煤炭生產安全綜合仿真信息係統
朱 紅1,金雪鬆2,魏永錄1
(1.中國礦業大學北京校區機電學院,北京100083;2.中國礦業大學北京校區管理學院,北京100083)
摘 要:介紹了運用虛擬現實技術完成對煤炭安全綜合仿真平台的構建、係統實現的具體技術細節以及安全預案邏輯仿真與操作評分係統的建立方法。研製出的仿真係統能較好的模擬出煤炭企業的生產狀況、02manbetx.com
發生以及安全處理預案,豐富了企業安全預案培訓的手段。
關鍵詞:虛擬現實;係統仿真;安全預案
中圖分類號:TD79 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)
基金項目:國家自然科學基金項目(70173046)
近年來煤炭生產企業的各種生產02manbetx.com
頻頻發生,造成了大量的人員傷亡和財產損失。保障安全生產已經成為煤炭企業首要解決的問題。傳統的安全生產培訓主要局限於書本教育,現場綜合信息環境的缺失使得安全生產的教育培訓效果大打折扣。“環境安全綜合仿真信息係統”就是在這一背景下誕生的。
環境安全綜合仿真信息係統是指利用當前最先進的虛擬現實技術,結合生產環境仿真,建立一套能提供安全操作培訓、應急預案演練等功能的計算機軟硬件係統。即采用計算機實時三維圖形化方法,模擬實際操作的環境和場景並提供交互操作環境、用嚴格的數學模型模擬生產的操作過程、02manbetx.com
過程。使用者俱有身臨真實現場操作、執行應急預案的感覺,其主要功能是:①02manbetx.com
處理預演:關注突發事件或事故發生後的處理和應對,以避免或減少人員的傷亡,降低經濟損失;②安全狀況綜合評估:結合生產調度係統的生產環境數據與物資人員狀況對全係統的安全狀況和事故隱患進行數據仿真;③基本培訓和特殊工種的培訓:可提高被培訓人員的素質(安全意識)和崗位技術教育。
1 係統設計綜述
環境安全綜合仿真信息係統是用三維仿真技術,在計算機上再現生產現場的環境,模擬事故發生時的場景,以用戶與虛擬環境進行互操作為基礎使其有身臨其境的感覺。該係統不僅能夠仿真生產調度環境,同時能夠將整個生產係統中的各種因素集中體現在安全狀況的綜合信息當中。采用VC++,OpenGL等底層開發工具和開發環境建立自主的3D引擎。以麵向對象建模技術和第三方建模工具結合(3Dmax,Multigen Creator,AutoCAD,Photo-Shop等)完成係統的模塊化設計。其特征是:①用戶可觀察虛擬的三維場景和設備,可與三維場景中的對象進行交互,可在虛擬現實的三維場景中進行操作和培訓;②對生產現場的事故進行爆炸、煙霧、火焰、風向等特效的模擬;③具有學習與考核的功能;④具有通用平台的特性,集中體現在不同生產環境、預案的自定義功能;⑤具有較強的可擴展性、可維護性,能夠適應不同煤炭企業的需求。
2 係統拓撲結構與子係統考慮到仿真係統的實時性要求比較強,本係統采用C/S結構,服務器端程序主要負責係統終端各個程序之間的數據傳輸及其之間的協調運作。包含以下幾個子係統(見圖1)。
(1)主控係統:完成網絡消息的傳遞和各個子係統的協調運行。
(2)VR顯示係統:配合操作平台,實現相應的交互式場景顯示。
(3)人機交互與驅動係統:建立啟動引擎、處理客戶端的操作信息與數據采集、碰撞檢測、特效模擬、人機交互。
(4)生產環境模型計算係統:建立相應生產環境模型、生成生產調度模型。
(6)場景建模係統:快速搭建煤炭生產企業3D場景。
3 係統類庫的構造
係統類庫的構造見圖2。
(1) 場景類。
(2) ①場地類(地形場景的處理和顯示);②天空和地麵設備類;③運輸設備類;④采掘設
備類;⑤儀器、儀表類。(2)基礎類。①LOD算法類(計算場景的顯示細節度);②數學運算類(處理純數學計算比如:矩陣運算,空間幾何運算等);③幾何圖元構建算法類(處理本係統需要的簡單模型的快速生成,保存四麵體,球體,柱狀體,管狀體,三角網曲麵構建等)。
(3)特效類。①文字處理類(處理場景中的文字顯示);②光源類(實現光照模型,分為點光源PointLightNode,平行光源DirLightNode,錐光源SpotLightNode);③照相機類(處理場景的漫遊和變換);④粒子係統類(實現爆炸效果,火焰等的模擬);⑤陰影實現類(實現陰影和透明的模擬);⑥波模擬類,煙霧類(實現煙霧特效);⑦類(實現下雨天氣,大霧天氣,黑夜天氣等的模擬);⑧效處理類(負責聲音的動態播放)。
(4)場景材質類。①紋理類(管理紋理的調入,保存,刪除,規範化,紋理坐標變換,紋理的效果處理等);②材質類(管理設置材質屬性);③碰撞檢測類,對象捕捉和交互類;④路徑類(負責需要路徑的對象的路徑生成與管理)。
(5)考核評價類。①流程類(定義仿真係統的圖2
虛擬視景生成係統生產環境和運輸流程,各種操作流程,操作後出現的異常流程等);②評價類(對操作過程和結果進行評價)。
(6)通訊與文件類
。①通信類(負責網絡間的通訊傳輸);②文件管理類(負責需要的各種文件格式的讀取,保存,刪除等操作);③數據庫操作類(數據庫的查,增,刪,改等操作)。
4 係統模型與技術
本係統采用VC++6.0和高效的OpenGL底層API函數做開發工具。輔以微軟的Direct Sound
和Direct Music為開發音效引擎的工具。虛擬視景係統的構建如圖2所示。為了實現用戶的現場感,每秒幀數(fps)至關重要。一般而言, fps應在25以上。考慮一些硬件的限製,往往由於顯示的場景過大而使得係統的顯示達不到實時性。為此我們將肉眼看不見的體和麵簡化或刪除。算法包括:①麵裁剪技術;②遮擋裁剪技術;③視錐體裁剪技術;④細節層次(LOD)技術。碰撞檢測我們采用了八叉樹優化算法,盡量減少係統的額外開銷。
5 網絡協議
基於C/S的分布式仿真係統需要建立必要的網絡通訊。采用Windows有關的網絡通訊的底層API函數作為網絡通訊的構建工具,構建本係統的網絡通訊接口,一是有關采礦工藝模型仿真計算係統的接口,另一類是與服務器端的三維場景控製軟件的接口(見圖3)。
對於前一種,定義了一係列的網絡接口API函數,在每一個仿真時間段內通過網絡通訊API,在工藝模型仿真係統中查找工藝模型的工程號,模型號,參數號等相關參數,進行相應的讀取,存儲,修改等操作。同時把取得的相應參數傳遞到虛擬儀表顯示子係統中,通過虛擬儀表顯示出來。視景仿真係統是一個多人協同操作的網絡係統,當每一操作客戶端進入係統時,操作客戶端能夠在自己的場景中相互看到對方,每個操作客戶端對工藝模型仿真係統進行的操作結果都會反應到其他的客戶端。因此第二類網絡通訊協議主要解決的是每一個操作客戶端
在同一個虛擬場景下的位置坐標信息、動作信息(如站立,走,跑動,開關返閥門等動作)、還要傳送該客戶端的名稱以便服務器端的控製程序對客戶的操作進行記錄、評價。
6 考核評價係統
為了更加真實的模擬煤炭企業的生產情況,需要在仿真係統中加入生產預案邏輯,把三維場景中可操作點(閥門,開關等)以及可觀察點(儀表等)與後台預案仿真模型和工藝流程模型進行數據連接,對於操作者的動作進行係統提示,對誤操作等引起的後果(如火焰,爆炸等)進行實時的仿真。同時記錄操作動作本身,記錄操作引起的結果,在仿真結束時得出考評結果,並提出相應的改進建議。由此我們建立了安全預案仿真子係統,係統建立在服務器端的控製程序裏。主要功能是為每一次實時仿真提供預案流程數據(主要集中在邏輯結構,例如判斷每一步操作是否完成,下一步的動作應該是什麼,動作完成以後引起的後果等)。見圖4。
7 結束語
安全仿真係統可以根據培訓人員的操作步驟,處理方式,響應速度,通訊指揮能力,選擇條件等情況給出操作成績評定。使被培訓人員,能夠做到通過培訓,正確了解自己的水平,進而提高自己的水圖4 考評係統流程圖
平,真正做到有備無患。隨著安全仿真技術的發展和企業的需求,安全仿真係統將進一步提高到能檢驗企業生產是否符合安全標準、事故的應急預案是否可靠等方麵,這樣該仿真係統將產生更大的經濟和社會效益。
作者簡介:朱 紅(1974-),女,遼寧大連人,講師,2002年畢業於昆明理工大學,現就職於中國礦業大學(北京校區)機電學院計算機係,研究方向為計算機仿真、人工智能、決策支持係統,發表論文10餘篇。
