基于VR技術(shù)的井下排水可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

薛彩龍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

為了確保煤礦井下排水系統(tǒng)的正常工作，各生產(chǎn)企業(yè)依托于數(shù)據(jù)總線技術(shù)開發(fā)了一系列的煤礦井下排水系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]，但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息主要以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行顯示，在同一時(shí)刻顯示的數(shù)據(jù)類型多、信息量大，工作人員在監(jiān)測(cè)時(shí)候需要不停的進(jìn)行切換，工作量大、效率低，極易忽略掉重要的數(shù)據(jù)信息，因此需要對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要將井下排水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示終端、運(yùn)行故障報(bào)警等系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，將其劃分為不同的層次，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成與模塊化組合。為確保對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)的同步監(jiān)測(cè)，要求該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有多參數(shù)的同時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸功能與實(shí)時(shí)性功能，采用CAN數(shù)據(jù)總線[2]為基礎(chǔ)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體系，采用物理層的物理介質(zhì)互聯(lián)互通方案，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、傳輸設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在該監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中，采用了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，各類數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)總線中利用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息交換。工作人員在監(jiān)控中心的控制終端通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出各類控制指令，設(shè)備各節(jié)點(diǎn)收到控制指令后調(diào)整完成相應(yīng)的動(dòng)作，并將控制指令反饋給各監(jiān)測(cè)終端，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能獨(dú)立完成各類信息的發(fā)送和接收，并根據(jù)信息完成相應(yīng)的控制動(dòng)作和調(diào)整。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)傳輸與監(jiān)測(cè)應(yīng)用端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息訪問與交互的端點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)可分為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、顯示，信息采集及處理，功能任務(wù)分配及結(jié)果暫存等部分，控制人員可利用系統(tǒng)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)各類監(jiān)測(cè)資源的實(shí)時(shí)訪問。設(shè)備監(jiān)測(cè)層主要用于對(duì)系統(tǒng)中所有設(shè)備的管理，控制人員可以通過設(shè)備監(jiān)測(cè)層對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)控制。數(shù)據(jù)通訊層是該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)信息交換的區(qū)域。

圖1 三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)

2 可視化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由各類傳感器設(shè)備組成，用于在排水設(shè)備工作時(shí)對(duì)各排水設(shè)備的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與儲(chǔ)存，是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷的“耳目”，該可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括溫度信號(hào)采集、速度信號(hào)采集、壓力信號(hào)采集、電流信號(hào)采集、排水流量信號(hào)采集及各單元開關(guān)量的信號(hào)采集，如下頁(yè)圖2所示。

3 可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三維建模

為確保控制終端對(duì)排水設(shè)備工作狀況觀察的直觀性，對(duì)三維可視化建模的要求較高，綜合評(píng)估后利用3Ds MAX三維建模工具軟件[3]對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)排布進(jìn)行三維可視化建模，在建模時(shí)可只針對(duì)排水設(shè)備外觀及需要觀察的部分進(jìn)行分開建模，其他部分則直接對(duì)外觀按照1∶1的比例進(jìn)行建模即可，該三維可視化運(yùn)行的畫面采用CPU及高端顯卡進(jìn)行控制顯示，避免在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)卡阻，根據(jù)計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)原理及實(shí)際的建模工作經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)該排水系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化建模時(shí)應(yīng)遵循以下原則：模型畫面盡量簡(jiǎn)化，只針對(duì)需要觀察的地方進(jìn)行細(xì)致建模，避免運(yùn)行畫面太多造成CPU運(yùn)行速度降低，出現(xiàn)運(yùn)行畫面卡阻現(xiàn)象；三維建模時(shí)盡量減少鋸齒及紋理模糊，避免影響模型的渲染；盡量降低模型數(shù)量，避免影響系統(tǒng)運(yùn)行速度；對(duì)模型密度進(jìn)行合理排布，避免分布不均造成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的卡阻。

該三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三維建模如圖3所示。

圖2 三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

4 三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)三維可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用CAN數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的采集及控制，并實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)和上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)通與通信[4]，該可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由煤礦井下前端的現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。煤礦井下前端的現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用總線網(wǎng)絡(luò)將位于不同區(qū)域的多個(gè)排水設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行連接，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)各排水設(shè)備及積水區(qū)域積水情況的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)和收集，并將數(shù)據(jù)匯總進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存服務(wù)器和各監(jiān)控點(diǎn)之間利用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，各監(jiān)控分站返回與服務(wù)器之間的通訊連接情況，上位機(jī)系統(tǒng)利用TCP/IP通訊協(xié)議與服務(wù)器相連接，控制程序的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過服務(wù)器和下位機(jī)相連接，通訊系統(tǒng)采取了服務(wù)器/客戶端的網(wǎng)絡(luò)架結(jié)構(gòu)。

圖3 三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)虛擬視圖

圖4 三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖

5 結(jié)論

1）該可視化三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和三維虛擬場(chǎng)景有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各控制設(shè)備工作狀態(tài)的三維直觀監(jiān)測(cè)控制，可操作性好；

2）采用扁平化控制系統(tǒng)，具有信息傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，完全滿足對(duì)井下排水設(shè)備不間斷監(jiān)測(cè)和快速調(diào)節(jié)的要求，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。