基于VR場景的綜放工作面仿真系統設計研究

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，國內煤炭行業經歷了從普通機械化、綜合機械化到自動化的轉變，并逐步開始向數字化、智能化邁進[1-2]。國家發改委和國家能源局聯合發布的《能源技術革命創新行動計劃(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，基本實現智能開采，2030年重點煤礦區基本實現工作面無人化，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未來發展的需要，更是國家對煤炭行業進行技術革命的政策導向。煤礦智能化的發展需結合物聯網、人工智能和大數據等技術，推進對智能系統、智能裝備的技術創新和應用[4-5]。

VR虛擬仿真系統作為智能系統領域的一個高技術模擬系統，被廣泛應用于各行業中，其仿真環境可以是現實中可實現的環境，也可是現實中不可實現的特殊環境[6]。而煤礦綜采放頂煤工作面工藝流程復雜，危險程度較高，傳統對井下工作面的監測監控僅局限于工業設備參數的不間斷傳輸，較難做到對設備運行姿態、動作以及工作面實時生產狀態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進行全局化監測、全過程監控、全方位監管時出現一定的滯后性[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，進行基于VR場景下的實時監測監控及可視化研究，從而提高煤礦對綜放工作面安全生產管理的時效性。

1 系統建設構想與目標

煤礦屬于高危行業，井下作業環境特殊，作業地點條件惡劣，開采技術條件復雜，生產環節多[10]。若要實現井下業務場景的三維實時動態監測，還需對系統的功能和性能提出更高要求。

1.1 系統建設構想

綜放工作面虛擬現實系統的建立，采用三維建模、實時數據采集、數據整合、數據分析、數據可視化及分布式多屏顯示聯動等技術，提供生產環境、生產設備運行狀況的實時監測，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控、對外展示、安全生產管理提供支持，為智能化礦山建設奠定平臺基礎和技術基礎。

1.2 系統建設目標

通過構建工作面生產環境、采煤機、綜放液壓支架和刮板輸送機等三維模型，實時采集生產環境及設備運行數據，從而驅動三維模型按照實際生產狀況進行運轉，實現對井下工作面開采過程進行基于VR場景的三維動態監測。同時，通過建立井下成套設備的三維模型庫，打通控制系統和三維動態監測的數據通道，為后續的遠程智能控制、工藝流程優化奠定基礎。

2 系統建設的關鍵技術

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

2.1 綜放設備及生產環境數字化三維建模

系統根據工作面生產設計資料與相關機械設備模型圖片進行三維模型的創建，并通過添加材質、燈光和貼圖等其他輔助操作來提高生產仿真場景的逼真度。同時，系統結合模型貼圖的矯正方法，解決模型切角處的鋸齒失真現象并引入動態模型加載概念，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、地質及空間環境，進行數字化三維建模及三維模型數據庫建設，研究數字三維模型對資源庫的實時資源調用和更新功能，實現所有三維模型的動態加載與目標實體物理對象的運轉數據實時匹配。針對系統建設過程中虛擬現實仿真系統對實時性的需求與硬件對系統的限制問題，采用網格模型優化與場景優化顯示技術對其進行處理，同時采用LOD(levels of detail)等技術對模型細節進行系統性優化。

2.2 綜放設備多體動力學仿真

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

系統基于多剛體動態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，真實模擬礦山在VR場景下各運動模型的仿真效果。為在VR場景中展現逼真顯示效果，采用三維模型創建軟件對礦井生產系統中的相關機械設備、場景等進行模型的創建，并根據物體真實的材料和物理特性賦予數字模型各種物理屬性，在動力學仿真運算中體現其實際狀況。同時,在基于對VR場景模型碰撞檢測算法研究的基礎上，優化改進一種適用礦井VR場景下的模型碰撞檢測算法，實現VR場景真實的交互體驗感。從而實時展示設備位置移動、運行狀態和實時參數等信息,實現真三維下的漫游，為生產環境的動態信息(如瓦斯濃度、環境預警信息等)提供展示和監控平臺。

2.3 井下生產過程物理引擎優化

建立設計高擴展性及可持續迭代的數字化平臺，以三維建模技術為模擬引擎，以ETL為數據處理引擎，以虛擬現實技術為視覺引擎，實現數據采集與展示。

由于礦業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的系統標準。需針對物理引擎制定特定的開發、優化技術，結合綜采放頂煤智能化開采的業務場景，從VR技術沉浸性、交互性和設想性等特點出發，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。

3 系統的構建與優化

3.1 系統的部署

系統使用RabbitMQ做數據分流，Redis做實時數據的緩存，MySQL做報警數據以及系統業務數據存儲，并以WebSocket作為實時數據與模型的通信方式。服務器部署拓撲圖如圖1所示。

圖1 服務器部署拓撲圖

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

3.2系統模型構建

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，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共面、漏面和反面情況。模型必須規范使用英文命名，避免出現重名，最后對靜態物體和環境場景進行烘焙。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之間進行協同工作[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，各種碰撞器依據物體實際幾何外觀進行賦值，從而可節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。對于較復雜的不規則設備，采用網絡碰撞器，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，系統大量采用Fixed Joint固定連接和Configurable Joint可配置連接。主要表現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 系統模型優化

3.3.1 場景三維模型的優化

綜放工作面系統三維數據龐大，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，會有卡頓現象。因此需要針對復雜場景下的三維模型進行優化，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、遮擋剔除等技術應用，保證單個模型頂點數不大于900。

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

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，減少需要渲染的數量，貼圖生成Mipmap，以減少內存需求。

3.3.2 三維模型的展示優化

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化。

為真實展現煤壁破碎的效果，在每個煤機滾筒上添加了13個粒子系統，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量，減少粒子的產生范圍和區域，只存在滾筒轉動方向的一面和前進方向的一面。優化前后動態割煤效果如圖3和圖4所示。

圖3 優化前動態割煤效果

圖4 優化后增加運動模糊的動態割煤效果

3.3.3 系統VR場景的優化

在系統VR場景構建過程中，由于模型數量多、場景復雜、精細度更高，在場景切換時若渲染速度出現延遲，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。基本原理如下：以王家嶺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，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，從而產生破碎效果。當滾筒破碎完上一個煤壁時即會接續破碎下一個煤壁，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量。

4 綜放工作面虛擬現實系統的應用

以王家嶺煤礦某工作面的設備為基礎，建立設備的三維數據模型庫以及基于VR場景的煤礦綜放工作面的真實環境。

4.1 數據采集

采用OPC協議對接控制系統，獲取采煤機、液壓支架、泵房和變電所等設備的實時運行數據。數據的采集流程包含原始數據采集、原始數據實時處理、設備驅動數據配置和設備驅動數據報警監控。設備數據采集頻率可根據實際需要進行動態修改，以滿足實際數據處理和模型驅動效率要求。系統采集部分采煤機點位數據如表2所示。

表2 系統采集采煤機部分點位數據

4.2 系統實踐應用效果

系統進行了現場實踐應用，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.該系統作為生產狀況實時監測系統，并不是單純展示固定動畫，而是從控制系統采集實時數據，用實時數據來驅動三維模型的運轉。系統實現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的精確展現，使得礦井綜采放頂煤工藝流程在虛擬環境下得以全方位的真實呈現，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.系統在提供直觀三維展示平臺的基礎上，將各類生產數據、設備參數和報警信息等實時上傳至三維展示平臺，為煤礦在生產過程中提出的相關決策措施提供數據支撐，保障煤礦安全生產的穩步進行。

5 結束語

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

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

b.系統以RabbitMQ做數據分流，Redis做實時數據的緩存，以MySQL做報警數據和系統業務數據存儲，并以WebSocket作為實時數據與模型的通信方式，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、三維模型的展現以及VR場景進行了優化。

c.系統以王家嶺某工作面為例進行了實踐模擬仿真，采集了部分王家嶺工作面生產時各項設備數據，取得良好的應用實踐效果。該系統的建立，實現了井下生產狀況的三維實時監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。