張景鋼，高 寧,王佳凱

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

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基于VRP的礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)研究

張景鋼1,2，高 寧1,王佳凱1

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)安全工程專業(yè)教學(xué)中存在教學(xué)枯燥、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)性不強(qiáng)、校外實(shí)訓(xùn)受外因影響大等難題，采用成熟的四層體系結(jié)構(gòu)，利用VRP虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、功能劃分，以及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)在礦井通風(fēng)教學(xué)中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不具備或難以完成的教學(xué)功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更可靠更具代表性，有效提高了學(xué)生的積極性與學(xué)習(xí)興趣。本文通過(guò)系統(tǒng)介紹礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，展示虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的優(yōu)越性以及虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性。

VRP；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)驗(yàn)；礦井通風(fēng)

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在安全工程專業(yè)的教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)踐中鍛煉自己的的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，并且可以與課堂的理論內(nèi)容相結(jié)合，從而更加準(zhǔn)確的理解和掌握所學(xué)知識(shí)[1]。由于安全工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備少且場(chǎng)地有限、校外實(shí)踐機(jī)會(huì)少且受到礦井實(shí)際限制等等，導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少，阻礙了學(xué)生能力的發(fā)展，也降低了學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣。建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效地解決此類問(wèn)題。

礦井通風(fēng)是安全工程專業(yè)學(xué)生必修的一門重要的專業(yè)課程，在整個(gè)安全工程教學(xué)中占據(jù)不可替代的重要地位。其中，很多實(shí)驗(yàn)都需要在真實(shí)礦井條件下才能進(jìn)行，比如礦井通風(fēng)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，此試驗(yàn)需要在井下通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟的狀態(tài)下測(cè)定靜壓和全壓，而在有的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不具備測(cè)量條件，且安全工程專業(yè)學(xué)生比較多，校外實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)少，無(wú)法滿足所有學(xué)生的需要。因此，若能將實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，在電腦上構(gòu)建出一個(gè)相對(duì)完善的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一定能解決當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，實(shí)驗(yàn)成本高以及學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)少等問(wèn)題，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性[4]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)最早是在20世紀(jì)80年代初由美國(guó)拉尼爾(Jaron Lanier)提出的。其內(nèi)涵是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三位環(huán)境中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)[10]。1989年，美國(guó)University of Virginia 的William Wolf 教授首先提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室(virtual Laboratory)的概念，虛擬實(shí)驗(yàn)就是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，通過(guò)電腦將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材轉(zhuǎn)化為虛擬元件，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)操作鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)操作[11]。通過(guò)把一系列軟件和硬件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作以及結(jié)果的模擬。國(guó)外對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，如Carnegie - Mellon University 的卡內(nèi)基梅隆虛擬實(shí)驗(yàn)室、Johns Hopkins University 的虛擬工程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，已取得良好的效果[5]。在國(guó)內(nèi)，許多高校非常重視虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用，已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，如清華大學(xué)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防科技大學(xué)的現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室等，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)得到了應(yīng)有的重視[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與虛擬化思路

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)我校安全工程專業(yè)學(xué)生對(duì)于實(shí)踐的實(shí)際需求及煤礦企業(yè)對(duì)于安全人員實(shí)踐能力的要求，結(jié)合當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，構(gòu)建基于VRP的礦井通風(fēng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，加深學(xué)生對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)各參數(shù)測(cè)定具體步驟的印象[9]。根據(jù)礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體要求，主要完成井下氣候條件測(cè)定、通風(fēng)點(diǎn)壓力測(cè)定、傾斜壓差計(jì)調(diào)平三個(gè)實(shí)驗(yàn)。在對(duì)此虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行布局時(shí)，將系統(tǒng)劃分為4個(gè)層次。礦井通風(fēng)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是實(shí)驗(yàn)運(yùn)行窗口。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)虛擬化思路

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室是用軟件或編程來(lái)模擬硬件設(shè)備的特性[7]。虛擬化環(huán)境需要多種技術(shù)的協(xié)調(diào)配合：服務(wù)器和操作系統(tǒng)的虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、以及系統(tǒng)管理、資源管理和軟件提交、與非虛擬化環(huán)境一致的應(yīng)用環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建講究合理，符合實(shí)驗(yàn)的要求[8]。為了提高構(gòu)建的成功率，選用合適的關(guān)鍵技術(shù)尤其重要，應(yīng)盡量選擇開(kāi)發(fā)難度低、成本低、時(shí)間短、對(duì)使用要求低的技術(shù)。

圖1 礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)

圖2 礦井通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)參數(shù)測(cè)定虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行窗口

VRP(Virtual Reality Platform)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，是由中視典數(shù)字科技有限公司開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接面向三維美工的一款虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見(jiàn)即所得以及易于與3dsMax等建模軟件兼容[1]。VRP是通過(guò)導(dǎo)入由三維軟件制作好的三維模型，開(kāi)發(fā)者可以自由地開(kāi)發(fā)各種三維動(dòng)畫(huà)，開(kāi)發(fā)難度一般，容易上手，可以設(shè)計(jì)美觀的界面，VRP在建模方面的不足可由3ds Max來(lái)彌補(bǔ)。因此，綜合分析，選擇VRP和3ds Max作為本實(shí)驗(yàn)虛擬化的關(guān)鍵技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)虛擬化的思路是：在三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件VRP中構(gòu)建，由專業(yè)建模軟件3ds Max制作出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器模型，并編輯出相應(yīng)的剛體動(dòng)畫(huà)，再導(dǎo)入到VRP軟件中，利用VRP功能制作相應(yīng)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊以觸發(fā)劇情效果，最終完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最后生成可以執(zhí)行的文件。

3 3DS MAX建模

3.1 3D建模

我們先用3ds Max對(duì)虛擬場(chǎng)景以及所需要的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行建模。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型的優(yōu)化對(duì)VR-DEMO的演示速度影響很大，因?yàn)橹谱髑捌谌绻粚?duì)場(chǎng)景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要重新回到3ds MAX修改模型，這樣會(huì)大大降低工作效率。因此，在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)必須注重虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模型的優(yōu)化并遵循游戲場(chǎng)景的建模方式創(chuàng)建簡(jiǎn)模。圖3所示為干濕溫度計(jì)三維建模、煤礦巷道建模。

圖3 干濕溫度計(jì)三維建模、煤礦巷道建模

3.2 材質(zhì)貼圖與烘焙操作

設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需要處理注重模型的優(yōu)化以外，還要注意材質(zhì)的編輯，因?yàn)椴馁|(zhì)的使用需要跟烘焙操作結(jié)合在一起，即不同類型的材質(zhì)應(yīng)采取不同的烘焙方式。VRP對(duì)3ds MAX模型材質(zhì)的屬性設(shè)置沒(méi)有過(guò)多要求，通常可以在Diffuse Color(漫反射顏色)貼圖通道添加一張紋理貼圖來(lái)表現(xiàn)模型材質(zhì)屬性，其他設(shè)置可以在模型導(dǎo)入到VRP編輯器后再進(jìn)行設(shè)置。對(duì)3D模型賦材質(zhì)后，就可以在場(chǎng)景中布置相機(jī)和各種燈光準(zhǔn)備烘焙操作。這樣能把在非實(shí)時(shí)環(huán)境中渲染完成的燈光材質(zhì)等效果轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)交互的環(huán)境中，因此烘焙紋理的質(zhì)量直接影響最終效果[2]。添加材質(zhì)烘焙后的效果圖如圖4所示。當(dāng)3D場(chǎng)景完成烘焙操作后，就可以利用VRP-For-Max插件，將3D場(chǎng)景中的模型從3DS-MAX中導(dǎo)出至VRP-Bulider中。圖4為傾斜壓差計(jì)添加材質(zhì)后的效果圖

圖4 傾斜壓差計(jì)添加材質(zhì)后的效果圖

4 VRP虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

4.1 VRP 制作思路

建模完成后，將3D模型導(dǎo)入到VRP12學(xué)習(xí)版中。打開(kāi)VRP編輯器，將在3ds Max 里做的模型導(dǎo)入到VRP，單擊菜單欄中的“文件——導(dǎo)入物體”，選擇做好的模型文件，確定后，就會(huì)在VRP軟件中看到所做的模型，圖5為已導(dǎo)入到VRP編輯器的風(fēng)表。VRP 制作的關(guān)鍵點(diǎn)是定義變量，虛擬實(shí)驗(yàn)必定有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)變量來(lái)儲(chǔ)存。VRP 定義變量通過(guò)單擊菜單欄中的“腳本”，進(jìn)入“VRP 腳本編輯器”，單擊“插入語(yǔ)句”，彈出VRP 命令行編輯器窗口，在窗口左側(cè)點(diǎn)擊“腳本文件”，再點(diǎn)擊定義變量，在窗口的右側(cè)就會(huì)出現(xiàn)文本框，按其說(shuō)明輸入變量的名稱，如果有數(shù)值，則可以輸入數(shù)值，再按“確定”。此時(shí)，在VRP 腳本編輯器中就會(huì)出現(xiàn)定義變量的語(yǔ)句。單擊鼠標(biāo)觸發(fā)劇情是制作的主要思路，VRP 也提供鼠標(biāo)事件腳本控制。在相應(yīng)的鼠標(biāo)事件點(diǎn)擊其右邊的“腳本”按鈕，即可進(jìn)入腳本編輯器。通過(guò)單擊“下一步”，就可以讓風(fēng)表迎著風(fēng)流按“S”型路線上下移動(dòng)，只需要點(diǎn)擊左鍵彈起右邊的“腳本”，就可以進(jìn)入VRP 編輯器進(jìn)行編程；當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊“下一步”，就播放風(fēng)表移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，因此我們?cè)谀_本編輯器中單擊“插入語(yǔ)句”，彈出VRP命令編輯器。在左邊點(diǎn)擊“動(dòng)畫(huà)”命令，在展開(kāi)的目錄中點(diǎn)擊“播放剛體”命令。在左邊的編輯欄中，點(diǎn)擊第一個(gè)文本框右邊的省略號(hào)，選擇需要播放剛體動(dòng)畫(huà)的模型，在“循環(huán)次數(shù)”中輸入“1”，說(shuō)明剛體動(dòng)畫(huà)只播放一次。這樣，一個(gè)鼠標(biāo)命令就編輯完成了，其他的也如此類推。

圖5 已導(dǎo)入到VRP編輯器的風(fēng)表

4.2 時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)

三維虛擬場(chǎng)景的鼠標(biāo)(或鍵盤)響應(yīng)動(dòng)作可以通過(guò)VRP時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)編輯觸發(fā)函數(shù)進(jìn)行時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)的控制播放，從而形成三維虛擬場(chǎng)景與用戶交互的效果[13]。圖6為時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)效果圖。

4.3 二維交互界面

二維界面是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與用戶交互的窗口，制作精良的二維交互界面可以使用戶更加方便地操控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行[12]。在進(jìn)行系統(tǒng)二維界面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視操作界面的實(shí)用性，盡量簡(jiǎn)化二維交互界面按鈕個(gè)數(shù)，為三維場(chǎng)景留出更多的可視空間，同時(shí)兼顧二維界面的功能性。圖7為靜壓測(cè)定二維界面圖。

圖6 時(shí)間軸動(dòng)畫(huà)效果

圖7 靜壓測(cè)定二維界面

4.4 VRP腳本編輯

VRP腳本編輯器是所有交互腳本的一個(gè)集合。通過(guò)VRP腳本編輯器給任意一個(gè)按鈕、圖片或模型添加交互腳本，從而實(shí)現(xiàn)VR場(chǎng)景的交互功能。根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求以及場(chǎng)景設(shè)計(jì)，我們將VPR腳本文件分為井下氣候條件測(cè)定任務(wù)腳本、通風(fēng)點(diǎn)壓力測(cè)定任務(wù)腳本、傾斜壓差計(jì)側(cè)壓任務(wù)腳本等。圖8為VRP腳本編輯圖。

圖8 VRP腳本編輯圖

4.5 編譯與調(diào)試

完成虛擬實(shí)驗(yàn)的制作后，還要將其編譯成可執(zhí)行文件。鼠標(biāo)依次單擊文件-編譯成EXE，當(dāng)所有的文件都添加完畢，其軟件也就編譯完畢。軟件完成后，還應(yīng)該進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程其實(shí)就是多遍運(yùn)行生成的可執(zhí)行文件，找出軟件的一些不足，然后加以改進(jìn)的過(guò)程。例如檢查動(dòng)畫(huà)運(yùn)行是否正常，是否符合邏輯，檢查數(shù)據(jù)的完整性等。如果軟件運(yùn)行不正常、不符合邏輯，應(yīng)當(dāng)改正，且還要再次調(diào)試檢查改正。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的基于VRP技術(shù)的礦井通風(fēng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可應(yīng)用到課堂教學(xué)、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、校外實(shí)踐等環(huán)節(jié)，交互性強(qiáng)[3]。同時(shí)，系統(tǒng)也是基于3D技術(shù)，采用了多種方法優(yōu)化性能，縮短了響應(yīng)時(shí)間[7]。結(jié)果顯示，構(gòu)建技術(shù)選擇合理，較易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，將實(shí)驗(yàn)以立體的形式展現(xiàn)出來(lái)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果也會(huì)更加明顯，該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)符合安全工程專業(yè)實(shí)際教學(xué)要求，具有專業(yè)性、教學(xué)性、平臺(tái)無(wú)關(guān)性等特點(diǎn)。今后，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，完善系統(tǒng)的功能，將更多的通風(fēng)實(shí)驗(yàn)加入到系統(tǒng)中來(lái)，幫助學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)了解礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

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Virtual Experimental Study on Wind Current State Parameter Determination in Mine Ventilation Based on VRP Technology

ZHANG Jing-gang1,2，GAO Ning1，ZHANG Jia-kai1

(1.SchoolofSafetyEngineering，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China；2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing，100083，China)

Aiming at the difficulties in the teaching of safety engineering discipline，which are boring teaching，on-campus practical training being not systematic enough，off-campus training being greatly affected by external impacts and so on，by the means of VRP technology and four mature layer structure，a virtual experiment system of wind current state parameter determination in mine ventilation is designed and developed，and its overall system design，functional partitioning and key technologies are presented.Applied in the teaching of mine ventilation，the system can achieve the teaching function which don’t exist or is difficult to achieve in real experiments，the experimental results are also more reliable and more representative.It improves the students’ enthusiasm and interest in learning.The virtual demonstration of mine ventilation system is introduced in this paper，which shows the superiority of the virtual laboratory teaching and the necessity of the virtual laboratory construction.

VRP；virtual reality technology；experiment；mine ventilation

2016-02-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助( 3142013103，3142012029)

張景鋼(1981-)，男，山東煙臺(tái)人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授，研究方向：煤礦安全,安全管理，安全評(píng)價(jià)。E-mail：xagn@163.com

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1672-7169(2016)02-0025-05