基于虚拟现实技术的矿山机械设备仿真系统设计

安 龙

（大同煤矿集团同地红沟梁煤业有限公司， 山西 大同 037100）

引言

结合我国各类能源储备总体状况和应用结构，尤其是我国关于能源发展规划看，虽然近年来如核电、风电、水电等能源有了一定的发展，但随着清洁高效的煤炭能源不断扩大应用范围，在未来相当长的时间里煤炭依然会作为主要能源的形式[1]。以煤为基的能源供给结构依旧是我国能源发展的战略选择[2]。

到2020年，煤炭的年消耗量将超过40亿t，作为高产量、高能耗的行业就必然会有规模庞大的从业人员。而与之相对应的是我国多数的煤炭开采是以矿井为主的方式，存在开采条件差、地质条件复杂、自然危害现象易发等天然劣势，尤其是随着开采活动深入地下后出现的诸如高地下水压、高瓦斯含量、高地下应力等影响采煤活动的复杂因素交织，一些事故警示表明我国煤炭行业依然是传统的高危行业[3-4]，开展安全知识培训是十分必要的。

1 虚拟现实技术的应用前景

传统的安培方式主要是通过图、文、影、音等媒介获取的，以说教式为主的静态、局部的安全知识。同时受到校内和岗前培训中时间、场地、设备、工况的限制，难以满足安培人员从设备实体结构、工作方式、工作原理、安装方式、调试方法、维保作业方式等在具体工况下形象的认识和训练。在一些安培中心具备一定的现场认识、操控等方面的培训，但也仅仅局限于部分设备下的具体工况。对于在矿山生产企业各个环节中的众多设备难以全面培训。尤其是受到设备种类众多、部分设计重大、结构复杂、安装场合难以达到等制约难以在短时间内对安培人员进行必要的认知、操作、维保等有关于职业技能的培训工作。此外由于多数现场操作人员所受专业教育背景有限识图等专业能力不足导致对现场认识不足、结构认识不清、操作方法不够熟练等因素的制约导致达不到理想的安培效果[5]。

而近年来虚拟现实技术在工业领域逐步广泛的应用为矿山企业从业人员安培带来了契机。其中以虚拟样机技术为基础的矿山机械数字样机资源库能够将矿山企业生产的各个环节，如掘进、开采、分选、清洗、输送、运输等环节所涉及的设备的模型以三维实体的方式展示其工作过程、运动原理、操作流程、安装和拆卸等进行全方位展示[6]。结合虚拟现实还能够对具体的工作场景进行还原以帮助安培人员从设备层和工位层完成对矿山设备的认识、了解，并熟悉具体设备的运行、拆装和维保操作，以辅助安培人员完成职业技能的更新和提升，从技术角度确保矿山企业安全平稳运行。

2 系统概况

结合系统在矿山从业人员安培过程中的作用，以虚拟样机技术为基础的仿真实训系统需要在完成具体设备、工况模型的基础上，具备模拟具体工作环境、演示具体工作原理、虚拟拆装和考核等具体功能。

一方面需要系统具备虚拟技术的先进性，能够模拟矿山企业生产环节的各类不同层次的设备、具备和实际设备、工作环境相当的仿真体验，同时要求在技术上能够模拟如碰撞检测、摩擦等基本的物理特性。同时还要求系统本身具有一定的软、硬件兼容性，包括软件版本和操作系统的兼容性、设备仿真实体的兼容性。也要求系统在人机交互方面表现出应有的性能以适应考核的功能[7]。

一般的虚拟现实系统由软件环境、硬件设备、数据库、交互设备等构成，由于本文所涉及的系统主要面向矿山企业从业人员安培工作对软硬件性能要求不严格[8]。所需硬件投入不大，具体构成如下页图1所示。

由于矿山机械虚拟仿真系统是桌面级的虚拟现实系统，因此软硬件要求较低，对设备的投入不大。

图1 系统硬件构成

该虚拟现实的主要硬件设备包括：高性能的计算机、信息输入与输出设备、控制设备。

软件环境中采用的开发软件主要由：VC++、3DMAX、EON Studio、3D 开发引擎等，VC++ 是由微软开发的基于面向对象的软件开发平台。3DMAX是制作专业三维模型和动画的软件工具；3D开发引擎是一种平台，它一方面包含开发虚拟现实软件基本的功能，另一方面它还具有多种功能的引擎库，如物理引擎库、光影引擎库、图像渲染引擎库等。而用户在使用过程中所需要的软硬件设备包括：

电脑硬件：2G以上内存，独立显卡（1G以上显存）。软件：Windows XP、window7、window8、window10及以上版本，Direct3D（一般显卡安装光盘中会自带并默认安装）。Microsoft Windows 2012、Microsoft SQL Server 2005。

3 系统总体设计

系统在整体上按照以岗位环境为导向、以设备模型为基础、以掌握技能为目标、以生产安全为要求、以完成项目为途径的设计理念展开，力求在以大中型矿山企业应用的现代化设备为主，以全三维仿真的形式按照一般矿山企业生产中采煤、掘进、运输、通风、排水等7个生产系统中的典型设备的运行场所和重要岗位的工作环境为主要内容进行系统的总体设计。具体强调兼容性和实用性。

如图2可知系统由交互设备、计算机、应用软件、数据库等构成。在系统设计的功能定义阶段是在确定系统目标的基础上，开展功能模块的设计，并以此为基础进行媒介信息的选择以实现仿真实训的目标。具体包括系统功能模块的设计、系统界面的设置、脚本编写等环节。

图2 系统模型

系统功能模块设置的过程：首先是在明确具体生产环节的机械设备和电气元件在工作原理、拆装步骤、维保方式等方面的培训内容，结合具体岗位职责、安培大纲确定具体实训项目上各项仿真任务、仿真实训要求、技能仿真操作考核标准，在对整体安培要点设定适当的媒介基础上，完成系统内容大纲的编写。其次是需要在明确目标用户需求的基础上展开，从企业生产层面围绕生产运行过程的演示，从安培人员实训角度是按照具体生产系统工作流程分别就具体职业、岗位、工作所应具备的技能，从强交互性到观看性等具体岗位不同层次的仿真需求展开基于虚拟现实的生产仿真系统功能设置。

在具体的交互式界面的设置中按照简洁性、兼容性、便易性，符合安培知识结构、与一般认知规律相符的原则对画面进行设置。其次还应兼顾系统运行平稳流畅和方便交互等原则进行设计。图3为安培实训系统一级界面布局。

图3 安培系统界面布局

在完成具体功能设置和系统内部重构的基础上开展的制作过程包括数据采集、模型制作、基本物理属性设置、交互性设计、系统组建、内部调试、学员试用、验收等阶段。具体研发流程如图4所示。

图4 实训仿真系统开发流程

4 结语

在我国煤炭产业向高效清洁转变的背景下，通过对传统矿山生产安全培训方式的局限性进行分析，结合虚拟现实技术，从矿山机械虚拟仿真系统在软硬件方面的配置要求出发，按照矿山企业生产中采煤、掘进、运输、通风、排水等主要的生产环节完成了以目标用户需要为导向，以功能模块划分为基础，强调便捷式交互式界面设计的系统总体设计，利用虚拟现实技术开发的这一方式为今后矿山机械设备的安装培训探索出一条新的路径。