基于B／S架构的掘进机运行仿真与故障诊断系统研究

汤其建

（永城职业学院，河南 永城476600）

1 国内外研究现状

在国外，虚拟现实技术已广泛应用于煤矿设计和规划、矿井灾害的模拟、煤矿安全生产培训等方面。美国宾夕法尼亚大学开发的虚拟现实矿工培训系统允许用户在虚拟工作面上检查故障隐患，如顶板支护是否合理，工作面设备是否正确放置，以及应该采取哪些措施。德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG，是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、开采设计、工作面状况等方面的简化条件，学生可以进行决策和管理。

在国内，虚拟现实技术方面的研究刚刚起步，但也已经取得了一定的发展。在重大事故调查分析中，利用粒子系统和动态纹理技术可以形象再现瓦斯爆炸、火灾等复杂事故过程和发生原因；目前，中国矿业大学和DMT－TFH合作，已将STMBERC应用于真实矿井中，开展火灾防治等方面的研究〔1〕；在煤矿培训和教育方面，以徐州翰林科技有限公司和西安和利德软件有限公司为代表的企业研发了一些煤矿虚拟仿真教学设备，一些产品已经市场化，但是，根据我们的调查，存在以下显著不足：

（1）仿真度低。目前市场上的虚拟仿真教学设备与真实设备和场景差别较大，影响设备的推广和应用。

（2）信息传递通道以展示为主。目前市场上的虚拟仿真教学设备主要以多媒体展示为主，交互式虚拟训练功能较少。

（3）操作考核内容较少，且单一。缺少突发状况处置、各种故障诊断排除等方面的训练和考核，而这些内容往往是掘进机司机培训的重要部门。

（4）均为单机版，购买使用成本较高，推广和应用效果不理想。

2 系统实现

本系统由永城职业学院独立开发，目前已完成大部分工作，待系统完善后即可发布，面向职工培训机构、煤矿类职业院校提供掘进机操作训练服务。

2.1 技术路线

系统整体采用B／S结构。服务器端采用VB.net面向对象程序设计语言开发；通讯系统采用TCP／IP体系结构和协议。浏览器端采用国际主流游戏开发引擎Unitiy3d 4.0，建模和渲染采用3DMax，脚本程序开发采用C＃语言。

2.2 硬件系统设计

本系统硬件结构见图1，服务器安放在永城职业学院网络中心，全国各地的职工培训学校和职业学院经过网关许可后都可以通过互联网与服务器连接，在线开展掘进机运行仿真与故障诊断实训。实际上，只要有互联网，在未得到服务器网关许可的情况下，也可以借助我们的系统进行掘进机操作实训，只是无法进行突发状况处理、故障诊断等内容的实训。

图1 掘进机运行仿真与故障诊断系统硬件架构

2.3 模型建造及工作面布置

以我国某大型煤矿机械厂家生产的EBZ160型悬臂式掘进机为原型，完成了模型建造工作（见图2）。初步制作了掘进工作面的各种三维模型，并进行了布置，（见图3）。

2.4 软件系统设计

图2 掘进机模型

图3 掘进工作面布置

本系统可为授权用户和非授权用户提供实训教学服务。对于非授权用户，学员只能学习掘进机基本操作，无法实训突发状况处置和故障诊断等方面的内容；对于授权用户，学员可以实训包括突发状况处置和故障诊断等方面在内的全部内容。

（1）非授权用户

普通电脑连接互联网→登录永城职业学院虚拟实训网站→通过图4界面免费注册→通过图5界面登录→进行掘进机基本操作虚拟实训。

非授权用户的学员实训内容包括：① 操作演示；② 初级互动训练（无突发状况处置和故障诊断）。

（2）授权用户

通过电话、Email或网站与管理员取得联系，获得授权→管理员按申请节点数进行授权，并开通超级用户账号→超级用户通过与图5类似界面登录，登录后进入图6所示界面负责与远端服务器通信并管理本节点所有实训机器→超级用户通过其管理界面选择掘进机型号、设置各种参数，然后点击开始实训，将设置结果传输给远端服务器→远端服务器根据接收到超级用户的参数将对应数据打包一次性传输给超级用户的计算机→超级用户计算机接管服务，负责与学员实训机交换数据→学员进行掘进机运行仿真与故障诊断虚拟实训。

授权用户的学员实训内容包括：① 操作演示。② 互动训练包括初级、中级和高级三个难度等级，其中初级无突发状况处置和故障诊断，操作过程有文字提示；中级有突发状况处置和故障诊断，操作过程有文字提示；高级有突发状况处置和故障诊断，且无文字提示。③ 过程考核。

图4 用户注册界面

图5 用户登录界面

图6 超级用户管理界面

3 系统特点及意义

3.1 系统特点

（1）采用B／S架构。只要有接入互联网的普通电脑，就可以登入本系统开展实训，使学生和企业员工享受到便捷、经济、优质的信息化服务；同时也有利于本课题成果的应用推广。

（2）超级用户可以根据实训要求，自行选择掘进机机型、设置实训环境、突发状况以及故障类型，有利于提高学员综合素质、增强应急处理能力。

（3）实训操作贴近实际，完全按照现场情况设计。国内同类型的系统为了降低设计难度，一般采取文字说明或者菜单选择等方式代替实际操作。要知道，工作现场是不会有文字提示和菜单选择的，这样就大大降低了虚拟实训的真实性。

（4）按制造流程建造掘进机等设备模型。掘进机在工厂按什么样的顺序生产组装，那么，我们的模型也完全按照这个工艺流程建造，确保模型与实物的高度一致。这样，我们就可以非常精细地模拟各种故障，甚至一个螺纹的破损。

（5）采用互联网与局域网相结合的办法构建系统。如果所有的实训计算机都与远端服务器通讯，将会给服务器造成很大的负担，甚至出现死机。为了解决该问题，本系统采用互联网与局域网相结合的办法。超级用户计算机与远端服务器交换一次信息后，即接管服务器的功能，负责与其所管辖的实训计算机通讯，也就是说，只有实训参数和环境需要更新的时候，用户才和远端服务器通讯。这样，远端服务的负担将大大减小，降低系统实现的难度。

3.2 意义

本系统采用虚拟现实技术实现，设计思路独特，应用于职工培训和学生实训将提高教学信息化和现代化水平，大大降低教学成本，同时可激发学生的学习兴趣和积极性，有效提升人才培养质量。根据设想，本系统得到推广应用后，还有可能革新职工培训的模式，不但提高培训质量，同时还能使其从生产单位的附属机构变为盈利性部门，推动职业培训产业化发展。

〔1〕李 东.浅谈虚拟现实技术在煤矿中的应用〔J〕.中国信息化，2014，（11）：48－51.

〔2〕朱惠娟.基于Unity3D的虚拟漫游系统〔J〕.计算机系统应用，2012，（10）：36－39.

〔3〕张文磊，郑晓雯，陈宝峰，等.基于虚拟现实的液压支架工作状态研究〔J〕.煤矿机械，2012，（10）：72－74.

〔4〕BISE CJ.Virtual Reality：Emerging Technology for Training of Miners〔J〕.Mining Engineering，1997（1）：37－41.

〔5〕B.Denby，D.Schofield.Role of virtual reality in safety training of mine personnel〔J〕.Mining engineering，1999，6：59－64.

〔6〕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（05）.