基于VRP的矿井通风风流状态参数测定虚拟实验研究

张景钢，高 宁,王佳凯

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601；2.中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)



基于VRP的矿井通风风流状态参数测定虚拟实验研究

张景钢1,2，高 宁1,王佳凯1

(1.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601；2.中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

针对安全工程专业教学中存在教学枯燥、校内实训系统性不强、校外实训受外因影响大等难题，采用成熟的四层体系结构，利用VRP虚拟现实技术设计和实现了矿井通风风流状态参数测定虚拟实验系统。介绍了系统的总体设计、功能划分，以及实现的关键技术。该系统在矿井通风教学中的应用，可以实现在真实实验中不具备或难以完成的教学功能，实验结果也更可靠更具代表性，有效提高了学生的积极性与学习兴趣。本文通过系统介绍矿井通风风流状态参数测定虚拟实验系统，展示虚拟实验室教学的优越性以及虚拟实验室建设的必要性。

VRP；虚拟现实技术；实验；矿井通风

0 引言

实验教学在安全工程专业的教学中起着至关重要的作用。通过实验室教学，学生可以在实践中锻炼自己的的动手能力、创新能力，并且可以与课堂的理论内容相结合，从而更加准确的理解和掌握所学知识[1]。由于安全工程专业实验设备多且结构复杂、校内实训设备少且场地有限、校外实践机会少且受到矿井实际限制等等，导致学生做实验的机会少，阻碍了学生能力的发展，也降低了学生对专业的兴趣。建设虚拟实验室可以有效地解决此类问题。

矿井通风是安全工程专业学生必修的一门重要的专业课程，在整个安全工程教学中占据不可替代的重要地位。其中，很多实验都需要在真实矿井条件下才能进行，比如矿井通风参数测定实验，此试验需要在井下通风机开启的状态下测定静压和全压，而在有的实验室内不具备测量条件，且安全工程专业学生比较多，校外实训机会少，无法满足所有学生的需要。因此，若能将实验虚拟现实，在电脑上构建出一个相对完善的虚拟实验系统，一定能解决当前教学过程中存在的实验设备短缺，实验成本高以及学生接触实验机会少等问题，有效激发学生的学习兴趣，提高学生的主观能动性[4]。

1 虚拟现实简介

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术最早是在20世纪80年代初由美国拉尼尔(Jaron Lanier)提出的。其内涵是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三位环境中提供沉浸感觉的技术[10]。1989年，美国University of Virginia 的William Wolf 教授首先提出了虚拟实验室(virtual Laboratory)的概念，虚拟实验就是以计算机网络为平台，通过电脑将真实的实验器材转化为虚拟元件，实验者可以通过操作键盘和鼠标进行试验操作[11]。通过把一系列软件和硬件结合起来，实现对真实实验操作以及结果的模拟。国外对虚拟实验的应用已相当成熟，如Carnegie - Mellon University 的卡内基梅隆虚拟实验室、Johns Hopkins University 的虚拟工程与科学实验室等，已取得良好的效果[5]。在国内，许多高校非常重视虚拟实验技术在教学上的应用，已有部分高校初步建立了虚拟实验室，如清华大学的汽车发动机检测虚拟实验室、国防科技大学的现代测控技术与应用虚拟实验室等，虚拟实验室的建设得到了应有的重视[6]。

2 系统设计与虚拟化思路

2.1 系统结构设计

根据我校安全工程专业学生对于实践的实际需求及煤矿企业对于安全人员实践能力的要求，结合当前虚拟现实仿真技术，构建基于VRP的矿井通风虚拟实验系统。通过矿井通风风流状态参数测定进行计算机虚拟现实仿真，加深学生对于矿井通风系统各参数测定具体步骤的印象[9]。根据矿井通风风流状态参数测定虚拟实验系统的具体要求，主要完成井下气候条件测定、通风点压力测定、倾斜压差计调平三个实验。在对此虚拟实验系统进行布局时，将系统划分为4个层次。矿井通风虚拟现实实验系统层级结构如图1所示。图2是实验运行窗口。

2.2 虚拟实验虚拟化思路

构建虚拟实验室是用软件或编程来模拟硬件设备的特性[7]。虚拟化环境需要多种技术的协调配合：服务器和操作系统的虚拟化、存储虚拟化、以及系统管理、资源管理和软件提交、与非虚拟化环境一致的应用环境。虚拟实验的构建讲究合理，符合实验的要求[8]。为了提高构建的成功率，选用合适的关键技术尤其重要，应尽量选择开发难度低、成本低、时间短、对使用要求低的技术。

图1 矿井通风风流状态参数测定虚拟实验系统层级结构

图2 矿井通风风流状态参数测定虚拟实验运行窗口

VRP(Virtual Reality Platform)虚拟现实平台，是由中视典数字科技有限公司开发的具有自主知识产权的直接面向三维美工的一款虚拟现实平台软件。其特点是操作简单、适用性强、功能强大、高度可视化、所见即所得以及易于与3dsMax等建模软件兼容[1]。VRP是通过导入由三维软件制作好的三维模型，开发者可以自由地开发各种三维动画，开发难度一般，容易上手，可以设计美观的界面，VRP在建模方面的不足可由3ds Max来弥补。因此，综合分析，选择VRP和3ds Max作为本实验虚拟化的关键技术。本实验虚拟化的思路是：在三维虚拟现实软件VRP中构建，由专业建模软件3ds Max制作出相应的实验仪器模型，并编辑出相应的刚体动画，再导入到VRP软件中，利用VRP功能制作相应的鼠标点击以触发剧情效果，最终完成整个实验过程，最后生成可以执行的文件。

3 3DS MAX建模

3.1 3D建模

我们先用3ds Max对虚拟场景以及所需要的实验仪器进行建模。虚拟现实场景模型的优化对VR-DEMO的演示速度影响很大，因为制作前期如果不对场景的模型进行很好的优化，到了制作后期再对模型进行优化时需要重新回到3ds MAX修改模型，这样会大大降低工作效率。因此，在创建场景时必须注重虚拟现实场景模型的优化并遵循游戏场景的建模方式创建简模。图3所示为干湿温度计三维建模、煤矿巷道建模。

图3 干湿温度计三维建模、煤矿巷道建模

3.2 材质贴图与烘焙操作

设计过程中，除了需要处理注重模型的优化以外，还要注意材质的编辑，因为材质的使用需要跟烘焙操作结合在一起，即不同类型的材质应采取不同的烘焙方式。VRP对3ds MAX模型材质的属性设置没有过多要求，通常可以在Diffuse Color(漫反射颜色)贴图通道添加一张纹理贴图来表现模型材质属性，其他设置可以在模型导入到VRP编辑器后再进行设置。对3D模型赋材质后，就可以在场景中布置相机和各种灯光准备烘焙操作。这样能把在非实时环境中渲染完成的灯光材质等效果转换到实时交互的环境中，因此烘焙纹理的质量直接影响最终效果[2]。添加材质烘焙后的效果图如图4所示。当3D场景完成烘焙操作后，就可以利用VRP-For-Max插件，将3D场景中的模型从3DS-MAX中导出至VRP-Bulider中。图4为倾斜压差计添加材质后的效果图

图4 倾斜压差计添加材质后的效果图

4 VRP虚拟现实场景设计

4.1 VRP 制作思路

建模完成后，将3D模型导入到VRP12学习版中。打开VRP编辑器，将在3ds Max 里做的模型导入到VRP，单击菜单栏中的“文件——导入物体”，选择做好的模型文件，确定后，就会在VRP软件中看到所做的模型，图5为已导入到VRP编辑器的风表。VRP 制作的关键点是定义变量，虚拟实验必定有数据，数据可以通过变量来储存。VRP 定义变量通过单击菜单栏中的“脚本”，进入“VRP 脚本编辑器”，单击“插入语句”，弹出VRP 命令行编辑器窗口，在窗口左侧点击“脚本文件”，再点击定义变量，在窗口的右侧就会出现文本框，按其说明输入变量的名称，如果有数值，则可以输入数值，再按“确定”。此时，在VRP 脚本编辑器中就会出现定义变量的语句。单击鼠标触发剧情是制作的主要思路，VRP 也提供鼠标事件脚本控制。在相应的鼠标事件点击其右边的“脚本”按钮，即可进入脚本编辑器。通过单击“下一步”，就可以让风表迎着风流按“S”型路线上下移动，只需要点击左键弹起右边的“脚本”，就可以进入VRP 编辑器进行编程；当鼠标点击“下一步”，就播放风表移动的动画，因此我们在脚本编辑器中单击“插入语句”，弹出VRP命令编辑器。在左边点击“动画”命令，在展开的目录中点击“播放刚体”命令。在左边的编辑栏中，点击第一个文本框右边的省略号，选择需要播放刚体动画的模型，在“循环次数”中输入“1”，说明刚体动画只播放一次。这样，一个鼠标命令就编辑完成了，其他的也如此类推。

图5 已导入到VRP编辑器的风表

4.2 时间轴动画

三维虚拟场景的鼠标(或键盘)响应动作可以通过VRP时间轴动画来实现，即通过编辑触发函数进行时间轴动画的控制播放，从而形成三维虚拟场景与用户交互的效果[13]。图6为时间轴动画效果图。

4.3 二维交互界面

二维界面是虚拟现实仿真培训系统与用户交互的窗口，制作精良的二维交互界面可以使用户更加方便地操控仿真培训系统的运行[12]。在进行系统二维界面设计时，应重视操作界面的实用性，尽量简化二维交互界面按钮个数，为三维场景留出更多的可视空间，同时兼顾二维界面的功能性。图7为静压测定二维界面图。

图6 时间轴动画效果

图7 静压测定二维界面

4.4 VRP脚本编辑

VRP脚本编辑器是所有交互脚本的一个集合。通过VRP脚本编辑器给任意一个按钮、图片或模型添加交互脚本，从而实现VR场景的交互功能。根据本系统的功能要求以及场景设计，我们将VPR脚本文件分为井下气候条件测定任务脚本、通风点压力测定任务脚本、倾斜压差计侧压任务脚本等。图8为VRP脚本编辑图。

图8 VRP脚本编辑图

4.5 编译与调试

完成虚拟实验的制作后，还要将其编译成可执行文件。鼠标依次单击文件-编译成EXE，当所有的文件都添加完毕，其软件也就编译完毕。软件完成后，还应该进行调试。调试过程其实就是多遍运行生成的可执行文件，找出软件的一些不足，然后加以改进的过程。例如检查动画运行是否正常，是否符合逻辑，检查数据的完整性等。如果软件运行不正常、不符合逻辑，应当改正，且还要再次调试检查改正。

5 结论

本次设计的基于VRP技术的矿井通风虚拟实验系统,可应用到课堂教学、校内实训、校外实践等环节，交互性强[3]。同时，系统也是基于3D技术，采用了多种方法优化性能，缩短了响应时间[7]。结果显示，构建技术选择合理，较易实现目标，系统操作简单，将实验以立体的形式展现出来，增强学生的学习兴趣，学习效果也会更加明显，该虚拟实验系统符合安全工程专业实际教学要求，具有专业性、教学性、平台无关性等特点。今后，可以利用虚拟现实技术，完善系统的功能，将更多的通风实验加入到系统中来，帮助学生更加深入地学习了解矿井通风系统。

[1] 张继平，吕红，宋岩，等.基于网络条件的机械工程虚拟实验室建设[J].实验技术与管理，2011，28(6)：208-210.

[2] 杨彦明.网上虚拟实验室建模方法与构建技术研究及系统实现[C].中国海洋大学，2005.

[3] 由继红.虚拟实验室研究概述[J].生命科学仪器，2014，1：34-37.

[4] 瞿瞾.虚拟实验室的功能与特点[J].长沙大学学报，2007，21(5)：104-106.

[5] 赵艳霞，刘雪梅.基于VRML的工程制图虚拟模型室的开发研究[J].河南城建学院学报，2011(1):52-56.

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[8] 邹家柱，程晶晶.高校虚拟仿真实验室建设总结[J].中国电力教育，2014，6：80-81.

[9] 马彤兵.工业工程虚拟实验室建设研究[J].现代企业教育.2012，22：84.

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[11] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑，2009，39(1)：2-46.

[12] 李伟光，许苏宜，蔡永红，等.虚拟实验及其在学科教学中的应用与研究进展[J].开封教育学院学报，2011，31(4)：79-81.

[13] 王红.中文Flash8动画制作应用基础教程[M].北京：电子工业出版社，2006.

Virtual Experimental Study on Wind Current State Parameter Determination in Mine Ventilation Based on VRP Technology

ZHANG Jing-gang1,2，GAO Ning1，ZHANG Jia-kai1

(1.SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China；2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing，100083，China)

Aiming at the difficulties in the teaching of safety engineering discipline，which are boring teaching，on-campus practical training being not systematic enough，off-campus training being greatly affected by external impacts and so on，by the means of VRP technology and four mature layer structure，a virtual experiment system of wind current state parameter determination in mine ventilation is designed and developed，and its overall system design，functional partitioning and key technologies are presented.Applied in the teaching of mine ventilation，the system can achieve the teaching function which don’t exist or is difficult to achieve in real experiments，the experimental results are also more reliable and more representative.It improves the students’ enthusiasm and interest in learning.The virtual demonstration of mine ventilation system is introduced in this paper，which shows the superiority of the virtual laboratory teaching and the necessity of the virtual laboratory construction.

VRP；virtual reality technology；experiment；mine ventilation

2016-02-09

中央高校基本科研业务费资助( 3142013103，3142012029)

张景钢(1981-)，男，山东烟台人，博士，华北科技学院安全工程学院副教授，研究方向：煤矿安全,安全管理，安全评价。E-mail：xagn@163.com

TD722

A

1672-7169(2016)02-0025-05