虚拟现实技术在矿山火灾中的应用

李洁琼 路守克 薛玉芳 孙云霞

（1、3、4、安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽 淮南232001；2、炮兵学院计算中心，安徽 合肥230031）

金属矿井在开采过程中，由于矿脉、水层、岩石等均埋在地下，通过钻孔获得地下岩层相关数据后，可在水平面绘制地质剖面图矿山设计和开采时，基于不同水平剖面图的综合来想象地下矿体和岩体的资源赋存结构，进而决定采用何种采矿方法，在何处进行开采。由于无法看到直观的立体内部地质结构，想象出来的模型与真实的三维世界存在误差，因此设计的开采方案不尽合理，甚至存在偏差。虚拟现实是先进的计算机、图形图像、多媒体、模拟仿真相结合的技术，通过创建立体场景来表现真实的世界。虚拟现实的建立需要一定的硬件和软件环境，应以具体的矿山实际为基础，根据系统的硬件构造特点，考虑现场条件选用合适的方法工具来建立三维模型，并结合现场的专业数据来创建地下矿山的立体场景。通过立体眼镜和显示设备来观察真实的立体效果。避免立体想象的偏差。对人们在矿井通风、生产安全、采矿调度、地质勘探等方面的研究和决策有重要的指导意义。

应用现状及发展趋势

煤矿生产具有人员多、作业分散、设备设施多、分布面广、自然条件恶劣、不安全因素多、作业环境复杂等特点，自然灾害和生产事故的危险因素始终影响和制约着煤矿的安全生产。随着虚拟现实技术的发展，在煤矿安全领域有了一定 应用研究，且前景十分广阔。VR技术在煤矿中的应用主要在以下几个方面：煤矿及其生产系统的设计和规划、采掘工作面的虚拟、矿井灾害模拟等。尽管限于当前软、硬件技术水平，VR系统目前还只能达到部分真实感的程度，但其前景可观，已成为当今世界关注的热点科技之一。VR技术在我国煤矿安全领域的应用刚刚起步，随着这种技术研究工作的不断深入，VR技术必将成为煤矿安全中科学可视化、员工培训、救灾决策等方面的重要手段，并且在矿山优化设计、生产管理、危险性评价等方面一定会有更广阔的应用前景。

主要内容：

以Maya和3Ds max作为煤矿生产虚拟现实系统的开发软件，用Visual C#程序设计语言，虚拟建模语言VRML,计算机图形学等知识编制虚拟现实软件，主要模拟采区通风系统，当运输巷皮带跑偏与机架摩擦引起火灾时，先是自动喷淋系统喷水灭火：如果火灾蔓延，就模拟火灾的蔓延过程；工程人员关闭风门的过程；矿井撤退的过程；人员巷道中行走时，烟流对人员造成的影响等。以及救护人员采用水龙头喷水灭火时，如果在上风侧灭火，发生的烟流滚退现象等。

1 煤矿火灾虚拟现实环境系统开发工具软件简介

随着计算机技术的快速发展，可用于虚拟现实开发的软件业迅速增多，比如Light Wave 3D,Maya,3DMAX,VRP等，它们功能强大，但一个完善系统开发仅靠某一个软件往往是不够的，这里我选择了Maya和3Ds max作为煤矿虚拟现实系统的开发软件。下面针对这两款软件分别作简单的介绍。

1.1 Maya简介

Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件．应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端铡作软件。Maya集成了Alias／Wave front最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya可在Windows NT与SGI IRIX操作系统上运行。

3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件，最新版本是2011。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DSMAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作。

2 煤矿火灾虚拟现实环境系统模拟过程

2.1 收集整理资料

煤矿火灾场景非常复杂，各个环节紧密相连，为了真实体现生产过程中的各个环节并且突出重点，必须在模拟的过程中，根据需要进行必要的资料收集．资料主要包括图片、数据、视频、书籍等。只有在对资料进行认真研究的基础上才能使仿真场景和实际现场相接近，同时积极的现场观察也是非常必要的。

2.2 系统场景模型的建立

场景模型是整个虚拟现实系统最直观的部分。场景模型的好坏直接关系到软件运行的快慢和逼真度。由于虚拟现实系统要求计算机实时计算场景中的所有多边形数据，因此在模型建立的过程中，应该在保证场景不失真的前提下力求线条的简约化，在建模的过程中还要注意详略得当，对于需要特别突出的模型，就要建得详细些，可以适当多使用一些面片，而对于不重要甚至不需要体现的模型或者模型的某些部分，面片数就要简化甚至省略。这样就能有效地利用计算机的内存和CPU进行实时交互。此外，矿山火灾系统是一个非常大的场景，因此在建模的过程中作者采用先分别建模最后集中导入的方式。在建模的过程中还要严格控制模型比例使其符合真实情况。模型及场景建立完成以后，给模型的表面加上各种材质并进行纹理贴图。由于Maya和Photoshop能很好结合，因此，在贴图的过程中要借助Photoshop对所需要的图片进行必要的加工和制作。接着要把初步建成的模型导入到3Ds Max中进行检验，对不正确和不美观的部分再进行不断地修改。最终利用3Ds Max Export Pidgins插件导出文件。

2.3 系统场景整合

将从Maya中导出的(*．nmo)文件用3Ds Max打开，为它们加上各种控制和灯光。在3Ds Max中，场景三维模型的控制是依靠3Ds Max内置行为模块实现的。3Ds Max有600多个行为模块可供使用，能够对场景模型进行各种基本操作，如：大小变化，平移，旋转，缩放，颜色变化，光线变化，三维贴图等，复制操作如投影．行走，奔跑。后退等。实现对三维编辑区中的模型进行控制，一种方法就是直接调用行为模块库中的内置Building Blocks，一种是使visual c#进行手工编写Building Blocks。前者简单方便，后者比较灵活。点击Data Resource(数据资源库)，选择Animations(行为动作)类中的行为，用鼠标点击所要的动作行为并拖到3DLay—out(一维世界编辑区)中的角色身上．并在Schematic(脚本流程图)中运用行为交互模块库中的行为模块编辑角色相应的脚本，这样就形成了3D交互动画。经过以上过程的设置后，便可以将诸如采区通风系统，运输巷皮带跑偏与机架摩擦引起火灾时，自动喷淋系统喷水灭火，工程人员关闭风门的过程；矿井撤退的过程；人员巷道中行走时，烟流对人员造成的影响等过程逼真地展现出来。为了更好地实现漫游效果，本文在系统中增添了一个虚拟人物角色．并将摄像机以第三人称跟方式进行设置，这样就可以让操作者产生身临其境的感觉。

结语。建模技术可以减少矿山救护时的实际训练费用，并大大减少训练时的危险性，而且还可以不受时间、地点、天气的影响，任意设置实际灾害中可能出现的一些特殊情况。它也可以提高煤矿安全及生产管理人员的安全意识，提高管理水平，预防重大灾害的发生，提高矿井救灾人员处理灾害的决策应变水平，并把矿井灾害的伤亡和损失降到最低。同时可以协助调查事故原因。另外，通过软件演示可以实现矿井安全救灾防灾的实际培训。

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