虛擬現實技術在礦井災害防治演練中的應用

孟龍

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.030

摘? 要：從煤礦安全培訓實際需求分析入手，文章確定了礦井災害防治演練的總體目標和設計方案，將沉浸式虛擬現實技術引入至煤礦安全培訓領域，研發了基于虛擬現實技術的煤礦井災害防治演練平臺。通過音效、文字、動畫、三維漫游等形式，展示礦井災害發生原因及造成的后果，該系統的使用極大提高了礦井安全培訓的質量，取得了良好的培訓效果。

關鍵詞：虛擬現實技術;頂板災害;3ds Max;Unity 3D

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0108-04

Application of Virtual Reality Technology in the Drill of Mine Disaster?Prevention and Control

MENG Long1，2

（1.China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design and Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China;

2.Nanjing YHD Intelligent Solutions Co.，Ltd.，Nanjing? 210031，China）

Abstract：Starting from the actual demand analysis of coal mine safety training，this paper determines the overall goal and design scheme on the drill of mine disaster prevention and control，introduces immersive virtual reality technology into the field of coal mine safety training，and develops a coal mine disaster prevention and control drill platform based on virtual reality technology. Through the forms of sound effect，text，animation，three-dimensional roaming，etc.，the causes and consequences of mine disasters are displayed. The use of the system has greatly improved the quality of mine safety training，and has achieved good training effect.

Keywords：virtual reality technology;roof disaster;3ds Max;Unity 3D

0? 引? 言

煤礦礦井開采的重要特點是井下作業、工藝復雜、存在許多不確定因素。同時，煤礦生產系統包括“采、掘、機、運、通、排”等多個子系統^[1]，安全生產問題比較突出，管理難度較大。一直以來，煤礦企業、高校等均利用傳統的教學方式使得學員來熟悉煤礦的生產系統、生產環節和空間結構。導致學習質量無法保證，甚至還影響了煤礦的安全高效生產。

提高安全培訓課程的質量，一直是煤礦安全培訓工作者及煤礦企業追求的目標^[2]。基于虛擬現實技術的安全培訓系統開發，為學員提供三維動態環境下的安全信息、操作規程，將比以往在紙上獲取的靜態信息要牢固、有效得多^[3]。

1? 虛擬現實技術概述

1.1? 虛擬現實技術

虛擬現實技術是伴隨多媒體技術發展起來的計算機新技術，它利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨率顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境。用戶需借助VR眼鏡及定位等設備實現在虛擬世界中對物體進行交互操作，進而產生身臨其境的感受和體驗，虛擬現實系統主要由計算機（服務器）、應用軟件系統（內容制作）、輸出輸入設備（硬件）、用戶和數據庫組成。系統組成如圖1所示。

1.2? 虛擬現實系統3I特性

虛擬現實系統的基本特征是三個“I”：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination），具體示意圖如圖2所示。

沉浸性是指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界之中一樣，沉浸性來自于對虛擬世界的多通道感知性，除了通常的視覺和聽覺外，還有觸覺、力覺、運動等多種感知^[4]。交互性是指用戶對虛擬環境內的物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，虛擬現實系統強調人與虛擬世界之間的自然交互，借助于頭顯設備和操控手柄（手套），以逼真的方式與虛擬環境交互，實時產生身臨其境的感覺^[4]。想象性是指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位地獲取知識，發揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念^[5]，虛擬現實系統開發是虛擬現實技術與設計者思想的結合，為充分發揮它們的創造性和想象性而開發設計并實現的。

2? 總體方案設計

2.1? 總體目標

將VR技術與煤礦災害預防培訓和救援演練培訓相結合，針對巷道頂板災害，進行VR硬件系統集成、制作VR培訓內容制作與軟件開發，開創沉浸、真實、可交互的VR培訓方式在煤礦安全培訓中的應用。

2.2? 功能設計

本系統以井下巷道頂板災害為原型進行內容制作，具體功能如下文所述。

2.2.1? 內容演示功能

根據礦井災害案例，基于虛擬現實技術的礦井災害防治演練平臺內容應包括災害場景還原、災害形成原因分析、安全生產規范流程操作、知識問答等。

2.2.2? 漫游功能

漫游功能的實現采用的是人機交互的方式，系統搭建的井下虛擬生產環境能直觀、細致、全面地展示井下作業環境，使學員能夠在虛擬環境中了解災害場景再現情況、災害預兆顯現與原因分析及災害發生后應急措施等。在搭建的虛擬礦山模型之中，可根據環境中文字或語音提示，結合手柄操作進行場景的切換。

2.2.3? 交互功能

演練平臺設置巷道頂板災害的培訓內容，以頂板災害發生的全過程為主線，結合相關設備操作、工藝流程、災后救援知識和經驗的問答，通過模擬災害現場環境，讓學員深刻掌握煤礦災害知識。

2.3? 頂板災害仿真內容設計

通過煤礦現場調研，編制礦井頂板災害腳本，腳本大綱為：（1）真實還原掘進巷道永久支護段，作為頂板災害現場。場景內模型應包括安全宣傳板（掘進相關規章制度、巷道平面圖、避災路線圖）、井下電話及指示標志、逃生箭頭標志、軌道、皮帶機、掘進機設備。（2）體驗者通過傳輸點進入掘進工作面。軟件應對掘進機工作狀態進行仿真模擬。（3）掘進機停止工作后，體驗者可使用VR手柄操作錨桿鉆機，進行移動、架設、鉆孔操作。（4）鉆孔時發生片幫及頂板災害。應使用煙塵、碎石等特效手段真實表現災害危害性。（5）對災害原因進行分析說明。（6）提供安全生產規范流程，按照敲幫問頂、臨時支護、鉆孔、永久支護的流程依次展現虛擬場景。（7）可使用VR手柄進行選擇答題，進行頂板災害問答，軟件自動打分、評級。

3? 礦井災害防治演練平臺關鍵技術研究

3.1? 沉浸式仿真環境建模

3ds Max和Maya是實現真實三維建模的關鍵軟件，本系統研發中主要用到的功能包括幾何體建模、二維圖形建模、材質與貼圖、燈光與環境、場景烘焙、攝像機和動畫制作，仿真建模樣例如圖3所示。

3.2? 沉浸式仿真環境動畫制作

在3ds Max完成場景燈光的布置，然后給設備設施、人員、攝像機視角調節動作，根據調節設備設施、人員、攝像機動作決定在哪個攝像機的哪些部分需要進行渲染，然后進行相關動畫序列的渲染，制作界面如圖4所示。

3.3? 系統交互功能開發

本系統中包含模型種類多，且需要實現環境漫游、災害展示、設備操作、虛擬考核等工作任務。經過對國際主流交互仿真軟件的綜合對比分析，結合煤礦災害演練培訓的實際情況，選取Unity3D平臺作為礦井災害防治演練系統的開發平臺，系統主要交互功能主要有下文所述的兩種。

3.3.1? 場景漫游

場景漫游時，通過不斷移動攝像機位置或改變攝像機方向從而產生場景變化的效果實現漫游功能。在沉浸式場景漫游開發中需要在Unity3D安裝Steam VR插件，通過調用預留的API實現利用控制手柄在三維場景漫游的功能，API函數調用界面如圖5所示。

3.3.2? 設備操作

系統通過編寫C#語言腳本賦予各子物體屬性。比如，為在虛擬場景中實現通過控制手柄裝拆鉆機鉆桿目的，需要為鉆機各子對象添加碰撞檢測組件和碰撞干涉組件，此時用到的碰撞檢測函數為On Trigger Enter（），當控制手柄與鉆機子對象發生碰撞時則將修改子對象的三維空間坐標為在原坐標上加子對象跟隨控制手柄移動的相對位移，抓取的交互代碼為：

void OnTriggerEnter（Collider other）? //當觸碰時

{

if（other.CompareTag（"Player"））

{

isGrab = true;

transform.localPosition = Vector3.zero;

}

}

public void OnGrap（）? ?//當抓取時

{

ishaps = true;

handhighlight.SetActive（false）;

}

3.4? 硬件平臺搭建

礦井災害防治演練平臺硬件由計算機（服務器）、頭顯設備、操控手柄、激光定位器和定位器支架組成，計算機負責平臺的開發、運行和數據處理，頭顯設備為學員提供三維場景并將其位置信息發送給定位器，操控手柄用于在三維場景中實現物體交互及移動，激光定位器通過紅外LED陣列以固定頻率分別以垂直和水平兩個模式掃描整個房間實現頭顯設備和操控手柄的定位，支架起支撐定位器的作用，在定位器掃描的范圍內能夠準確定位頭顯設備和操控手柄的位置。硬件結構組成如圖6所示。

4? 平臺應用效果

4.1? 初始界面效果

人與系統進行交互的方式主要是通過頭顯設備中界面提示和控制手柄操作，以及PC桌面控制端的操作進行。在本培訓系統中以圖形、菜單和圖標等形象的界面來表達相關信息，界面直觀性強，用戶通過手柄等來完成操作。具體災害場景引入界面如圖7所示。