来源：www.daxuelw.org 发布时间：2016-12-13
长期以来，煤矿生产人员学习矿山生产系统主要通过文字、二维或三维图形。由于该专业自身复杂特点，此种单一而抽象的方式日益显露弊端，学习费时费力且接受效果不佳。因此，需要一种新型模式来帮助生产人员感受井下工作环境，提高工作效率。
三维虚拟仿真技术具有再现矿山生产各环节的功能，学习人员能够通过虚拟可视化技术亲身感受矿山生产环境，提高人员生产设备的操作水平，使学员增加学习兴趣，快速掌握生产工艺。三维虚拟仿真技术在矿山高产高效、安全、人员快速培训等方面具有重要的意义。
1 三维虚拟仿真系统设计理念
该系统以精细的三维模型为基础，建立与现实情景一致的三维矿山虚拟场景，将矿山真实场景与数字地球有效融为一体，对三维场景各种地理信息和环境要素等进行真实展现，通过虚拟现实技术实现矿山采、掘、机、运、通等生产过程仿真，并进行重要生产设备的控制模拟。通过，在三维场景中控制远端设备的开停、位置和姿态可实现场景同步更新，使作业人员有身临其境之感。
基于OO（Object Oriented，面向对象）开发设计理念，设计开发出具有稳定性、易用性、场景可视化、人机交互的虚拟仿真生产系统。
1.1 稳定性、易用性
系统在开发阶段，充分考虑设备构件的集合及虚拟仿真场景的搭建，专门测试人员进行了功能测试和集合测试，减少系统漏洞，充分保证系统稳定性。采用成熟的三维建模和渲染软件设计矿山生产系统，方便人员操作。
1.2 场景可视化
为用户提供真实感较强的可视化虚拟场景，其真实程度与细节信息使用户对矿山上下环境比单一的图片和抽象示意图更能获得清晰、直观表征，满足人眼对真实场景的感观体验。
1.3 人机交互
采用虚拟仿真技术，在虚拟环境与真实场景结合下进行人机同步研究，实现矿山生产设备的模拟操作，为用户学习井上下设备的操作方法提供极大便利。
2 生产设备建模与优化分析
2.1 生产设备三维模型的建立
设备的三维模型需在了解其结构组成及工作原理的基础上进行建立，现以双滚筒采煤机为例建立其三维模型。
采煤机主要由电气系统、牵引部、截割部和辅助装置组成。在建模过程中，为了简化建模程序、减少设备占用内存资源及提高加载速度，现将电气系统、辅助装置等组成简化为简单几何模型。在对采煤机截割部和牵引部进行建模时，为了真实的表现出这一部分结构特征，需要根据所需采煤机具体参数绘制二维图形，利用三维建模软件将二维图形自动生成三维模型，将建好的各个结构通过“布尔运算”联合在一起。组成采煤机的三维模型架构。
2.2 模型渲染与优化
为实现采煤机行走和割煤的仿真动画效果，创建采煤机三维模型的滚筒和摇臂等运动设施的骨骼动画，并将采煤机模型与骨骼关联起来。对采煤机进行贴纹理和材质处理以体现采煤机的真实的模拟效果。此外还配有灯光效果，将灯光源配置到合理的位置，并且配置灯光的参数，以至达到逼真的效果，采煤机三维渲染效果图见图1。
采煤机三维渲染效果图
2.3 三维场景搭建
运用以上方法同时对综采工作面巷道、液压支架等进行三维建模，利用LkGlobe 软件将建好的模型根据地理坐标一同搭建到综采工作面中，完成矿山生产环境的搭建工作。
综采工作面三维场景图
2.4 人机交互仿真
本系统采用六个自由度自动控制设备的移动和旋转，所谓六个自由度是指沿着X、Y、Z 三轴平移和围绕X、Y、Z 三轴旋转。在三维场景中可以实现人机交互操作，以采煤机为例，可以实现控制采煤机移动、进刀、割煤等工艺，同时具有手动控制采煤机滚筒旋转方式和旋转速度，调节摇臂的摆动幅度和速度等功能，为虚拟仿真教学和矿山生产工作提供便利。
采煤机模拟仿真交互
3 三维可视化仿真漫游系统
矿山开采大多位于地底，井下环境恶劣，突发事故较多，为矿山生产造成极大困难。集三维可视化空间场景显示、声音、和人机交互等多种方式为一体的三维虚拟仿真技术可为学员提供逼真的井下实景，提高学习热情，替代井下实践降低安全风险，同时实现井下重大灾害模拟，为安全避险的学习和演练提供了便利。
三维可视化矿山仿真漫游子系统
三维可视化仿真漫游技术可以实现入井、井底车场、上下山、工作面等矿山上下的行走操作，在行走中伴随有下井相关的语音提示和介绍，在漫游过程中可以查看矿山生产的全部工艺流程，同时可以实现生产过程的人机交互，控制采煤机的割煤，运输机运煤和液压支架移架推溜等操作。
井底车场漫游与综采工作面生产仿真
4 仿真技术在矿山生产中的应用前景分析
三维虚拟仿真技术系统因其具有易用性、场景可视化、人机互性等特点，应用于矿山生产教育和培训，降低了培训时间，大大提高培训效率，为矿山企业创造良好的经济效益，同时也为矿山安全生产提供技术支持。
应用三维可视化虚拟仿真技术可以规避矿山实践学习遇到的各种风险，学员可以自设各种井下风险，通过虚拟仿真进行安全避险，充分学习矿山安全避险知识，同时可以模拟生产设备的运行，方便矿山生产工艺进行详细研究。
因此三维虚拟仿真技术对矿山数字化建设、安全高产高效，提高培训效率，降低生产风险具有重大的作用，将三维虚拟仿真技术融入到矿山生产教学中势在必行。
5 总结
本文采用OO(Object Oriented，面向对象)开发设计理念，详述虚拟仿真系统的稳定性、易用性、场景可视化、人机交互的特性，以采煤机为例对生产设备建立三维模型，同时对模型渲染、工作场景搭建、人机交互等方面进行分析，根据三维场景漫游展现矿山生产的具体工作流程。
三维虚拟仿真技术易用性、场景可视化、人机互性等特点在矿山生产培训、高产高效生产、安全避险等方面具有极大的作用，代表未来矿山生产培训的方向，为安全生产提供保障，同时也为井下无人生产研究提供有效参考。
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