3D虚拟仿真技术与煤矿安全管窥

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1应用实例

1．1方案设计

运用3d虚拟仿真技术来对某矿工伤事故现场以及虚拟矿工等进行三维建模，对工伤事故进行分析，使该事故案例还原出逼真的事故场景，提高了仿真效果。方案设计思路如图1。方案设计思路过程:首先是案例资料搜集与整理，理清事故发生的地点、事故经过等;其次是预想摄像机镜头的摆放，包括场景的转换等，以便出现好的镜头效果;在电脑中进行仿真模型构建，包括人物、设备及环境等进行建模;进行静态、动态仿真环境设计，重点是照明、及光能传递设计;随后进行场景优化、渲染，碰撞检测后修改等三维动画开发;最终进行效果展示。

1．2事故案例整理

1)事故经过。某矿运输工区班长带领3名工人，从采区甩道向208外横管运送4辆装溜槽的平板车。约17:00，当车辆运至回风巷2道风门外车场时，某矿工将4辆车1次挂上(按规定1次应挂2辆)，4辆车的总长度大于2道风门之间的距离。某矿工和另1人将第1道风门打开后，前3辆车进入风门之间，某矿工和工友又去推第2道风门，推风门过程中，车辆向下移动，某矿工躲闪不及被挤伤。2)事故主要原因。风门之间轨道存在向下的坡度，车辆下滑;矿工违章作业，违反措施规定1次挂4辆车;现场运输环境复杂，电绞钢丝绳过风门;违章同时推开第2道风门。

1．3仿真模型的构建

1)虚拟人物建模。对人体的运动结构的分析，基于人体骨架模型，并结合构造实体几何法(CSG)创建整个人体几何模型。最后采用蒙皮技术把人体骨骼和外形皮肤链接起来。2)设备建模。井下设备建模采用多边形建模，用图像处理软件作出材质贴图，贴在模型的外表面。对于复杂的模型，先做装置的精模，然后在精模的基础上再派生出一个简模;3)巷道建模。巷道模型根据巷道图、巷道照片数字化建模，以便表现矿井巷道的整个概貌。4)环境建模。环境建模需要根据实际地物之间的拓扑关系来完成，其中，巷道模型的精度等问题的解决可以大幅度提高数字化的效果，给人身临其境之感。

1．4静态和动态环境仿真

静态环境仿真，根据巷道参数和风门、矿车等设备外观尺寸来构造事故现场;动态环境仿真，对矿车运行、人员行走等效果采用先进的物理模块及反应堆动力学技术，更自然真实的反应模拟事故案例过程，本系统用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。照明技术是3D三维虚拟仿真技术的重中之重，采用全局光照明技术，提高光斑特效的表现范围;采用体积光技术，表现诸如机械装置的照明设备、井下工人头灯对周围环境的影响等，运用了光线追踪(LightTracer)和光能传递(Radiosity)技术。

1．5三维仿真动画的开发制作

在建模和仿真的基础上，进行展示策划，运用仿真软件开发平台，对事故案例进行开发和集成，制做完成事故案例的还原再现动画软件。

1．6技术关键

1)场景优化技术。通过动态加载、场景分割与拼接、遮挡剔除场景优化等技术可以一定程度上解决硬件资源和高质量场景要求矛盾的问题。2)模型分割技术。使用模型分割技术，观察者离物体近时，使用第1级最多细节的物体模型，当观察者离物体较远时，渲染出第2级LOD图形，并由此类推，渲染出不同细节的LOD图形。3)碰撞检测技术。为了使虚拟场景更逼真，避免产生运动物体相互发生穿透现象，采用碰撞检测技术，进行碰撞效果反应，并进行调整和修改。

1．7还原效果展示

经过精心的研究制作，该事故三维动画视频播放时间为3min56s，逼真地再现了事故的全部过程，画面清晰，给人一种身临其境的感觉，图2，图3为视频部分截图。

2效果分析

从事故仿真应用效果来看，3D虚拟仿真技术以比较逼真、形象、容易理解的方式描述和显现事故场景和过程，让观者有身临其境之感，清楚的看到了事故发生整个过程。事故直接原因、事故产生的隐患等，也能形象的展现在观者眼前。工作人员能够通过现场情景再现，清楚的进行施工安全评价、安全价值分析，从而确定施工过程中可能出现的危险行为和预防措施，进行针对性超前预控管理。受安全教育的人员直观地了解事故经过，对人的不安全行为、不良安全习惯导致事故的原因深有体会。同时，这种方式增强了安全教育的趣味性，提高了职工参与安全教育的积极性，真实的提高了职工的安全教育效果。3D虚拟仿真技术，汇集可视化技术、采矿工程虚拟现实技术、安全科学与技术等，建立煤矿的安全生产虚拟环境，将不可见的一些不安全行为操作及其造成后果展现出来，即以虚拟现实形式形象、直观地表现出来，在安全管理工作方面发挥独特的作用。

3结语

3D虚拟仿真技术在煤矿安全管理中的应用有很重大的意义，其自身特点体现出来的真实性、灵活性，对企业安全管理、安全价值分析、安全制度完善、事故追查及安全培训的效果等，发挥着积极的促进作用，对企业安全管理目标的实现是非常有益的。

作者：赵荣阔刘思佳王直亚单位：徐州矿务集团有限公司安全监察部