模型和動畫的軟件工具；3D開發引擎是一種平臺，它一方面包含開發虛擬現實軟件基本的功能，另一方面它還具有多種功能的引擎庫，如物理引擎庫、光影引擎庫、圖像渲染引擎庫等。而用戶在使用過程中所需要的軟硬件設備包括：

電腦硬件：2G以上內存，獨立顯卡（1G以上顯存）。軟件：Windows XP、window7、window8、window10及以上版本，Direct3D（一般顯卡安裝光盤中會自帶并默認安裝）。Microsoft Windows 2012、Microsoft SQL Server 2005。

3 系統總體設計

系統在整體上按照以崗位環境為導向、以設備模型為基礎、以掌握技能為目標、以生產安全為要求、以完成項目為途徑的設計理念展開，力求在以大中型礦山企業應用的現代化設備為主，以全三維仿真的形式按照一般礦山企業生產中采煤、掘進、運輸、通風、排水等7個生產系統中的典型設備的運行場所和重要崗位的工作環境為主要內容進行系統的總體設計。具體強調兼容性和實用性。

如圖2可知系統由交互設備、計算機、應用軟件、數據庫等構成。在系統設計的功能定義階段是在確定系統目標的基礎上，開展功能模塊的設計，并以此為基礎進行媒介信息的選擇以實現仿真實訓的目標。具體包括系統功能模塊的設計、系統界面的設置、腳本編寫等環節。

圖2 系統模型

系統功能模塊設置的過程：首先是在明確具體生產環節的機械設備和電氣元件在工作原理、拆裝步驟、維保方式等方面的培訓內容，結合具體崗位職責、安培大綱確定具體實訓項目上各項仿真任務、仿真實訓要求、技能仿真操作考核標準，在對整體安培要點設定適當的媒介基礎上，完成系統內容大綱的編寫。其次是需要在明確目標用戶需求的基礎上展開，從企業生產層面圍繞生產運行過程的演示，從安培人員實訓角度是按照具體生產系統工作流程分別就具體職業、崗位、工作所應具備的技能，從強交互性到觀看性等具體崗位不同層次的仿真需求展開基于虛擬現實的生產仿真系統功能設置。

在具體的交互式界面的設置中按照簡潔性、兼容性、便易性，符合安培知識結構、與一般認知規律相符的原則對畫面進行設置。其次還應兼顧系統運行平穩流暢和方便交互等原則進行設計。圖3為安培實訓系統一級界面布局。

圖3 安培系統界面布局

在完成具體功能設置和系統內部重構的基礎上開展的制作過程包括數據采集、模型制作、基本物理屬性設置、交互性設計、系統組建、內部調試、學員試用、驗收等階段。具體研發流程如圖4所示。

圖4 實訓仿真系統開發流程

4 結語

在我國煤炭產業向高效清潔轉變的背景下，通過對傳統礦山生產安全培訓方式的局限性進行分析，結合虛擬現實技術，從礦山機械虛擬仿真系統在軟硬件方面的配置要求出發，按照礦山企業生產中采煤、掘進、運輸、通風、排水等主要的生產環節完成了以目標用戶需要為導向，以功能模塊劃分為基礎，強調便捷式交互式界面設計的系統總體設計，利用虛擬現實技術開發的這一方式為今后礦山機械設備的安裝培訓探索出一條新的路徑。