基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的礦山機(jī)械設(shè)備仿真系統(tǒng)設(shè)計

安 龍

（大同煤礦集團(tuán)同地紅溝梁煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

結(jié)合我國各類能源儲備總體狀況和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，尤其是我國關(guān)于能源發(fā)展規(guī)劃看，雖然近年來如核電、風(fēng)電、水電等能源有了一定的發(fā)展，但隨著清潔高效的煤炭能源不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍，在未來相當(dāng)長的時間里煤炭依然會作為主要能源的形式[1]。以煤為基的能源供給結(jié)構(gòu)依舊是我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[2]。

到2020年，煤炭的年消耗量將超過40億t，作為高產(chǎn)量、高能耗的行業(yè)就必然會有規(guī)模龐大的從業(yè)人員。而與之相對應(yīng)的是我國多數(shù)的煤炭開采是以礦井為主的方式，存在開采條件差、地質(zhì)條件復(fù)雜、自然危害現(xiàn)象易發(fā)等天然劣勢，尤其是隨著開采活動深入地下后出現(xiàn)的諸如高地下水壓、高瓦斯含量、高地下應(yīng)力等影響采煤活動的復(fù)雜因素交織，一些事故警示表明我國煤炭行業(yè)依然是傳統(tǒng)的高危行業(yè)[3-4]，開展安全知識培訓(xùn)是十分必要的。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的安培方式主要是通過圖、文、影、音等媒介獲取的，以說教式為主的靜態(tài)、局部的安全知識。同時受到校內(nèi)和崗前培訓(xùn)中時間、場地、設(shè)備、工況的限制，難以滿足安培人員從設(shè)備實體結(jié)構(gòu)、工作方式、工作原理、安裝方式、調(diào)試方法、維保作業(yè)方式等在具體工況下形象的認(rèn)識和訓(xùn)練。在一些安培中心具備一定的現(xiàn)場認(rèn)識、操控等方面的培訓(xùn)，但也僅僅局限于部分設(shè)備下的具體工況。對于在礦山生產(chǎn)企業(yè)各個環(huán)節(jié)中的眾多設(shè)備難以全面培訓(xùn)。尤其是受到設(shè)備種類眾多、部分設(shè)計重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝場合難以達(dá)到等制約難以在短時間內(nèi)對安培人員進(jìn)行必要的認(rèn)知、操作、維保等有關(guān)于職業(yè)技能的培訓(xùn)工作。此外由于多數(shù)現(xiàn)場操作人員所受專業(yè)教育背景有限識圖等專業(yè)能力不足導(dǎo)致對現(xiàn)場認(rèn)識不足、結(jié)構(gòu)認(rèn)識不清、操作方法不夠熟練等因素的制約導(dǎo)致達(dá)不到理想的安培效果[5]。

而近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域逐步廣泛的應(yīng)用為礦山企業(yè)從業(yè)人員安培帶來了契機(jī)。其中以虛擬樣機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的礦山機(jī)械數(shù)字樣機(jī)資源庫能夠?qū)⒌V山企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，如掘進(jìn)、開采、分選、清洗、輸送、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)所涉及的設(shè)備的模型以三維實體的方式展示其工作過程、運動原理、操作流程、安裝和拆卸等進(jìn)行全方位展示[6]。結(jié)合虛擬現(xiàn)實還能夠?qū)唧w的工作場景進(jìn)行還原以幫助安培人員從設(shè)備層和工位層完成對礦山設(shè)備的認(rèn)識、了解，并熟悉具體設(shè)備的運行、拆裝和維保操作，以輔助安培人員完成職業(yè)技能的更新和提升，從技術(shù)角度確保礦山企業(yè)安全平穩(wěn)運行。

2 系統(tǒng)概況

結(jié)合系統(tǒng)在礦山從業(yè)人員安培過程中的作用，以虛擬樣機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的仿真實訓(xùn)系統(tǒng)需要在完成具體設(shè)備、工況模型的基礎(chǔ)上，具備模擬具體工作環(huán)境、演示具體工作原理、虛擬拆裝和考核等具體功能。

一方面需要系統(tǒng)具備虛擬技術(shù)的先進(jìn)性，能夠模擬礦山企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類不同層次的設(shè)備、具備和實際設(shè)備、工作環(huán)境相當(dāng)?shù)姆抡骟w驗，同時要求在技術(shù)上能夠模擬如碰撞檢測、摩擦等基本的物理特性。同時還要求系統(tǒng)本身具有一定的軟、硬件兼容性，包括軟件版本和操作系統(tǒng)的兼容性、設(shè)備仿真實體的兼容性。也要求系統(tǒng)在人機(jī)交互方面表現(xiàn)出應(yīng)有的性能以適應(yīng)考核的功能[7]。

一般的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由軟件環(huán)境、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、交互設(shè)備等構(gòu)成，由于本文所涉及的系統(tǒng)主要面向礦山企業(yè)從業(yè)人員安培工作對軟硬件性能要求不嚴(yán)格[8]。所需硬件投入不大，具體構(gòu)成如下頁圖1所示。

由于礦山機(jī)械虛擬仿真系統(tǒng)是桌面級的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，因此軟硬件要求較低，對設(shè)備的投入不大。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該虛擬現(xiàn)實的主要硬件設(shè)備包括：高性能的計算機(jī)、信息輸入與輸出設(shè)備、控制設(shè)備。

軟件環(huán)境中采用的開發(fā)軟件主要由：VC++、3DMAX、EON Studio、3D 開發(fā)引擎等，VC++ 是由微軟開發(fā)的基于面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)平臺。3DMAX是制作專業(yè)三維模型和動畫的軟件工具；3D開發(fā)引擎是一種平臺，它一方面包含開發(fā)虛擬現(xiàn)實軟件基本的功能，另一方面它還具有多種功能的引擎庫，如物理引擎庫、光影引擎庫、圖像渲染引擎庫等。而用戶在使用過程中所需要的軟硬件設(shè)備包括：

電腦硬件：2G以上內(nèi)存，獨立顯卡（1G以上顯存）。軟件：Windows XP、window7、window8、window10及以上版本，Direct3D（一般顯卡安裝光盤中會自帶并默認(rèn)安裝）。Microsoft Windows 2012、Microsoft SQL Server 2005。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)在整體上按照以崗位環(huán)境為導(dǎo)向、以設(shè)備模型為基礎(chǔ)、以掌握技能為目標(biāo)、以生產(chǎn)安全為要求、以完成項目為途徑的設(shè)計理念展開，力求在以大中型礦山企業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)代化設(shè)備為主，以全三維仿真的形式按照一般礦山企業(yè)生產(chǎn)中采煤、掘進(jìn)、運輸、通風(fēng)、排水等7個生產(chǎn)系統(tǒng)中的典型設(shè)備的運行場所和重要崗位的工作環(huán)境為主要內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計。具體強(qiáng)調(diào)兼容性和實用性。

如圖2可知系統(tǒng)由交互設(shè)備、計算機(jī)、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。在系統(tǒng)設(shè)計的功能定義階段是在確定系統(tǒng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，開展功能模塊的設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行媒介信息的選擇以實現(xiàn)仿真實訓(xùn)的目標(biāo)。具體包括系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計、系統(tǒng)界面的設(shè)置、腳本編寫等環(huán)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)功能模塊設(shè)置的過程：首先是在明確具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械設(shè)備和電氣元件在工作原理、拆裝步驟、維保方式等方面的培訓(xùn)內(nèi)容，結(jié)合具體崗位職責(zé)、安培大綱確定具體實訓(xùn)項目上各項仿真任務(wù)、仿真實訓(xùn)要求、技能仿真操作考核標(biāo)準(zhǔn)，在對整體安培要點設(shè)定適當(dāng)?shù)拿浇榛A(chǔ)上，完成系統(tǒng)內(nèi)容大綱的編寫。其次是需要在明確目標(biāo)用戶需求的基礎(chǔ)上展開，從企業(yè)生產(chǎn)層面圍繞生產(chǎn)運行過程的演示，從安培人員實訓(xùn)角度是按照具體生產(chǎn)系統(tǒng)工作流程分別就具體職業(yè)、崗位、工作所應(yīng)具備的技能，從強(qiáng)交互性到觀看性等具體崗位不同層次的仿真需求展開基于虛擬現(xiàn)實的生產(chǎn)仿真系統(tǒng)功能設(shè)置。

在具體的交互式界面的設(shè)置中按照簡潔性、兼容性、便易性，符合安培知識結(jié)構(gòu)、與一般認(rèn)知規(guī)律相符的原則對畫面進(jìn)行設(shè)置。其次還應(yīng)兼顧系統(tǒng)運行平穩(wěn)流暢和方便交互等原則進(jìn)行設(shè)計。圖3為安培實訓(xùn)系統(tǒng)一級界面布局。

圖3 安培系統(tǒng)界面布局

在完成具體功能設(shè)置和系統(tǒng)內(nèi)部重構(gòu)的基礎(chǔ)上開展的制作過程包括數(shù)據(jù)采集、模型制作、基本物理屬性設(shè)置、交互性設(shè)計、系統(tǒng)組建、內(nèi)部調(diào)試、學(xué)員試用、驗收等階段。具體研發(fā)流程如圖4所示。

圖4 實訓(xùn)仿真系統(tǒng)開發(fā)流程

4 結(jié)語

在我國煤炭產(chǎn)業(yè)向高效清潔轉(zhuǎn)變的背景下，通過對傳統(tǒng)礦山生產(chǎn)安全培訓(xùn)方式的局限性進(jìn)行分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，從礦山機(jī)械虛擬仿真系統(tǒng)在軟硬件方面的配置要求出發(fā)，按照礦山企業(yè)生產(chǎn)中采煤、掘進(jìn)、運輸、通風(fēng)、排水等主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成了以目標(biāo)用戶需要為導(dǎo)向，以功能模塊劃分為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)便捷式交互式界面設(shè)計的系統(tǒng)總體設(shè)計，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的這一方式為今后礦山機(jī)械設(shè)備的安裝培訓(xùn)探索出一條新的路徑。