虛擬煤礦職業培訓系統的應用研究

摘要:煤礦安全培訓是安全生產的重要環節，對安全培訓的質量意義重大。該文以滾筒式采煤機為例研究了煤礦設備的虛擬建模、交互仿真。根據各運動部件的運動原理，抽象出設備運動的數學模型，給出了基于交互操作的虛擬設備設計方法。基于這種方法，創建的安全培訓系統滿足沉浸性、交互性和安全性，并且降低了培訓成本。為安全培訓現代化提供了可能。

關鍵詞:Directx9.0;VR;虛擬機械;安全培訓

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1257-02

Research of Virtual Mine Training System

YU Liang， GAO Feng-yan， GUO Yu-zhen

(Liaocheng University， Liaocheng 252059， China)

Abstract: Coal Mine Safety training is an important part of production safety， and it is important to the quality of security training. In this paper， in terms of Drum shearer I studied virtual modeling and interactive simulation of mining equipment. According to the various principles of abstract mathematical model on equipment， the movement is presented based on the interaction of the virtual device design method. Based on this method， create a safety training system to the immersive， interactive and security， and lower training costs. The system offers the possibility for the modernization of Security training.

Key words: Directx9.0; VR; Virtual Machine; Safety Training

1 概述

現代煤礦企業已經基本實現了機械化生產，技術水平不斷提高，設備不斷完善，但是職工素質偏低，嚴重制約著煤礦的發展。當前，我國大多數的煤礦安全培訓采用口述教授的方法，隨著煤礦生產技術的提高，該培訓方法越來越不能滿足煤礦安全生產的要求。這也就促使了安全培訓改革的研究，案例教學法[1]、多媒體教學[2]等方法也相繼提出。但是這些方法都無法做到對礦山機械的操作培訓。這樣會使生產人員無法形象地領會教師教授的礦山機械設備操作步驟和方法，很容易使工人在工作的時候發生誤操作，從而引起安全事故。

計算機多媒體技術、計算機網絡技術、特別是計算機虛擬現實技術的飛速發展，為煤礦工人安全培訓提供了一種很好的方法。通過利用虛擬現實技術的沉浸性和交互性，培訓人員可以形象地觀看教師在虛擬環境中的示范性操作，培訓人員也可以自己操作虛擬機器設備，提高操作水平。這即避免了生產人員在學習操作過程中的危險，降低了其在工作中因誤操作引起的事故，又降低了培訓成本。并且還可以以互聯網為傳輸平臺，使培訓不受時間、地點的限制，為培訓帶來了極大的方便。國外在虛擬煤礦培訓方面已經取得了一些成果[3-4]，但是還不夠成熟。

本文利用虛擬現實技術，以滾筒采煤機為例，建立了虛擬采煤機交互操作系統，介紹了基于DirectX9.0實現虛擬滾筒采煤機交互操作的原理。

2 應用系統設計

本文中虛擬煤礦職業培訓系統主要包含兩大模塊:虛擬環境模塊和運動控制模塊。

虛擬環境模塊主要功能是提供煤礦職業培訓的虛擬環境，突出系統的沉浸性。建立該模塊的主要工作是建立礦井中各種逼真的設備模型。DirectX9.0建立模型有兩種方法:一種是DirectX9.0自身的建模方式——在DirectX9.0建立的三維空間中，先建立模型中各個點的空間坐標，然后每三個點組成一個三角形，從而形成一個三角形網絡，這樣就形成了模型的框架，最后加入紋理，這樣可以使模型更加逼真。另一種方法是使用其他建模軟件建立模型，然后把模型轉換為DirectX9.0可以識別的x文件(*.x)，在DirectX9.0環境中調用。這兩種方法各有優缺點。第一種方法數據量小，加載、刷新速度快，但是對于復雜模型建立點的空間坐標比較復雜，比較適合建立簡單、規則的模型。第二種方法數據量較大，但是相對來說建立復雜模型比較簡單，一般情況下，復雜模型多采用這種方法建立。本文采用第二種方法。

由于礦山機械都由多個運動部件組成，在交互操作的時候，各部件的運動模型各不相同，所以建模的時需要分別對待。首先利用3DMAX建立各個運動部件的靜態模型，然后導出為3DMAX 的*.3ds格式文件。最后使用Direct3D提供的conv3ds.exe工具把*.3ds格式的文件轉化為Direct可以識別的文件(.x文件)。在虛擬環境中分別導入各靜態模型，根據各個部件的位置關系利用模型節點把它們連接到一起，從而組成一個完整的虛擬設備。

運動控制模塊主要是通過鍵盤、空間鼠標以及數據手套等實現對虛擬環境的交互，控制各種設備的運行。該模塊的主要工作是建立設備運動的數學模型，然后通過DirectX9.0把數學模型綁定到各個設備模型上，從而實現對虛擬設備的控制。通過分析發現，所有設備的運動都可以分解為各個不同部件的旋轉和平移。本文在下一部分，將以采煤機為例，推到旋轉和平移的數學模型。

3 采煤機主要運動部件數學模型

數學模型是各種仿真系統的基礎，為了實現采煤機的交互操作，本文經過對采煤機主要的運動部件的分析，引入采煤機各部件的運動模型。

滾筒的運動模型可以簡化為圓柱圍繞中心軸旋轉，以圓柱的中心軸為z軸，建立坐標系，該模型又可進一步簡化為圓圍繞圓心旋轉的問題。如圖1所示，當圓內任一點P(x， y)繞圓心旋轉α角度到達Q(x1，y1)點時，可以列方程:

擴展到三維坐標，滾筒上任意一點P'(x'，y'，z')繞滾筒中心軸旋轉α角度到達點Q'(x1'，y1'，z1')，其計算公式為:

搖臂是調整滾筒高度的部件。搖臂齒輪箱將電動機的動力經截割機構齒輪箱傳遞給滾筒，借搖臂軸的上、下擺動來實現工作機構的調高。所以搖臂帶動滾筒的運動最終可以簡化為滾筒中心軸繞搖臂軸旋轉，與滾筒旋轉數學模型一致。

除去切割機構本身的運動，當牽引機構牽引采煤機平移的時候，也會帶動滾筒和搖臂一起移動，當某一點C(x，y，z)在x方向、y方向、z方向分別移動x\"，y\"，z\"到C'(x'，y'，z')時，C(x'，y'，z')計算如下:

4 虛擬現實交互仿真的實現

交互性是虛擬現實的一個重要特性，本文利用虛擬現實的交互性實現了對采煤機模型的各種控制。程序中采用三個參數控制采煤機的加速、減速和移動停止，另外三個參數控制滾筒的上升、下降和旋轉停止，并把這六個參數與六個不同的按鈕綁定，通過點擊按鈕，即可實現對采煤機的控制。用戶可以利用按鈕控制采煤機按不同速度移動，使滾筒旋轉、升降。

實現偽代碼如下:

if( m_UserInput.bMoveLeft !m_UserInput.bMoveRight )//移動

m_pMove += 1;

else if( m_UserInput.bMoveRight !m_UserInput.bMoveLeft )

m_pMove -=1;

if( m_UserInput.bZuan1Rot)//滾筒1旋轉

m_bGT1Rot = True;

else m_bGT1Rot = False;

if( m_UserInput.bZuan2Rot)//滾筒2旋轉

m_bGT2Rot = True;

else m_bGT2Rot = False;

if( m_UserInput.byao1Rotup !m_UserInput.byao1Rotdown )//搖臂1升高

m_pyao1Rot -= 1;

else if( m_UserInput.byao1Rotdown !m_UserInput.byao1Rotup )

m_pyao1Rot += 1;

if( m_UserInput.byao2Rotup !m_UserInput.byao2Rotdown )//搖臂2升高

m_pyao2Rot += 1;

else if( m_UserInput.byao2Rotdown !m_UserInput.byao2Rotup )

m_pyao2Rot -= 1;

5 結論

利用虛擬現實技術進行礦山機械操作培訓具有以下優點:(1)投入低，并且可直觀了解設備的結構;(2)可以逼真地模擬各種礦山機械，使煤礦職工快速、熟練的掌握礦山機械的操作;(3)可以上傳到網絡，在任意地點模擬操作。

學員在該虛擬操作環境中，不僅可以觀看虛擬礦山設備的操作演示，而且可以成為虛擬員工或技術人員，進行“真實”的操作。該環境允許學員以一定的身份(比如技術員、操作工人等)進入一個接近真實的生產環境中，不僅僅作為一個旁觀者來觀看，還可以進行高效的技能訓練。學員可以反復進行操作訓練，而且培訓方式和內容也非常靈活，可縮短培訓周期并提高培訓效果，能夠更好地滿足培訓中心和學員的不同需求。

參考文獻:

[1] 姜培坤，尹靜濤，徐恒文.案例教學法在煤礦安全培訓教學中的應用[J]. 煤礦安全，2006，37(7):68-69.

[2] 楊艷國，題正義，付文俊.煤礦安全培訓多媒體軟件開發與應用[J]. 煤礦安全，2006:74-75.

[3] BISE C J.Virtual Reality: Emerging Technology for Training of Miners[J].Mining Engineering，1997(1):37-41.

[4] B.Denby，D.Schofield，Role of virtual reality in safety training of mine personnel[J]. Mining engineering，1999，6:59-64.