基于三维几何模型的煤矿安全生产过程VR仿真培训平台的制作方法

基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台
技术领域
1.本发明涉及煤矿安全生产过程vr仿真技术领域，具体来说，涉及基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台。


背景技术：

2.近年来，虚拟现实技术为矿山安全生产、优化设计及矿工技术培训等技术手段提供了安全保障。在国外，矿工们逐渐开始抛弃传统的复杂培训课程，而更加乐于接受一些叫做“safety jail”的课程，这些课程提供了以虚拟现实模拟为基础的安全管理和培训，矿工们坐在教室内，通过虚拟环境获得培训必备的技能和知识。
3.此外，虚拟现实模拟装置可以为矿工模拟出具有真实感的操作环境，并提供设备操作的整个过程，其与增强现实技术相结合，可以为矿工提供更加强大的设备培训和员工训练。例如，矿工通过“数字眼镜”查看出现故障的机器。电脑会给出非常详细的且有动画演示的维修步骤，矿工不需要亲自去检查机器，完全由电脑来检查并处理数据，对于井下的安全操作规程可以像玩游戏一样亲身体会和学习；除了可以自动演示整个综采工艺过程外，还可以借助于鼠标、键盘进行简单的人机交互，控采煤机的运行状态，液压支架的升、降、前移等操作。
4.现有技术中，矿山安全生产的安全技术培训存在以下缺陷：
5.1、传统的安全技术培训以文字、图片、影像为信息载体，学员被动接受，缺乏互动和实践，培训效果差，传统设备运维的人才技术传承没有成体系。
6.2、传统形式的安全教育相对枯燥，学习缺乏互动性，不能将所学知识充分转化为技能，降低了培训质量。
7.3、矿井生产环境复杂，员工操作技术水平和安全生产意识对矿井的安全生产起着至关重要的作用，需要预先模拟矿井生产的场景，但是虚拟技术手段在矿井生产的场景运用不够成熟。
8.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

9.针对相关技术中的问题，本发明提出基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
10.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
11.基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，包括煤矿生产数据收集模块、实体场景建模模块、场景合成模块、vr交互模块及实时性程序开发模块；
12.所述煤矿生产数据收集模块，用于收集煤矿采集地层、巷道及施工设备数据的实体场景数据信息；
13.所述实体场景建模模块，用于接收煤矿生产数据收集系统的实体场景数据，基于实体场景数据配置加权移动平均值的仿真煤矿生产建模数据，执行实体场景与仿真煤矿生
产建模数据的模型转换，并得到实体场景；
14.所述场景合成模块，用于利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整；
15.所述vr交互模块，用于通过操控场景合成模块来读取实体场景模型文件，并利用uml对所述实体场景的建模文件进行调整，采用unity3d完成三维场景的建模；
16.所述实时性程序开发模块，用于与vr交互设备之间建立数据通信，并对调整后的实体场景模型文件进行仿真计算，采用javascript生成实时性自动调整程序。
17.进一步的，所述用于收集煤矿采集地层、巷道及施工设备数据的实体场景数据信息还包括以下步骤：
18.获取煤矿的井下施工图及矿工的工作地点定位图；
19.根据煤矿的井下施工图，收集煤矿构造及地层的数据信息；
20.根据矿工的工作地点定位图，收集矿工的人员定位及机电设备的数据信息；
21.将矿构造及地层的数据信息与矿工的人员定位及机电设备的数据信息，通过向实体场景建模模块输出对应数据信息，实现数据漫游、信息查询及数据分析的功能。
22.进一步的，所述实体场景建模模块包括实体场景模型读取模块、实体场景模型调整模块及实体场景仿真模块；
23.所述实体场景模型读取模块，用于通过vr交互设备的操控，从模型数据库中选择所述实体场景模型文件；
24.所述实体场景模型调整模块，用于通过vr交互设备的操控对模型读取单元读取到的实体场景模型文件进行调整，并将调整后的实体场景模型文件发送给所述仿真单元；
25.所述实体场景仿真模块，用于确定调整后的实体场景模型文件的仿真参数和仿真条件，并将调整后的实体场景模型文件、仿真参数及仿真条件发送至局域网进行仿真计算。
26.进一步的，所述用于接收煤矿生产数据收集系统的实体场景数据，基于实体场景数据配置加权移动平均值的仿真煤矿生产建模数据，执行实体场景与仿真煤矿生产建模数据的模型转换，并得到实体场景的建模文件还包括以下步骤：
27.接收所述对应数据信息，将对应数据信息输入建模工具，获取模拟分析结果，通过计算加权移动平均值确定相关范围，并获得初始化的实体场景结构分布模型；
28.根据初始化的实体场景结构分布模型范围进行数据改进，建立判断数据趋势的曲线模型；
29.根据曲线计算的弹性变化值，变换弹性范围；
30.根据所述变换弹性范围判断数据模拟后，计算的实体场景分析数据；
31.根据所述实体场景分析数据的滞后情况，输出最终的实体场景。
32.进一步的，其特征在于，所述通过计算加权移动平均值的计算公式为：
33.q＝eqn e(1-e)q
n-1
e(1-e)2q
n-2

…
；
34.其中，q表示加权移动平均值，n表示输入的数据数量，qn表示输入的数据数量为n时的数据，e为权重，且e＝1/n。
35.进一步的，其特征在于，所述弹性变化值的计算公式为：
[0036][0037]
其中，t表示弹性变化值，q表示加权移动平均值，i表示差值区间的两个端点值的平均值。
[0038]
进一步的，所述用于利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整还包括以下步骤：
[0039]
根据vr交互设备的操控来读取实体场景的建模文件；
[0040]
利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整；
[0041]
将调整后的实体场景模型文件发送给所述实时性程序开发模块进行仿真计算；
[0042]
利用实时性程序开发模块发送的仿真结果显示在场景合成模块。
[0043]
进一步的，所述用于通过操控场景合成模块来读取实体场景模型文件，并利用uml对所述实体场景的建模文件进行调整，采用unity3d完成三维场景的建模还包括以下步骤：
[0044]
接收实体场景建模模块输送过来的实体景象模型文件的计算结果；
[0045]
基于实景的煤矿安全生产信息对实体场景模型文件的计算结果进行比对，并记录比对误差；
[0046]
利用uml了强化共同特征，并进一步进行的实体场景元素分类；
[0047]
根据各实体场景元素分类信息与实景的比对误差，并对实体场景模型文件进行调整；
[0048]
将调整后的实体场景模型通过unity3d完成三维场景的建模。
[0049]
进一步的，所述用于与vr交互设备之间建立数据通信，并对调整后的实体场景模型文件进行仿真计算，采用javascript生成实时性自动调整程序还包括以下步骤：
[0050]
局域网发出建立数据通信指令，多个计算机执行指令操作并建立与所述vr交互设备间的数据连接；
[0051]
多个计算机接收实体场景模型文件的数据信息，采用javascript生成实时性自动调整程序，并将实体场景模型文件的数据信息植入指定的vr交互设备；
[0052]
构建虚拟的实体场景所处空间的坐标，生成所处虚拟的实体场景的虚拟画面，并在vr设备中进行观看。
[0053]
进一步的，所述vr设备采用pico neo1与neo3无线便携式vr一体机头盔。
[0054]
本发明的有益效果为：
[0055]
1、本发明提高安全培训教学质量，利用vr技术构建虚拟现实环境，则能给学员提供一个将知识转化为技能的实践平台；提高培训人员学习效率；利用vr技术构建的虚拟现实环境里，学员完成给定的任务，以互动的操作，提高学员学习积极性，在潜移默化中提高学员操作技能水平，提高安全经济效益。
[0056]
2、通过构建虚拟矿井环境提高员工安全操作技能水平，减少生产事故发生，提高煤矿企业安全经济效益；提高煤矿安全生产水平，通过虚拟现实培训系统的应用，提高员工安全操作水平，为煤矿企业提供合格的作业人员，有效保障煤矿安全生产，缓解综掘专业人才紧缺情况。
[0057]
3、将经验点数据化，可以使集团永久保留各类技术要素，不受人员退休或跳槽而导致的技术服务断档的制约。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1是根据本发明实施例的基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台的原理框图。
[0060]
图中：
[0061]
1、煤矿生产数据收集模块；2、实体场景建模模块；3、场景合成模块；4、vr交互模块；5、实时性程序开发模块。
具体实施方式
[0062]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0063]
根据本发明的实施例，提供了基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台。
[0064]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于三维几何模型的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，包括煤矿生产数据收集模块1、实体场景建模模块2、场景合成模块3、vr交互模块4及实时性程序开发模块5；
[0065]
所述煤矿生产数据收集模块1，用于收集煤矿采集地层、巷道及施工设备数据的实体场景数据信息；
[0066]
在一个实施例中，所述用于收集煤矿采集地层、巷道及施工设备数据的实体场景数据信息还包括以下步骤：
[0067]
获取煤矿的井下施工图及矿工的工作地点定位图；
[0068]
根据煤矿的井下施工图，收集煤矿构造及地层的数据信息；
[0069]
根据矿工的工作地点定位图，收集矿工的人员定位及机电设备的数据信息；
[0070]
将矿构造及地层的数据信息与矿工的人员定位及机电设备的数据信息，通过向实体场景建模模块输出对应数据信息，实现数据漫游、信息查询及数据分析的功能。
[0071]
所述实体场景建模模块2，用于接收煤矿生产数据收集系统的实体场景数据，基于实体场景数据配置加权移动平均值的仿真煤矿生产建模数据，执行实体场景与仿真煤矿生产建模数据的模型转换，并得到实体场景；
[0072]
在一个实施例中，所述实体场景建模模块2包括实体场景模型读取模块、实体场景模型调整模块及实体场景仿真模块；
[0073]
所述实体场景模型读取模块，用于通过vr交互设备的操控，从模型数据库中选择
所述实体场景模型文件；
[0074]
所述实体场景模型调整模块，用于通过vr交互设备的操控对模型读取单元读取到的实体场景模型文件进行调整，并将调整后的实体场景模型文件发送给所述仿真单元；
[0075]
所述实体场景仿真模块，用于确定调整后的实体场景模型文件的仿真参数和仿真条件，并将调整后的实体场景模型文件、仿真参数及仿真条件发送至局域网进行仿真计算。
[0076]
在一个实施例中，所述用于接收煤矿生产数据收集系统的实体场景数据，基于实体场景数据配置加权移动平均值的仿真煤矿生产建模数据，执行实体场景与仿真煤矿生产建模数据的模型转换，并得到实体场景的建模文件还包括以下步骤：
[0077]
接收所述对应数据信息，将对应数据信息输入建模工具，获取模拟分析结果，通过计算加权移动平均值确定相关范围，并获得初始化的实体场景结构分布模型；
[0078]
根据初始化的实体场景结构分布模型范围进行数据改进，建立判断数据趋势的曲线模型；
[0079]
根据曲线计算的弹性变化值，变换弹性范围；
[0080]
根据所述变换弹性范围判断数据模拟后，计算的实体场景分析数据；
[0081]
根据所述实体场景分析数据的滞后情况，输出最终的实体场景；
[0082]
在一个实施例中，所述通过计算加权移动平均值的计算公式为：
[0083]
q＝eqn e(1-e)q
n-1
e(1-e)2q
n-2

…
；
[0084]
其中，q表示加权移动平均值，n表示输入的数据数量，qn表示输入的数据，e为权重，且e＝1/n；
[0085]
在一个实施例中，所述弹性变化值的计算公式为：
[0086][0087]
其中，t表示弹性变化值，q表示加权移动平均值，i表示差值区间的两个端点值的平均值。
[0088]
在具体应用时，虚拟现实技术在矿山中的应用可以被分为事故分析模拟、安全培训、设计仿真与模拟以及设备虚拟与培训等几个方面。
[0089]
所述场景合成模块3，用于利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整；
[0090]
在一个实施例中，所述用于利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整还包括以下步骤：
[0091]
根据vr交互设备的操控来读取实体场景的建模文件；
[0092]
利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，并根据vr交互设备的操控对实体场景的建模文件进行调整；
[0093]
将调整后的实体场景模型文件发送给所述实时性程序开发模块进行仿真计算；
[0094]
利用实时性程序开发模块发送的仿真结果显示在场景合成模块。
[0095]
所述vr交互模块4，用于通过操控场景合成模块来读取实体场景模型文件，并利用uml对所述实体场景的建模文件进行调整，采用unity3d完成三维场景的建模；
[0096]
在一个实施例中，所述用于通过操控场景合成模块来读取实体场景模型文件，并
利用uml对所述实体场景的建模文件进行调整，采用unity3d完成三维场景的建模还包括以下步骤：
[0097]
接收实体场景建模模块输送过来的实体景象模型文件的计算结果；
[0098]
基于实景的煤矿安全生产信息对实体场景模型文件的计算结果进行比对，并记录比对误差；
[0099]
利用uml了强化共同特征，并进一步进行的实体场景元素分类；
[0100]
根据各实体场景元素分类信息与实景的比对误差，并对实体场景模型文件进行调整；
[0101]
将调整后的实体场景模型通过unity3d完成三维场景的建模。
[0102]
通过vr虚拟现实技术还原再现煤矿智能化综掘工作面的工况及员工现场施工所需的规范操作、设备的拆解组装、维护保养、常见故障排查、综掘作业不安全行为警示的学习、练习和考核。
[0103]
所述实时性程序开发模块5，用于与vr交互设备之间建立数据通信，并对调整后的实体场景模型文件进行仿真计算，采用javascript生成实时性自动调整程序。
[0104]
在一个实施例中，所述用于与vr交互设备之间建立数据通信，并对调整后的实体场景模型文件进行仿真计算，采用javascript生成实时性自动调整程序还包括以下步骤：
[0105]
局域网发出建立数据通信指令，多个计算机执行指令操作并建立与所述vr交互设备间的数据连接；
[0106]
多个计算机接收实体场景模型文件的数据信息，采用javascript生成实时性自动调整程序，并将实体场景模型文件的数据信息植入指定的vr交互设备；
[0107]
构建虚拟的实体场景所处空间的坐标，生成所处虚拟的实体场景的虚拟画面，并在vr设备中进行观看。
[0108]
在一个实施例中，所述vr设备采用pico neo1与neo3无线便携式vr一体机头盔，具备6dof空间定位功能(neo3)和双手六自由度操作功能(neo2)；具有毫米级定位，超低延迟的inside-out定位能力。
[0109]
本发明的技术参数如下：
[0110]
1、实操学习包含学习和考核功能，以360度全方位可交互的vr仿真场景供用户身临其境体验学习；
[0111]
2、能真实再现实际工况环境和条件，还原各工种的工作流程；
[0112]
3、具备自助寻路功能，支持用户通过手柄进行位置传送；
[0113]
4、画面需呈现出全局光照效果，具备基于物理的pbr真实材质系统；
[0114]
5、矿工人物动作要自然，同时需支持5人以上同屏显示，人物和环境音配音具有情境感和真实感；
[0115]
6、平均实时运行速率大于40帧每秒；
[0116]
7、软件可以通过网络实现软件的升级提示与在线更新；
[0117]
8、需支持无线投屏功能，能够把实时画面投射至电脑和智能电视；
[0118]
9、需具备答题功能，对实操流程进行权重设计，对重要知识点出题并自动评分；
[0119]
10、自适应支持4k超清模式和2k高清模式；
[0120]
11、单个实操软件的可安装软件数据不可超过600mb；
[0121]
12、可以适配集团现有的设备拆解学习平台，并匹配平台条件进行软件上线。
[0122]
javascript
[0123]
javascript一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。它的解释器被称为javascript引擎，为浏览器的一部分，广泛用于客户端的脚本语言，最早是在html(标准通用标记语言下的一个应用)网页上使用，用来给html网页增加动态功能。此次项目中使用js为unity3d引擎编写脚本；
[0124]
unity3d技术
[0125]
unity类似于director、virtools等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件，其编辑器运行在windows和mac os x下，可发布游戏至windows、mac、wii、iphone和android平台。也可以利用unity web player插件发布网页游戏手机游戏，支持mac和windows的网页浏览。
[0126]
uml(统一建模语言)
[0127]
uml定义了一种一致的方法来指定基数，它总是被关系双方.上的数字指定，可能的定义包括用于一定数量(也可能是不限量的)实例的指定基数的单个数字，以及一对规定了基数的范围的以“..”隔开的数字，用于无限基数的符号是“*”，它可以单独使用标识可选的无限关系，也可以与另一个很低的值结合使用，来指定强制关系(如“1..*”)，基数的下限和上限值可以是任意正数或者“*”，但是第一个数字必须小于或等于第二个数字，uml可以分辨两种形式的实体类型间的依赖关系。
[0128]
在具体应用时，虚拟现实技术更注重于对一些由于经费、时间、难度等因素的制约而难以实施培训的场景进行虚拟显现，更强调运用可视化效果加深对未知现象的探索，具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点。虚拟现实技术的发展和普及，为矿山安全培训提供了新的辅助手段，不仅可以达到煤矿安全培训教学的目的，而且可以突破传统培训中难再现、危险性大等多种弊端。
[0129]
此外，在具有应用时，本发明中拟采用技术路线如下：
[0130]
针对具体环节进行需求分析
→
系统设计
→
现场调研，针对系统设计进行讨论与修订
→
系统研发与实现
→
系统测试
→
交付、安装、调试
→
试运行及验收阶段
→
系统维护阶段。
[0131]
本发明在集成高级实时渲染算法的基础上，整合最新的业务需求，结合最先进的vr虚拟现实手段，基于三维虚拟现实技术的应用，利用开源三维软件blender完成实验专业模型的构建工作，采用unity3d完成三维场景的建立和应用；
[0132]
平台整体表现为基于局域网的应用，采用js(javascript)完成代码开发工作。
[0133]
本发明中的实施例如下所示：
[0134]
某某职教系统具有模拟矿井实训室，具备矿井综采工作面、掘进工作面等多个模拟作业环境，以及一批具备多年安全技术培训经验的专业授课教师，大师工作室可以提供专业技术指导。
[0135]
同时，外协单位某某文化旅游传媒有限公司已经完整开发过2020年的智能化综采工作面操作vr及仿真软件，并成功适配了触摸屏和vr头盔，在技术上已经具备非常成熟的条件。
[0136]
集团内各矿区职教系统都配备了vr一体机，供矿工学习培训，已经具备vr实训模拟平台，为软件的后期迅速推广应用打下来良好的基础。
[0137]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明提高安全培训教学质量，利用vr技术构建虚拟现实环境，则能给学员提供一个将知识转化为技能的实践平台；提高培训人员学习效率；利用vr技术构建的虚拟现实环境里，学员完成给定的任务，以互动的操作，提高学员学习积极性，在潜移默化中提高学员操作技能水平；提高安全经济效益，通过构建虚拟矿井环境提高员工安全操作技能水平，减少生产事故发生，提高煤矿企业安全经济效益；提高煤矿安全生产水平，通过虚拟现实培训系统的应用，提高员工安全操作水平，为煤矿企业提供合格的作业人员，有效保障煤矿安全生产；缓解综掘专业人才紧缺情况。将经验点数据化，可以使集团永久保留各类技术要素，不受人员退休或跳槽而导致的技术服务断档的制约。
[0138]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。