基于三维网络技术的煤矿安全虚拟现实系统

姚远耀

摘要：文章以煤矿安全计算机虚拟现实系统为研究对象，分析了三维技术、网络技术的基础上，提出了三维技术网络模式在煤矿安全虚拟现实系统的应用，结合三维技术和虚拟现实演示流程开发了三维技术网络平台。该系统在开滦唐山矿的实际应用表明，现代化网络技术和三维技术手段相结合的安全演示模式，能够有效提高员工安全意识，将煤矿事故率降为最低。

关键词：三维技术；煤矿安全；虚拟现实

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0036-02

Abstract： Based on the coal mine virtual reality system as the research object， analyzes the basis of computer network technology， the computer network model in the application of coal mine safety of virtual reality system， combined with computer technology and virtual reality demonstration process developed computer network platform. The system applied in Tangshan coal mine in Kailuan， modern network technology and computer means a combination of security demo mode， can effectively raise the awareness of staff safety， coal mine accident rate will be reduced to a minimum.

Key words： 3d technology； coal mine safety； virtual reality

煤矿安全事故是长久以来一直困扰煤矿生产的困难开题，而违章、违规操作是导致煤矿安全事故的重要因素之一。因此，煤矿安全虚拟现实系统科提高管理人员安全意识、提高生产矿工安全行为能动性。随着三维技术信息技术的发展，煤矿安全虚拟现实手段也得到了莫大的改变。三维技术是声音、图像、图形以及文字等媒体在三维技术程序集成下，以人机交互、数据处理为一体的新型信息技术。煤矿安全虚拟现实中三维技术网络模式的实现，能够大大提高煤矿安全效率、降低安全成本，从而改变了传统的煤矿安全信息技术不发达的局面。本文利用三维技术开发了煤矿安全虚拟现实系统，以《煤矿安全规程》为基础，实现了大量事故案例、操作规程以一身的虚拟演示。

1 煤矿安全三维技术网络数据分析

在煤矿安全三维技术虚拟现实系统中存在着非格式化数据和格式化数据，媒体数据具有时序性、分散性以及复合性等特点。一段音频、一幅三维技术图像包含一定意义的同时还是构成三维技术数据的二进制数据，且视频含义要高于数值和符号。文献中关于煤矿安全虚拟现实系统的数据特点归纳为：

1）时序性，数据的时序性直接关系到信息实体之间的联系，因此，在处理数据或显示数据时要注意数据的时序性，同时要保证信息单元之间的同步性。

2）分散性，不同的设备和三维技术分散存储着相关数据，同时异构数据的管理和存储也在相关设备中进行，因此，三维技术源数据的存储方式和介质具有多样性和分散性。

3）复杂性，煤矿安全生产是一个非常复杂的系统，与之相关的三维技术网络系统数据也具有多样性和复杂性，如动画、视频、图像、图形、音频以及文本等数据，在这些复杂数据的基础上，三维技术系统还会将某些单元信息通过组合形式展现出来，形成了复杂对象。

2 煤矿虚拟现实系统设计

2.1 系统设计原则

在煤矿员工实际安全操作流程的基础上建立三维技术网络虚拟现实体系及系统，以煤矿井下实际生产现场描述为开端，逐渐将流程引入到典型事故案例和煤矿安全生产规章、规程上；结合三维技术虚拟现实呈现方式实现人性化界面设计，煤矿安全虚拟现实系统以井下实际生产场景为背景，视觉效果好、界面友好，从一定程度上降低了三维技术使用者对三维技术水平的要求；利用先进的GPI和网络数据接口实现现有媒体数据和三维技术网络系统的无缝连接，处理现有的标准化数据，轻松采集现场画面，实现了非结构化和结构化数据的一体化管理。如图1所示。

2.2 三维技术系统硬件配置

煤矿安全虚拟现实系统的三维技术由工作站或三维技术构成；数据输入设备包括：数码相机、视频捕捉设备、音频捕捉设备、数字化扫描仪、三维技术键盘；数据输出设备包括：激光打印机、绘图仪、投影仪、数码摄影、扫描仪、触摸屏以及三维技术显示器；存储介质及设备包括：光盘、硬盘等。如图2所示。

3 媒体类型、运行环境及实例

3.1 媒体类型及运行环境

煤矿安全虚拟现实系统的文件数据量大、类型繁多，编辑方式和数据获取手段各不相同，影响三维技术系统质量的两个重要因素为源数据品质和质量。如表1所示。

1）文本，文本是占用系统资源小、包含信息量大是三维技术系统中常用的信息载体。三维技术系统中文本的获取方式为文字识别、扫描仪扫描、声音时识别输入、手写收入以及键盘输入等。

2）数字音频，三维技术数字音频的采集和获取方式为模拟转换器（A/D），通过Windows系统下的专业音频采集软件或录音机可实现声音的数字化采集。其中，影响数字音频采集质量的两个最主要参数为采样频度和精度。在WAVEEDIT软件中对采集的音频数据进行处理，编辑出适合三维技术网络用户需求的特效声音和常规音效。

3）图形图像，三维技术系统中表现图形图像的方法有：符号、曲线、矢量、位图等，通过鼠标输入、数字化扫描仪输入以及数码相机等手段实现图形图像的输入。三维技术系统需要的图像大多要在三维技术处理完成后才使用，常用的图像处理手段包括：图像提升、图像转换、图像加工以及图像采集等。通过三维技术图像、图形处理软件可将图像处理成用户需要的类型。本文采用PHOTOSHOP CS4.0作为图像处理平台，可实现图像的调色、扭曲、上光、旋转、缩小或放大等处理。

4）数字视频，煤矿安全虚拟现实平台的视频媒体表现方式为两种，一是动画，二是视频。其中，动画可视为活动的图形，视频即活动的图像。采集和量化是常规三维技术视频信号的采集过程。煤矿安全三维技术视频的采集可利用现场安设视频捕捉设备来完成。安装在三维技术硬件系统中的视频采集卡可提供摄像机和录像机的视频采集接口，实现采集信号的模拟到数字化转换。一般的三维技术视频处理大多采用ADOBE公司的PRE CS4.0L来完成，如果做特殊的效果（如火焰、烟雾等）则一般采用AFTER EFFECT和3D MAX相结合的方法完成。视频编辑软件可对视频进行切换、剪辑、增强、调色或叠加等处理。它支持15个以上的音频轨道和视频轨道，每个通道之间有上百种视频效果和切换模式。同时，视频编辑软件中还能按照用户需求加入静态图片或动画效果等元素，能够制作出非常好的展示效果。

3.2 煤矿安全虚拟现实系统应用实例

唐山矿是开滦集团的老矿井，生产条件苛刻，开采地质复杂，由于环境的特殊性和员工的安全意识导致了事故频发。该矿为了加强生产安全，使员工更加深刻的理解井下事故及操作违章带来的隐患，采用了三维技术网络虚拟现实系统作为平台，实现了音频、动画、视频和煤矿安全知识多方面结合的效果，如图3所示。

通过三维技术虚拟现实系统的引入，该矿改变了原有的安全知识授予方式，使入井人员通过生动的画面、真实的场景等形象加深了安全意识。三维视频图像在系统中能够加深矿工的第一印象，非常直观地反映出井下工作面状况和生产系统情况。该平台的实施大大提高了该矿安全生产效率，降低了安全成本，增加了员工对安全的认识度，有效降低了违章、违规操作概率。

4 结论

煤矿安全虚拟现实是煤矿企业安全管理中的重点课题，是系统工程中的关键分支，综合三维技术技术和现代网络信息手段能够彻底的改变煤矿传统的枯燥说教模式，提高了管理人员、生产人员的管理水平和安全意识，有效降低了安全成本的事故率。

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