3D虛擬仿真技術(shù)與煤礦安全管窺

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1應(yīng)用實(shí)例

1．1方案設(shè)計(jì)

運(yùn)用3d虛擬仿真技術(shù)來對(duì)某礦工傷事故現(xiàn)場(chǎng)以及虛擬礦工等進(jìn)行三維建模，對(duì)工傷事故進(jìn)行分析，使該事故案例還原出逼真的事故場(chǎng)景，提高了仿真效果。方案設(shè)計(jì)思路如圖1。方案設(shè)計(jì)思路過程:首先是案例資料搜集與整理，理清事故發(fā)生的地點(diǎn)、事故經(jīng)過等;其次是預(yù)想攝像機(jī)鏡頭的擺放，包括場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換等，以便出現(xiàn)好的鏡頭效果;在電腦中進(jìn)行仿真模型構(gòu)建，包括人物、設(shè)備及環(huán)境等進(jìn)行建模;進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是照明、及光能傳遞設(shè)計(jì);隨后進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化、渲染，碰撞檢測(cè)后修改等三維動(dòng)畫開發(fā);最終進(jìn)行效果展示。

1．2事故案例整理

1)事故經(jīng)過。某礦運(yùn)輸工區(qū)班長(zhǎng)帶領(lǐng)3名工人，從采區(qū)甩道向208外橫管運(yùn)送4輛裝溜槽的平板車。約17:00，當(dāng)車輛運(yùn)至回風(fēng)巷2道風(fēng)門外車場(chǎng)時(shí)，某礦工將4輛車1次掛上(按規(guī)定1次應(yīng)掛2輛)，4輛車的總長(zhǎng)度大于2道風(fēng)門之間的距離。某礦工和另1人將第1道風(fēng)門打開后，前3輛車進(jìn)入風(fēng)門之間，某礦工和工友又去推第2道風(fēng)門，推風(fēng)門過程中，車輛向下移動(dòng)，某礦工躲閃不及被擠傷。2)事故主要原因。風(fēng)門之間軌道存在向下的坡度，車輛下滑;礦工違章作業(yè)，違反措施規(guī)定1次掛4輛車;現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸環(huán)境復(fù)雜，電絞鋼絲繩過風(fēng)門;違章同時(shí)推開第2道風(fēng)門。

1．3仿真模型的構(gòu)建

1)虛擬人物建模。對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析，基于人體骨架模型，并結(jié)合構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)創(chuàng)建整個(gè)人體幾何模型。最后采用蒙皮技術(shù)把人體骨骼和外形皮膚鏈接起來。2)設(shè)備建模。井下設(shè)備建模采用多邊形建模，用圖像處理軟件作出材質(zhì)貼圖，貼在模型的外表面。對(duì)于復(fù)雜的模型，先做裝置的精模，然后在精模的基礎(chǔ)上再派生出一個(gè)簡(jiǎn)模;3)巷道建模。巷道模型根據(jù)巷道圖、巷道照片數(shù)字化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的整個(gè)概貌。4)環(huán)境建模。環(huán)境建模需要根據(jù)實(shí)際地物之間的拓?fù)潢P(guān)系來完成，其中，巷道模型的精度等問題的解決可以大幅度提高數(shù)字化的效果，給人身臨其境之感。

1．4靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境仿真

靜態(tài)環(huán)境仿真，根據(jù)巷道參數(shù)和風(fēng)門、礦車等設(shè)備外觀尺寸來構(gòu)造事故現(xiàn)場(chǎng);動(dòng)態(tài)環(huán)境仿真，對(duì)礦車運(yùn)行、人員行走等效果采用先進(jìn)的物理模塊及反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)技術(shù)，更自然真實(shí)的反應(yīng)模擬事故案例過程，本系統(tǒng)用Bullfrog環(huán)境特效編輯器進(jìn)行編輯。照明技術(shù)是3D三維虛擬仿真技術(shù)的重中之重，采用全局光照明技術(shù)，提高光斑特效的表現(xiàn)范圍;采用體積光技術(shù)，表現(xiàn)諸如機(jī)械裝置的照明設(shè)備、井下工人頭燈對(duì)周圍環(huán)境的影響等，運(yùn)用了光線追蹤(LightTracer)和光能傳遞(Radiosity)技術(shù)。

1．5三維仿真動(dòng)畫的開發(fā)制作

在建模和仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行展示策劃，運(yùn)用仿真軟件開發(fā)平臺(tái)，對(duì)事故案例進(jìn)行開發(fā)和集成，制做完成事故案例的還原再現(xiàn)動(dòng)畫軟件。

1．6技術(shù)關(guān)鍵

1)場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)。通過動(dòng)態(tài)加載、場(chǎng)景分割與拼接、遮擋剔除場(chǎng)景優(yōu)化等技術(shù)可以一定程度上解決硬件資源和高質(zhì)量場(chǎng)景要求矛盾的問題。2)模型分割技術(shù)。使用模型分割技術(shù)，觀察者離物體近時(shí)，使用第1級(jí)最多細(xì)節(jié)的物體模型，當(dāng)觀察者離物體較遠(yuǎn)時(shí)，渲染出第2級(jí)LOD圖形，并由此類推，渲染出不同細(xì)節(jié)的LOD圖形。3)碰撞檢測(cè)技術(shù)。為了使虛擬場(chǎng)景更逼真，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)物體相互發(fā)生穿透現(xiàn)象，采用碰撞檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行碰撞效果反應(yīng)，并進(jìn)行調(diào)整和修改。

1．7還原效果展示

經(jīng)過精心的研究制作，該事故三維動(dòng)畫視頻播放時(shí)間為3min56s，逼真地再現(xiàn)了事故的全部過程，畫面清晰，給人一種身臨其境的感覺，圖2，圖3為視頻部分截圖。

2效果分析

從事故仿真應(yīng)用效果來看，3D虛擬仿真技術(shù)以比較逼真、形象、容易理解的方式描述和顯現(xiàn)事故場(chǎng)景和過程，讓觀者有身臨其境之感，清楚的看到了事故發(fā)生整個(gè)過程。事故直接原因、事故產(chǎn)生的隱患等，也能形象的展現(xiàn)在觀者眼前。工作人員能夠通過現(xiàn)場(chǎng)情景再現(xiàn)，清楚的進(jìn)行施工安全評(píng)價(jià)、安全價(jià)值分析，從而確定施工過程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)行為和預(yù)防措施，進(jìn)行針對(duì)性超前預(yù)控管理。受安全教育的人員直觀地了解事故經(jīng)過，對(duì)人的不安全行為、不良安全習(xí)慣導(dǎo)致事故的原因深有體會(huì)。同時(shí)，這種方式增強(qiáng)了安全教育的趣味性，提高了職工參與安全教育的積極性，真實(shí)的提高了職工的安全教育效果。3D虛擬仿真技術(shù)，匯集可視化技術(shù)、采礦工程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、安全科學(xué)與技術(shù)等，建立煤礦的安全生產(chǎn)虛擬環(huán)境，將不可見的一些不安全行為操作及其造成后果展現(xiàn)出來，即以虛擬現(xiàn)實(shí)形式形象、直觀地表現(xiàn)出來，在安全管理工作方面發(fā)揮獨(dú)特的作用。

3結(jié)語

3D虛擬仿真技術(shù)在煤礦安全管理中的應(yīng)用有很重大的意義，其自身特點(diǎn)體現(xiàn)出來的真實(shí)性、靈活性，對(duì)企業(yè)安全管理、安全價(jià)值分析、安全制度完善、事故追查及安全培訓(xùn)的效果等，發(fā)揮著積極的促進(jìn)作用，對(duì)企業(yè)安全管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是非常有益的。

作者：趙榮闊劉思佳王直亞單位：徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司安全監(jiān)察部