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第 ４期 杨景峰　基于虚拟现实技术的煤矿三维可视化展示系统设计 ７２１ 基于虚拟现实技术的煤矿三维 可视化展示系统设计 （陕西陕煤彬长矿业有限公司，陕西 咸阳　７１２０００） 杨景峰 摘　要：运用虚拟现实技术（ＶＲ），开展煤矿生产工艺流程、主要设备、生产环境三维可视化展示系 统设计，还原真实作业场景，通过大屏幕、ＶＲ头显设备，可以“身临其境”的感受煤矿采煤、掘进等 生产情况。设计建立的系统对煤矿主要生产设备及作业场景进行三维建模，运用 ＶＲ专业游戏引 擎模拟真实的流程作业，实现了生产工艺流程的可视化展示。此外，三维虚拟环境支持多种媒体和 人机交互手段，可使煤矿安全生产管理人员、外来参观人员更加直观地对煤矿生产过程产生全局性 观瞻。 关键词：虚拟现实技术；智慧矿山；三维建模；可视化展示 中图分类号：ＴＤ６５　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１６７１－７４９Ｘ（２０１９）０４－０１２７－０３ Ｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｓｕａｌｄｉｓｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＡＮＧＪｉｎｇｆｅｎｇ （ＳｈａａｎｘｉＳｈａｎｍｅｉＢｉｎｃｈａｎｇＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｙａｎｇ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＶＲ），ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｓｕａｌｄｉｓｐｌａｙｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｎｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃｅｎｅｗｉｌｌｂｅｒｅｓｔｏｒｅｄ． ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｌａｒｇｅｓｃｒｅｅｎａｎｄＶＲｈｅａｄｄｉｓｐｌａｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｙｏｕｃａｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇ，ｔｕｎｎｅ ｌｉｎｇａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍａｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｃｅｎｅｉｎｃｏａｌｍｉｎｅ，ｕ ｓｉｎｇＶＲｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｇａｍｅｅｎｇｉｎｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｖｉｓｕａｌｄｉｓｐｌａｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｒｅａｌ ｉｚｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｒｔｕａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｍｅｄｉａａｎｄｈｕｍａｎｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅａｎｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｍａｋｅｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｓａｆｅｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｅｒｓｏｎｎｅｌａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｖｉｓｉｔｏｒｓｍｏｒｅｉｎｔｕｉｔｉｖｅｔｏｐｒｏｄｕｃｅａｇｌｏｂａｌ ｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｍａｒｔｍｉｎｅ；３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｖｉｓｕａｌｄｉｓｐｌａｙ 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 收稿日期：２０１８－１２－１８ 作者简介：杨景峰（１９８８—），男，陕西扶风人，２０１５年毕业于西安科 技大学电子与通 信工程专 业，硕士，工程师，现从事煤矿信息化管 理、智能化矿山建设管理工作。 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 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

８２１ 陕　西　煤　炭　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年 艺流程展示的三维可视化平台。 系统通过统一业务服务器，进行交互数据的处 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 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。 拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种 同时，可穿戴设备可以通过交互接收器，将下一 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 发 ２个方面内容。 系统包含三维基础数据处理与 ＶＲ展示系统开 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 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 精度直接影响到场景展示的效果，采用倾斜摄影测 的接收，接收由业务展示器发送的交互信息，例如确 量技术高效、高质量的完成整个矿区地形模型建立； 认采煤机附近安全，并开启采煤机动作等。交互数 利用三维建模软件也可快速完成大型生产设备的模 据留存在服务器中，以便日后的操作流程追溯。业 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 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 路线，突出煤矿生产作业现场的虚拟展示，可以全方 场景交互漫游：场景交互漫游功能通过上帝视 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 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 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

第 ４期 杨景峰　基于虚拟现实技术的煤矿三维可视化展示系统设计 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 ９２１ 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 涉及的地点进行语音、文字或视频介绍。 处理，最后对所有单体模型自动映射倾斜影像纹理， 漫游路线管理：漫游路线管理功能，提供对自动 同时将现场拍摄的底商纹理赋予模型，得到测区的 行进路线及相关语音、文字、视频介绍内容的编辑 功能。 精细实景三维模型。 ３．２　生产工艺流程脚本编制 信息查询：信息查询功能主要提供系统展示场 生产工艺通过现场采集工艺流程，针对不同的 景内相关设备的属性查询，包括基本外观参数、技术 流程，在模型中设置不同的流程动作触发点。煤矿 参数、工作方式介绍、原始图片资料等。 主要生产工艺流程包括：采煤机作业流程、综掘机作 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 ｓｍａｒｔ３Ｄ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。 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　Ｕｎｉｔｙ３ＤＶＲ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。 （上转第 ８１页） 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

第 ４期 张东峰　赵金花　郭家滩井田侏罗组沉积特征及控煤因素 １８ 煤组形成于三角洲前积相沉积体系；１＃ 煤组形成于 三角洲前缘与平原过渡相沉积、河流三角洲平原沉 积体系。 各煤组煤层不仅受沉积环境的影响，还受到后 期构造和砂体冲刷的影响，其中 ２＃ 煤组受到不均匀 图 １０　２－２中 煤层厚度等值线图 图 １１　２－２下 煤层厚度等值线图 构造形态，说明了该构造形态与含煤地层沉积基底 密切相关。 ４　结语 郭家滩勘查区延安组一至五段沉积体系为前积 型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积、浅水三角洲 相沉积、三角洲前缘或湖湾相沉积、三角洲前积相沉 积、三角洲前缘与平原过渡相沉积、河流三角洲平原 相。其中 ５＃ 浅水湖湾相沉积体系；４＃ 沉积体系；３＃ 煤组形成于前积型湖泊三角洲相沉积、 煤组形成于浅水三角洲相 煤层三角洲前缘或湖湾相沉积体系；２＃ 沉降及直罗期古河流冲刷作用，煤层分叉，剥蚀严 重，勘查区西部基本上 ２－２ 煤层全部剥蚀殆尽，同时 各煤层底板均为走向北北东，倾向北西西，显示了自 富县组填平补齐的继承性沉积，反映了湖泊水位上 升下降，水位的进退的结果。 参考文献： ［１］　王千遥．二维地震勘探在煤炭资源探寻中的应用 ［Ｊ］．科学技术创新，２０１８，２２（２２）：６７． ［２］ 朱峻霄．地震勘探技术在煤炭勘探中的应用［Ｊ］． 中国新技术新产品，２０１８，２６（１２）：１４４１４５． ［３］ 赵 欣，程爱国，潘海洋，等．煤炭资源勘查过程中 煤层气资源评价技术研究 ［Ｊ］．煤 炭 科 学 技 术， ２０１７，４５（１１）：１８０１８６，１９８． ［４］ 魏迎春，夏永翊，武玉良，等．深部煤炭资源探采 对比与 勘 探 方 法 探 讨 ［Ｊ］．煤 田 地 质 与 勘 探， ２０１６，４４（４）：２５２９． ［５］ 李达为，罗林涛．地球物理勘探技术与煤炭科学 开采之研究［Ｊ］．科技创新导报，２０１６，１３（４）：３１ ３１，３３． ［６］ 邹云超，赵禄顺．煤田三维地震勘探在地表复杂 区的应 用 研 究 ［Ｊ］．能 源 技 术 与 管 理，２０１５，４０ （６）：１６５１６６， １７１． 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （下接第 １２９页） 参考文献： 发，２０１８，３８（６）：９４９８． ［１］　朱瑞军，李少辉，王 磊．ＶＲ和 ＡＲ及 ＭＲ技术在 矿山工 程 中 的 应 用 研 究 ［Ｊ］．中 国 矿 山 工 程， ２０１８，４７（５）：４７． ［２］ 成董浩，浑宝炬，靳 凯．增强现实技术在矿井通风 系统中的应用前景分析［Ｊ］．工矿自动化，２０１８， ４４（８）：１０１４． ［３］ 谢嘉成，王学文，李 祥，等．虚拟现实技术在煤矿 领域的 研 究 现 状 及 展 望 ［Ｊ］．煤 炭 科 学 技 术， ２０１９，４７（３）：５３５９． ［４］ 孙 政，廉自生，谢嘉成，等．ＶＲ环境下综采工作面 三机网络协同操作系统研究［Ｊ］．矿业研究与开 ［５］ 李 伟，付周兴，李小平．虚拟现实技术在煤矿培训 教学 中 的 应 用 ［Ｊ］．陕 西 煤 炭，２０１８，３７（Ｓ１）： １２１１２３． ［６］ 高风瞩．基于 Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的综采工作面全景虚拟现 实漫游系统的设计与实现［Ｄ］．太原：太原理工大 学，２０１８． ［７］ 王文田，关长亮，刘启超，等．虚拟仿真技术在智 慧矿山建设中的应用探讨 ［Ｊ］．中 国 矿 山 工 程， ２０１７，４６（５）：６９７２． ［８］ 张 辉，聂百胜，许 滕．煤矿虚拟现实技术应用与 发展［Ｊ］．煤矿安全，２０１６，４７（１０）：１１８１２１． 中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net