基于Quest3D的煤矿主扇风机虚拟现实的研究

刘少华 孟国营

（中国矿业大学（北京）机电工程学院，北京 100081）

基于Quest3D的煤矿主扇风机虚拟现实的研究

刘少华 孟国营

（中国矿业大学（北京）机电工程学院，北京 100081）

以煤矿主扇风机为研究对象，开发了基于Quest3D和SQL Server数据库技术的风机三维虚拟现实系统，同时介绍了系统的功能及总体结构框架。该系统为三维煤矿虚拟现实系统应用软件的开发提供了一种基本的参考模式，并且对实现煤矿数字化具有一定的指导意义。

煤矿主扇风机；设备监测；虚拟现实；Quest3D

0 引言

主扇风机是煤矿生产的重要设备之一，对其运行状态进行监测是保障煤矿安全生产的重要手段。但是，传统的主扇风机监测方法还是以参数列表和二维图形为主，风机运行状态没有得到直观反映[1]。本文基于Quest3D虚拟现实软件，开发了煤矿主扇风机的三维虚拟现实系统，并设计了数据驱动程序，以现场数据驱动系统运转，以此直观反映设备的运行状态。

Quest3D是一款先进的实时3D建构软件，提供了很多预设的channel，每个channel具有特定的功能，运用这些channel，用户可以方便快捷地搭建起功能完善的仿真应用程序。

1 系统总体设计

煤矿主扇风机三维实时显示系统的主要作用是在满足对设备监测功能的前提下，实现现场设备运行状态的可视化，能更为直观地观察设备的运行状态。其主要功能具体包括：

①建立一个逼真的煤矿主扇风机工作场景，并能对场景内的设备进行查询管理；

②建立漫游相机，能实现对设备的多方位观察；

③建立数据驱动程序，实现对虚拟设备运行状态的驱动；

④建立工况显示画面，实时显示设备运行参数；

⑤建立报警模型，实现设备运行报警。

根据对煤矿主扇风机虚拟现实系统功能的详细划分，系统的开发主要分为模型建立、模型渲染、功能搭建3大部分。系统主要开发流程见图1。

图1 系统开发流程

2 三维模型的建立

Quest3D支持3DSMAX以及MAYA等主流三维建模软件。但是，3DSMAX和MAYA等建模软件虽然具有强大的渲染功能，却很难建立高精度的机械设备模型。为解决这个问题，本文首先采用PRO/E建模软件建立主扇风机的三维实体模型，然后将此模型导入3DSMAX中进行材质渲染[2]。PRO/E模型建立完成之后，将其另存为.OBJ格式的文件，用3DSMAX直接导入即可。环境模型主要包括风机房、草地树木等模型。这些模型精度要求不高，3DSMAX完全满足建模要求。模型建立完毕之后，在3DSMAX中将模型另存为.x文件，为Quest3D导入模型做好准备。

3 Quest3D中模型的渲染

将建立好的模型的.x文件直接导入Quest3D中，会在channel视图中自动生成模型的channel组，为该channel组添加一个Start 3D Scene通道和Render通道，将三维模型的channel组、Render通道和Start 3D Scene通道由下至上依次连接，并设置Start 3D Scene通道为起始通道，此时在Quest3D的Preview视图中就能显示出煤矿主扇风机以及周围环境的三维视图。

Quest3D具有很强的模型渲染能力，通过添加不同功能的channel组，可以在场景中建立灯光、贴图以及摄像机。本系统灯光采用点光源，图2是光源的通道设置。

图2 光源通道设置

为使模型更为逼真，系统对模型进行贴图设置。Quest3D贴图图片的像素必须是2的8次方以上。

为方便用户能够从不同角度观察风机的状态，系统在场景中设置一个第一人称行走相机（1stWalkthrough Camera）。同时，通过添加 Collision Object Channel来设置外墙以及风机外壳为碰撞物体，以此保证相机在行走的时候不会穿过此模型。图3是相机以及碰撞物体的设置。

图3 相机及碰撞物体的设置

4 Quest3D功能的搭建

4.1 数据的接收与处理

Quest3D提供MY SQL和ODBS3.0两种数据库的连接，本文选用MY SQL连接数据库。拖动一个DB Driver MYSQL channel到视图中，建立MY SQL连接，然后可以使用DB QUERY channel查询数据。必须注意的是，在它的属性窗口中，需要设置数据源和查询名称。数据的查询结果可以通过DB Value或者DB Text存储，在它们的属性窗口选择查询和字段，其子连接可以指定行列数。图4是数据存储通道的设置。

图4 数据存储通道设置

4.2 三维动画的驱动显示

以风机各个部件类别分别建立一个Array Table Channel，从而以数组方式记录每个设备的静态属性及DB QUERY channel实时输出的动态参数。由设备的静态参数结合实例技术构建风机系统三维场景，由动态参数驱动相应的风机部件模型的运动，从而实现风机工作状态的三维实时显示[3]。图5是参数驱动通道的设置。

图5 参数驱动通道设置

4.3 报警设置

当风机的运行参数出现故障特征的时候，系统要能够发出报警，并在屏幕上显示报警参数以及加亮相应的故障部件。本文首先设置各类参数的上下限值，然后将DB QUERY channel的输出数据输入IF channel进行判断，若输出数据超出上下限值，则发出报警。报警发出时，通过Trigger channel触发报警动画（部件加亮显示）。报警参数的屏幕显示选用2D Screen Text channel实现，在其Text子连接的属性窗口分别设置报警参数名称、报警值以及报警时间等内容。图6是报警通道设置。

图6 报警通道设置

5 实现效果

本文开发的风机三维虚拟现实系统全面、准确、直观地反映了风机现场运行状态，系统效果见图7。

图7 系统效果

6 结论

本文以Quest3D为工具，开发了煤矿主扇风机三维虚拟现实系统，将风机的运行状态更直观准确地表现出来，为煤矿设备的可视化监测提供了一种具有通用性的方法，促进了煤矿数字化的建设水平。

[1]华臻，范辉，靳钟铭.虚拟现实在矿井通风中的可控可视化应用[J].煤矿机电.2003(5)：83-86.

[2]毛善君，熊伟.煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现 [J].煤炭学报，2005，30(5)：571-575.

[3]何治斌，张均东，林叶锦，等.国内外轮机模拟器的发展及对比研究 [J].造船技术，2007(1):38-39.

Research on Virtual Reality of the Mine's Main Fan Based on Quest3D

Liu shaohua Meng guoying

(China University of Mining&Technology,institute of electrical and mechanical engineering,Beijing 100081)

With the mine's main fan for research object,this paper develops a three-dimensional virtual reality system of main fan based on database technology of Quest3D and SQL Server.And it introduces its main function and system structure.This system provides a basic reference pattern for designing further application software for threedimensional virtual reality in coal mine.And it has a certain significance to achieve coal mine digital.

the mine's main fan；equipment monitoring；virtual reality;Quest3D

TD441

A

1000-4866（2012）03-0001-03

刘少华，女，中国矿业大学（北京）机电工程学院，硕士研究生。

2012-05-25

2012-06-15