綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李昊，　陳凱，　張晞，　錢建生

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京　100083；

2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京　100013；

3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008)

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綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李昊1,2，陳凱1，張晞2，錢建生3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京100083；

2.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京100013；

3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008)

摘要：針對(duì)目前綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中視頻監(jiān)控圖像效果差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出了高仿真度的虛擬礦井作業(yè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的采集、傳輸、顯示、預(yù)警以及反向控制等功能，滿足了綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)控的需求。

關(guān)鍵詞：綜采工作面； 三維虛擬現(xiàn)實(shí)； 生產(chǎn)監(jiān)控； 自動(dòng)化

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0857.004.html

0引言

在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中，綜采工作面是現(xiàn)代化礦井最基本的生產(chǎn)單元，也是事故高發(fā)地和能見(jiàn)度低的地方。隨著無(wú)人化工作面概念的提出，綜采工作面各生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等課題，已成為綜采自動(dòng)化領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)[1]。

當(dāng)前主流的綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)都是采用設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)、操作人員遠(yuǎn)程干預(yù)的模式,即采煤機(jī)工作在記憶截割模式，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)，生產(chǎn)操作人員在工作面巷道監(jiān)控中心通過(guò)計(jì)算機(jī)畫面進(jìn)行遠(yuǎn)程輔助調(diào)節(jié)[2]。由于井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備的自動(dòng)生產(chǎn)還不夠智能，也不夠穩(wěn)定，所以操作人員遠(yuǎn)程干預(yù)是非常重要的。研究如何讓遠(yuǎn)離生產(chǎn)作業(yè)面的操作人員更好地觀察工作面的實(shí)時(shí)情況，對(duì)于綜采工作面生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很重要的課題。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方式是通過(guò)在工作面部署各類攝像儀(液壓支架視頻系統(tǒng)、采煤機(jī)機(jī)載視頻系統(tǒng))獲取實(shí)時(shí)視頻信息，同時(shí)，結(jié)合在生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備上部署各類傳感器采集諸如溫度、電流、電壓等狀態(tài)信息，并通過(guò)通信單元傳輸?shù)焦ぷ髅嫦锏酪约暗孛娴臄?shù)據(jù)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，以供遠(yuǎn)程生產(chǎn)操作人員進(jìn)行分析決策。雖然數(shù)據(jù)信息與視頻信息二者相輔相成取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果，但還是存在一定的問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)信息多是利用組態(tài)軟件等以二維圖形結(jié)合文字、數(shù)字的方式呈現(xiàn)出來(lái)；視頻數(shù)據(jù)則是將攝像儀采集的圖像直接顯示在屏幕上。然而，視頻信息受井下工作面環(huán)境惡劣、光線條件差、煤塵多、視覺(jué)死角、傳輸延遲大等不利因素影響，攝像儀不能很好地發(fā)揮其作用[3]，且二維的數(shù)據(jù)信息雖然受環(huán)境影響小，但呈現(xiàn)方式不夠直觀。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將綜采工作面實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與各傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建出綜采工作面實(shí)時(shí)生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)景[3]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出高仿真度的虛擬礦井作業(yè)場(chǎng)景，利用CAD結(jié)構(gòu)圖將采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等煤礦生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行仿真建模，并根據(jù)三機(jī)配套圖、巷道布置圖等資料，按照實(shí)際位置擺放至虛擬場(chǎng)景中，然后通過(guò)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，將相關(guān)聯(lián)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，同步驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備執(zhí)行同樣的動(dòng)作及位移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維可視化。

為滿足操作人員的監(jiān)控需求，綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)如下。

(1) 綜采工作面全設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。為使操作人員可以全方位監(jiān)視綜采工作面全設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)應(yīng)提供多種視角，比如自主控制視角，即操作人員可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤，自主地移動(dòng)鏡頭并瀏覽場(chǎng)景中的任一設(shè)備、任意位置；系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)控制的智能視角，即解放操作人員的雙手，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，鏡頭智能地自動(dòng)定位至該設(shè)備前，使操作人員可以將更多的精力放在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的處理上，而不是操作軟件。當(dāng)然，該功能應(yīng)針對(duì)不同角色的操作者(采煤機(jī)操作工或支架操作工)有不同的設(shè)定。此外，在關(guān)注某一設(shè)備時(shí)，應(yīng)通過(guò)“實(shí)時(shí)信息框”的方式顯示該設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)信息。

(2) 設(shè)備反向控制功能。即通過(guò)操作虛擬設(shè)備來(lái)控制實(shí)際設(shè)備，比如對(duì)虛擬采煤機(jī)進(jìn)行降搖臂高度操作，實(shí)際采煤機(jī)的搖臂高度可以同步變化。當(dāng)然，該功能的使用需要一些安全機(jī)制的保護(hù)和限制，避免誤操作造成安全隱患。

(3) 預(yù)警及故障報(bào)警功能。提供碰撞預(yù)警及設(shè)備故障報(bào)警功能，如液壓支架和采煤機(jī)的預(yù)碰撞檢測(cè)功能，采煤機(jī)在采煤過(guò)程中，程序根據(jù)其前進(jìn)方向和速度，實(shí)時(shí)計(jì)算出其下一刻的位置，同時(shí)判斷其前進(jìn)方向的支架護(hù)幫板有沒(méi)有收回，并在虛擬場(chǎng)景中對(duì)可能發(fā)生的碰撞支架進(jìn)行變色警示。另外，當(dāng)采煤機(jī)或乳化液泵等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該設(shè)備或該設(shè)備的某部件在虛擬場(chǎng)景中變色警示。

(4) 數(shù)據(jù)回放功能。數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)應(yīng)支持歷史數(shù)據(jù)的讀取和回放功能，為生產(chǎn)情況分析、事故追蹤提供幫助。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，三維虛擬現(xiàn)實(shí)主機(jī)和三維主機(jī)是用來(lái)顯示虛擬工作面場(chǎng)景的，分別部署在井下工作面巷道和地面調(diào)度中心。

圖1　綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊。綜采工作面的設(shè)備眾多，如采煤機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、刮板輸送機(jī)等。通過(guò)在設(shè)備上部署各類傳感器，可以獲得設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。以液壓支架為例，通過(guò)立柱上的壓力傳感器可以獲取立柱的實(shí)時(shí)壓力，通過(guò)底部油缸里的行程傳感器可以獲取支架的推溜行程等。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)模塊。采集到的各設(shè)備信息通過(guò)CAN總線以及工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(圖1中的井下服務(wù)器)。該計(jì)算機(jī)通過(guò)部署在其中的數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)的解析、分發(fā)以及存儲(chǔ)等功能。

(3) 數(shù)據(jù)顯示模塊。在三維主機(jī)中部署虛擬現(xiàn)實(shí)軟件用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。三維主機(jī)本身不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，甚至不會(huì)主動(dòng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，它只是通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)建立并維持連接(TCP/IP協(xié)議)，同時(shí)訂閱數(shù)據(jù)(當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)會(huì)通知三維主機(jī))，并且處理數(shù)據(jù)以及整個(gè)場(chǎng)景中各模型、鏡頭等內(nèi)容的邏輯關(guān)系。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

出于對(duì)計(jì)算機(jī)性能以及數(shù)據(jù)安全的考慮，不能夠只用1臺(tái)計(jì)算機(jī)完成整個(gè)數(shù)據(jù)的處理工作,而需要根據(jù)系統(tǒng)功能要求，由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)組成協(xié)同系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)處理工作，即1臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、分發(fā)；1臺(tái)服務(wù)器計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及上傳；1臺(tái)三維計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控軟件；同時(shí)，另有3臺(tái)計(jì)算機(jī)以二維畫面方式顯示數(shù)據(jù)以及工作面視頻畫面。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，即服務(wù)端/客戶端模式，將服務(wù)端軟件部署在數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)上，其他計(jì)算機(jī)上部署客戶端軟件。這樣做不但可以降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，同時(shí)還能在某臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)保證數(shù)據(jù)安全。

此外，服務(wù)端與客戶端計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接，客戶端軟件只負(fù)責(zé)保持與服務(wù)端的連接(TCP/IP協(xié)議)，同時(shí)在服務(wù)端“訂閱”數(shù)據(jù)，即不主動(dòng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，而是等待服務(wù)器推送變化的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)然，在啟動(dòng)時(shí)或者重啟后，客戶端會(huì)主動(dòng)向服務(wù)器請(qǐng)求全部數(shù)據(jù)，而在此后，客戶端僅處理自身的邏輯即可。

2.2可視元素開(kāi)發(fā)

可視元素集中在上位機(jī)軟件中，是在微軟.NET平臺(tái)下使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景使用引擎Unity3D開(kāi)發(fā)，在運(yùn)行時(shí)作為ActiveX控件集成在軟件系統(tǒng)的客戶端軟件里。可視元素開(kāi)發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)在于仿真模型的制作以及邏輯程序的開(kāi)發(fā)。

2.2.1虛擬設(shè)備仿真模型制作

仿真模型的開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

(1) 仿真模型的構(gòu)建：仿真模型必須按照實(shí)際設(shè)備的CAD尺寸圖進(jìn)行制作，虛擬模型的尺寸比例與實(shí)際一致，以保證設(shè)備模型之間交互時(shí)，達(dá)到與實(shí)際一致的虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

圖2　仿真模型開(kāi)發(fā)流程

(2) 仿真模型的模塊化制作：設(shè)備建模不能像普通的三維動(dòng)畫一樣直接整體建模，而要根據(jù)設(shè)備的機(jī)械原理，將設(shè)備模型分解成部件子模型。以采煤機(jī)為例，由于采煤機(jī)的滾筒旋轉(zhuǎn)、搖臂升降以及連接搖臂的油缸伸縮等動(dòng)作要求，所以，采煤機(jī)的模型將分為機(jī)身、左右滾筒、左右搖臂、各部分油缸等子部件模型，以滿足程序的計(jì)算和控制。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，單是采煤機(jī)模型就需分別制作30個(gè)子模型，以保證部件動(dòng)作的靈活、逼真。

2.2.2程序組態(tài)化架構(gòu)

對(duì)于仿真軟件而言，虛擬場(chǎng)景是對(duì)真實(shí)環(huán)境的還原。所以，相比于底層的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)，界面開(kāi)發(fā)最大的難度在于其復(fù)用性，即要模塊化甚至組態(tài)化地開(kāi)發(fā)以適應(yīng)不同的工作面。不同的煤礦(工作面)由于地質(zhì)條件、煤層結(jié)構(gòu)不盡相同，工作面使用的設(shè)備也不同。基于這一點(diǎn)考慮，為了減少二次開(kāi)發(fā)的工作量，提高程序的復(fù)用性，在軟件的設(shè)計(jì)階段，對(duì)軟件架構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示，以設(shè)備為模塊進(jìn)行劃分，每個(gè)設(shè)備都擁有獨(dú)立于項(xiàng)目以外的專屬腳本，以保證其獨(dú)立性以及通用性；同時(shí)，在總控邏輯模塊內(nèi)處理各個(gè)設(shè)備之間的關(guān)系。這樣，每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，針對(duì)不同的項(xiàng)目，根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行修改即可使用。

2.3LOD圖形優(yōu)化技術(shù)

為了使綜采工作面三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件能夠流暢地在井下隔爆主機(jī)上運(yùn)行，除了采用優(yōu)化模型面數(shù)以及動(dòng)態(tài)加載模型等常規(guī)方式外，還利用LOD(Levels of Detail)技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景整體渲染優(yōu)化，取得了不錯(cuò)的效果。

LOD是對(duì)模型建立一個(gè)模型金字塔，根據(jù)攝像機(jī)距離對(duì)象的遠(yuǎn)近，選擇使用不同精度的模型。它的好處是可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候大量減少需要繪制的頂點(diǎn)數(shù)目。計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)領(lǐng)域里，LOD算法眾多，如經(jīng)典的多面體簡(jiǎn)化算法[4]以及頂點(diǎn)刪除法[5]。本文所設(shè)計(jì)的LOD算法的核心部分是一種基于三角形折疊及頂點(diǎn)刪除的模型簡(jiǎn)化算法，設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)整LOD級(jí)別算法。根據(jù)視角遠(yuǎn)近將模型分為5個(gè)級(jí)別，分別為L(zhǎng)OD1—LOD5，其中，LOD5幾乎是一張貼圖而已，面數(shù)已經(jīng)非常少。而具體確定級(jí)別選擇的變量是幀數(shù)，即幀數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，調(diào)整對(duì)應(yīng)的LOD級(jí)別。LOD算法流程如圖4所示。

圖4　LOD算法流程

支架模型LOD優(yōu)化示意如圖5所示。當(dāng)在屏幕內(nèi)只能看到1個(gè)或幾個(gè)支架時(shí)，使用LOD1模型渲染，即圖5(a)所示的支架模型，面數(shù)為132 561；當(dāng)視角拉遠(yuǎn)至能夠同時(shí)看到不多于50個(gè)架時(shí)，用LOD2—LOD4模型渲染，LOD4支架模型如圖5(b)所示,有7 986個(gè)面；當(dāng)視角再拉遠(yuǎn)至能夠同時(shí)看到50個(gè)支架時(shí)(此時(shí)支架已經(jīng)很小了)，使用LOD5，只是一張貼圖而已。

3結(jié)語(yǔ)

綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)以及LOD等圖像優(yōu)化技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功應(yīng)用在綜采工作面設(shè)備控制中，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面生產(chǎn)場(chǎng)景中采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的采集、傳輸、顯示、預(yù)警以及反向控制等功能。目前，綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)已在神南紅柳林礦、巴彥高勒礦、寧煤梅花井礦等多個(gè)礦井應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求，特別是與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)形成了互補(bǔ)的效果：視頻清晰時(shí)使用傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)；視頻效果較差時(shí)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)觀察工作面情況。此外，支架護(hù)幫板防碰撞預(yù)警等功能是現(xiàn)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)不具備的，使虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)更加實(shí)用有效。

(a) LOD1支架模型

(b) LOD4支架模型

參考文獻(xiàn)：

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[5]SCHROEDER W,ZARGE J.Decimation of triangle meshes[C]// Proceedings of the ACM SIGGRAPH'92,Chicago,1992:65-70.

Design of monitoring and control system based on virtual reality technology on

fully-mechanized coal mining face

LI Hao1,2，CHEN Kai1，ZHANG Xi2，QIAN Jiansheng3

(1.School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining and

Technology (Beijing)， Beijing 100083，China; 2.Beijing Tiandi-Marco Electro-Hydraulic

Control System Company Ltd., Beijing 100013, China; 3.School of Information and

Electrical Engineering, China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Abstract:In view of problems of bad image effect of video monitoring and control in process of automation production on fully-mechanized coal mining face, a monitoring and control system based on virtual reality technology was designed, and function design, structure composition and key technologies of the system were introduced. The system uses virtual reality technology to build up a high-fidelity virtual mine operation scene, and realizes functions of collection, transmission, display, warning and reverse control of real-time state information of production equipment on fully-mechanized coal mining face. The system meets needs of automatic production and monitoring on fully-mechanized coal mining face.

Key words:fully-mechanized coal mining face; 3D virtual reality; production monitoring; automation

作者簡(jiǎn)介：李昊(1983-)，男，北京人，助理研究員，碩士，主要從事煤礦無(wú)人化開(kāi)采及智能控制方面的研究工作，E-mail：lihao@tdmarco.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA06A410)。

收稿日期：2015-12-24；修回日期：2016-02-05；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

中圖分類號(hào)：TD672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 08:57

文章編號(hào)：1671-251X(2016)04-0015-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.004

李昊，陳凱，張晞，等.綜采工作面虛擬現(xiàn)實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：15-18.