虛擬現實技術在礦山火災中的應用

李潔瓊 路守克 薛玉芳 孫云霞

（1、3、4、安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽 淮南232001；2、炮兵學院計算中心，安徽 合肥230031）

金屬礦井在開采過程中，由于礦脈、水層、巖石等均埋在地下，通過鉆孔獲得地下巖層相關數據后，可在水平面繪制地質剖面圖礦山設計和開采時，基于不同水平剖面圖的綜合來想象地下礦體和巖體的資源賦存結構，進而決定采用何種采礦方法，在何處進行開采。由于無法看到直觀的立體內部地質結構，想象出來的模型與真實的三維世界存在誤差，因此設計的開采方案不盡合理，甚至存在偏差。虛擬現實是先進的計算機、圖形圖像、多媒體、模擬仿真相結合的技術，通過創建立體場景來表現真實的世界。虛擬現實的建立需要一定的硬件和軟件環境，應以具體的礦山實際為基礎，根據系統的硬件構造特點，考慮現場條件選用合適的方法工具來建立三維模型，并結合現場的專業數據來創建地下礦山的立體場景。通過立體眼鏡和顯示設備來觀察真實的立體效果。避免立體想象的偏差。對人們在礦井通風、生產安全、采礦調度、地質勘探等方面的研究和決策有重要的指導意義。

應用現狀及發展趨勢

煤礦生產具有人員多、作業分散、設備設施多、分布面廣、自然條件惡劣、不安全因素多、作業環境復雜等特點，自然災害和生產事故的危險因素始終影響和制約著煤礦的安全生產。隨著虛擬現實技術的發展，在煤礦安全領域有了一定 應用研究，且前景十分廣闊。VR技術在煤礦中的應用主要在以下幾個方面：煤礦及其生產系統的設計和規劃、采掘工作面的虛擬、礦井災害模擬等。盡管限于當前軟、硬件技術水平，VR系統目前還只能達到部分真實感的程度，但其前景可觀，已成為當今世界關注的熱點科技之一。VR技術在我國煤礦安全領域的應用剛剛起步，隨著這種技術研究工作的不斷深入，VR技術必將成為煤礦安全中科學可視化、員工培訓、救災決策等方面的重要手段，并且在礦山優化設計、生產管理、危險性評價等方面一定會有更廣闊的應用前景。

主要內容：

以Maya和3Ds max作為煤礦生產虛擬現實系統的開發軟件，用Visual C#程序設計語言，虛擬建模語言VRML,計算機圖形學等知識編制虛擬現實軟件，主要模擬采區通風系統，當運輸巷皮帶跑偏與機架摩擦引起火災時，先是自動噴淋系統噴水滅火：如果火災蔓延，就模擬火災的蔓延過程；工程人員關閉風門的過程；礦井撤退的過程；人員巷道中行走時，煙流對人員造成的影響等。以及救護人員采用水龍頭噴水滅火時，如果在上風側滅火，發生的煙流滾退現象等。

1 煤礦火災虛擬現實環境系統開發工具軟件簡介

隨著計算機技術的快速發展，可用于虛擬現實開發的軟件業迅速增多，比如Light Wave 3D,Maya,3DMAX,VRP等，它們功能強大，但一個完善系統開發僅靠某一個軟件往往是不夠的，這里我選擇了Maya和3Ds max作為煤礦虛擬現實系統的開發軟件。下面針對這兩款軟件分別作簡單的介紹。

1.1 Maya簡介

Maya是美國Autodesk公司出品的世界頂級的三維動畫軟件．應用對象是專業的影視廣告，角色動畫，電影特技等。Maya功能完善，工作靈活，易學易用，制作效率極高，渲染真實感極強，是電影級別的高端鍘作軟件。Maya集成了Alias／Wave front最先進的動畫及數字效果技術。它不僅包括一般三維和視覺效果制作的功能，而且還與最先進的建模、數字化布料模擬、毛發渲染、運動匹配技術相結合。Maya可在Windows NT與SGI IRIX操作系統上運行。

3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統的3D Studio系列軟件，最新版本是2011。在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。擁有強大功能的3DSMAX被廣泛地應用于電視及娛樂業中，比如片頭動畫和視頻游戲的制作。

2 煤礦火災虛擬現實環境系統模擬過程

2.1 收集整理資料

煤礦火災場景非常復雜，各個環節緊密相連，為了真實體現生產過程中的各個環節并且突出重點，必須在模擬的過程中，根據需要進行必要的資料收集．資料主要包括圖片、數據、視頻、書籍等。只有在對資料進行認真研究的基礎上才能使仿真場景和實際現場相接近，同時積極的現場觀察也是非常必要的。

2.2 系統場景模型的建立

場景模型是整個虛擬現實系統最直觀的部分。場景模型的好壞直接關系到軟件運行的快慢和逼真度。由于虛擬現實系統要求計算機實時計算場景中的所有多邊形數據，因此在模型建立的過程中，應該在保證場景不失真的前提下力求線條的簡約化，在建模的過程中還要注意詳略得當，對于需要特別突出的模型，就要建得詳細些，可以適當多使用一些面片，而對于不重要甚至不需要體現的模型或者模型的某些部分，面片數就要簡化甚至省略。這樣就能有效地利用計算機的內存和CPU進行實時交互。此外，礦山火災系統是一個非常大的場景，因此在建模的過程中作者采用先分別建模最后集中導入的方式。在建模的過程中還要嚴格控制模型比例使其符合真實情況。模型及場景建立完成以后，給模型的表面加上各種材質并進行紋理貼圖。由于Maya和Photoshop能很好結合，因此，在貼圖的過程中要借助Photoshop對所需要的圖片進行必要的加工和制作。接著要把初步建成的模型導入到3Ds Max中進行檢驗，對不正確和不美觀的部分再進行不斷地修改。最終利用3Ds Max Export Pidgins插件導出文件。

2.3 系統場景整合

將從Maya中導出的(*．nmo)文件用3Ds Max打開，為它們加上各種控制和燈光。在3Ds Max中，場景三維模型的控制是依靠3Ds Max內置行為模塊實現的。3Ds Max有600多個行為模塊可供使用，能夠對場景模型進行各種基本操作，如：大小變化，平移，旋轉，縮放，顏色變化，光線變化，三維貼圖等，復制操作如投影．行走，奔跑。后退等。實現對三維編輯區中的模型進行控制，一種方法就是直接調用行為模塊庫中的內置Building Blocks，一種是使visual c#進行手工編寫Building Blocks。前者簡單方便，后者比較靈活。點擊Data Resource(數據資源庫)，選擇Animations(行為動作)類中的行為，用鼠標點擊所要的動作行為并拖到3DLay—out(一維世界編輯區)中的角色身上．并在Schematic(腳本流程圖)中運用行為交互模塊庫中的行為模塊編輯角色相應的腳本，這樣就形成了3D交互動畫。經過以上過程的設置后，便可以將諸如采區通風系統，運輸巷皮帶跑偏與機架摩擦引起火災時，自動噴淋系統噴水滅火，工程人員關閉風門的過程；礦井撤退的過程；人員巷道中行走時，煙流對人員造成的影響等過程逼真地展現出來。為了更好地實現漫游效果，本文在系統中增添了一個虛擬人物角色．并將攝像機以第三人稱跟方式進行設置，這樣就可以讓操作者產生身臨其境的感覺。

結語。建模技術可以減少礦山救護時的實際訓練費用，并大大減少訓練時的危險性，而且還可以不受時間、地點、天氣的影響，任意設置實際災害中可能出現的一些特殊情況。它也可以提高煤礦安全及生產管理人員的安全意識，提高管理水平，預防重大災害的發生，提高礦井救災人員處理災害的決策應變水平，并把礦井災害的傷亡和損失降到最低。同時可以協助調查事故原因。另外，通過軟件演示可以實現礦井安全救災防災的實際培訓。

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