基于虚拟现实技术的煤矿三维可视化展示系统设计

杨景峰

(陕西陕煤彬长矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

煤矿近年来大力推进“两化融合”“四化建设”工作，从数字化矿山逐步向智能化矿山迈进[1-3]。智能化矿山就是对生产、职业健康与安全、技术和后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理的无人矿山。智能化矿山是本质，矿山的数字化、信息化是智能化矿山建设的前提和基础[4-6]。三维可视化矿山系统建立的前提，在于生产场景在管理平台中的还原，使之具备可视化的基础属性。

煤矿三维可视化展示系统建设的最终目标，是基于三维建模、虚拟现实等技术，建立煤矿的基础三维地理数据制作与三维虚拟可视化展示系统的开发。最终完成一套能够针对煤矿进行漫游、浏览、工艺流程展示的三维可视化平台。

1 虚拟现实技术

虚拟现实(VR)技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到该环境中[7-8]。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。沉浸、交互、构想是VR环境系统的3个基本特性，虚拟技术的核心是建模与仿真。

2 系统设计

2.1 系统设计内容

系统包含三维基础数据处理与VR展示系统开发2个方面内容。

三维建模与基础数据处理：内容包括三维场景建模与煤矿主要设备建模2部分。三维模型建立的精度直接影响到场景展示的效果，采用倾斜摄影测量技术高效、高质量的完成整个矿区地形模型建立；利用三维建模软件也可快速完成大型生产设备的模型构建。

VR展示系统开发：设计一套先进、可扩展的煤矿虚拟场景展示系统。通过VR平台，构建煤矿虚拟场景，采用飞行漫游的方式，拟定好矿区浏览展示路线，突出煤矿生产作业现场的虚拟展示，可以全方位的了解矿山。

2.2 系统架构设计

煤矿VR展示系统组网环境架构图如图1所示。

图1 煤矿VR展示系统组网环境架构图

系统通过统一业务服务器，进行交互数据的处理，并传递处理结果至展示终端，展示终端可以将接收到的交互数据，如采煤机割煤、安全提示等消息，通过可穿戴设备，展示在使用者眼中。

同时，可穿戴设备可以通过交互接收器，将下一步动作发送到处理终端并由统一业务服务器收集处理。图2为煤矿VR展示系统架构示意图。

图2 煤矿VR展示系统架构图

系统实施过程中，需要实现两个主要模块，即统一业务服务器模块和业务服务器模块。在实现统一业务服务器时，需要根据矿山实际情况，建立矿山1∶1，1∶3，1∶5，1∶10模型，由虚拟人物实现全矿山漫游数据的采集。统一业务服务器需要完成交互数据的接收，接收由业务展示器发送的交互信息，例如确认采煤机附近安全，并开启采煤机动作等。交互数据留存在服务器中，以便日后的操作流程追溯。业务服务器需要完成对交互信息的进一步处理，统计生成异常操作点报告报表，以便针对异常多发点组织进一步的安全实践培训。

2.3 系统功能设计说明

场景交互漫游：场景交互漫游功能通过上帝视角与第一视角两种浏览模式对整个矿区模型进行漫游与浏览，实现手动可控制的位置浏览、位置变换功能，以位置的变换切换对不同设备或场所的浏览。同时，交互漫游也是开启自动漫游、生产工艺流程回访功能的入口。上帝视角模式中，提供对整个矿区的整体浏览功能，在矿区上空进行宏观层面的浏览；第一视角模式中，提供“走动”功能，由体验者自行在可行动区内行走、体验。在场景中系统提供“游览车”载具及“车站”，在第一视角模式中体验者可与之互动乘坐，实现自动按照事先编辑路线进行场景漫游。同时，提供“工艺流程介绍展板”，浏览者在场景中互动触发后实现特定工艺流程场景的流程回放功能。

场景自动漫游：利用“游览车”载具实现场景自动漫游功能，系统从第一视角模式启动自动漫游功能后，可选择事先制定的游览路线，设置行进速度等观览参数后进行自动漫游功能。游览过程中，将对涉及的地点进行语音、文字或视频介绍。

漫游路线管理：漫游路线管理功能，提供对自动行进路线及相关语音、文字、视频介绍内容的编辑功能。

信息查询：信息查询功能主要提供系统展示场景内相关设备的属性查询，包括基本外观参数、技术参数、工作方式介绍、原始图片资料等。

生产工艺流程展示(回放)：利用自动漫游中对游览车中相关按钮操作，或交互漫游中某一生产工艺流程展示区附近的工艺流程介绍展板操作可触发生产工艺流程展示程序。利用VR技术将预编制的工艺流程自动执行流程配以解说词带领参观人员进行身临其境的沉浸式体验。

生产工艺流程编制：本功能提供工艺流程的具体分解步骤、动作、动画效果的编制。

设备模型管理：三维虚拟展示系统主要涉及场景模型与设备模型两个方面，其管理功能主要完成模型的分类、查询、导入、导出等一系列相关内容。

操作权限管理：系统中需要区分管理权限，操作权限管理用来设置、分配人员的角色、权限。普通用户不能操作生产流程编制、模型管理、权限管理等功能。

系统终端展现方式：①电脑PC端。利用键盘+鼠标的方式进行体验，设置键盘的相关键作为“前进”“后退”等动作，鼠标控制行进方向；②较少人参观时的方式。利用VR头显+Touch手柄的方式进行体验，体验者带上VR头显设备进行虚拟场景的交互体验，其他人可通过大屏实时观看体验者的视角，从而了解煤矿相关情况；③较多人参观时的方式。可利用调度室大屏幕，观看煤矿3D动画展示，同时为增强3D体验的效果，可佩戴3D眼镜进行观看。

3 三维模型建立及VR展示引擎应用开发

3.1 虚拟场景及主要生产设备三维建模

三维建模采用国内主流的倾斜摄影自动建模系统smart 3D进行真三维模型的制作，该系统是基于摄影测量原理，对大重叠度的倾斜影像进行空三加密、连接点密集匹配等过程，最终生成真三维模型。

精细建模采用DP-Modeler软件，将整个实景三维模型加载，在此基础上对每个设备单独建模，实现模型的单体化，对复杂的模型结构在3Dmax中进行处理，最后对所有单体模型自动映射倾斜影像纹理，同时将现场拍摄的底商纹理赋予模型，得到测区的精细实景三维模型。

3.2 生产工艺流程脚本编制

生产工艺通过现场采集工艺流程，针对不同的流程，在模型中设置不同的流程动作触发点。煤矿主要生产工艺流程包括：采煤机作业流程、综掘机作业流程、主运输皮带作业流程等。

3.3 VR展示引擎应用开发

VR展示部分使用Unity3D引擎，驱动模型进行包括场景漫游在内的所有内容。图3为Unity3D VR引擎界面。

图3 Unity 3D VR引擎界面

Unity3D是目前市面上最常用的VR引擎之一，其高度的适配能力可以为矿山、工厂、机场等大型的户外施工场地进行模型驱动。开发过程中通过3Dmax进行模型建立，在模型完成的情况下，使用Unity3D实现场景的漫游和交互。

4 结语

生产调度指挥中心是煤矿中枢部分，承担着生产调度、企业宣传、展示煤矿主要生产工艺流程的重要职能。通过基于虚拟现实技术的煤矿三维展示系统设计，完成煤矿实景真三维模型数据与矿区大型设备三维建模，完全满足各项精度指标要求，能满足煤矿生产工艺展示，并满足后期煤矿各项工作生产、设备监控与调度以及规划建设的需要，对提升煤矿信息化、智能化水平有着重要意义。