煤炭生产安全综合仿真信息系统
朱 红1,金雪松2,魏永录1
(1.中国矿业大学北京校区机电学院,北京100083;2.中国矿业大学北京校区管理学院,北京100083)
摘 要:介绍了运用虚拟现实技术完成对煤炭安全综合仿真平台的构建、系统实现的具体技术细节以及安全预案逻辑仿真与操作评分系统的建立方法。研制出的仿真系统能较好的模拟出煤炭企业的生产状况、事故发生以及安全处理预案,丰富了企业安全预案培训的手段。
关键词:虚拟现实;系统仿真;安全预案
中图分类号:TD79 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2006)
基金项目:国家自然科学基金项目(70173046)
近年来煤炭生产企业的各种生产事故频频发生,造成了大量的人员伤亡和财产损失。保障安全生产已经成为煤炭企业首要解决的问题。传统的安全生产培训主要局限于书本教育,现场综合信息环境的缺失使得安全生产的教育培训效果大打折扣。“环境安全综合仿真信息系统”就是在这一背景下诞生的。
环境安全综合仿真信息系统是指利用当前最先进的虚拟现实技术,结合生产环境仿真,建立一套能提供安全操作培训、应急预案演练等功能的计算机软硬件系统。即采用计算机实时三维图形化方法,模拟实际操作的环境和场景并提供交互操作环境、用严格的数学模型模拟生产的操作过程、事故过程。使用者俱有身临真实现场操作、执行应急预案的感觉,其主要功能是:①事故处理预演:关注突发事件或事故发生后的处理和应对,以避免或减少人员的伤亡,降低经济损失;②安全状况综合评估:结合生产调度系统的生产环境数据与物资人员状况对全系统的安全状况和事故隐患进行数据仿真;③基本培训和特殊工种的培训:可提高被培训人员的素质(安全意识)和岗位技术教育。
1 系统设计综述
环境安全综合仿真信息系统是用三维仿真技术,在计算机上再现生产现场的环境,模拟事故发生时的场景,以用户与虚拟环境进行互操作为基础使其有身临其境的感觉。该系统不仅能够仿真生产调度环境,同时能够将整个生产系统中的各种因素集中体现在安全状况的综合信息当中。采用VC++,OpenGL等底层开发工具和开发环境建立自主的3D引擎。以面向对象建模技术和第三方建模工具结合(3Dmax,Multigen Creator,AutoCAD,Photo-Shop等)完成系统的模块化设计。其特征是:①用户可观察虚拟的三维场景和设备,可与三维场景中的对象进行交互,可在虚拟现实的三维场景中进行操作和培训;②对生产现场的事故进行爆炸、烟雾、火焰、风向等特效的模拟;③具有学习与考核的功能;④具有通用平台的特性,集中体现在不同生产环境、预案的自定义功能;⑤具有较强的可扩展性、可维护性,能够适应不同煤炭企业的需求。
2 系统拓扑结构与子系统考虑到仿真系统的实时性要求比较强,本系统采用C/S结构,服务器端程序主要负责系统终端各个程序之间的数据传输及其之间的协调运作。包含以下几个子系统(见图1)。
(1)主控系统:完成网络消息的传递和各个子系统的协调运行。
(2)VR显示系统:配合操作平台,实现相应的交互式场景显示。
(3)人机交互与驱动系统:建立启动引擎、处理客户端的操作信息与数据采集、碰撞检测、特效模拟、人机交互。
(4)生产环境模型计算系统:建立相应生产环境模型、生成生产调度模型。
(6)场景建模系统:快速搭建煤炭生产企业3D场景。
3 系统类库的构造
系统类库的构造见图2。
(1) 场景类。
(2) ①场地类(地形场景的处理和显示);②天空和地面设备类;③运输设备类;④采掘设
备类;⑤仪器、仪表类。(2)基础类。①LOD算法类(计算场景的显示细节度);②数学运算类(处理纯数学计算比如:矩阵运算,空间几何运算等);③几何图元构建算法类(处理本系统需要的简单模型的快速生成,保存四面体,球体,柱状体,管状体,三角网曲面构建等)。
(3)特效类。①文字处理类(处理场景中的文字显示);②光源类(实现光照模型,分为点光源PointLightNode,平行光源DirLightNode,锥光源SpotLightNode);③照相机类(处理场景的漫游和变换);④粒子系统类(实现爆炸效果,火焰等的模拟);⑤阴影实现类(实现阴影和透明的模拟);⑥波模拟类,烟雾类(实现烟雾特效);⑦类(实现下雨天气,大雾天气,黑夜天气等的模拟);⑧效处理类(负责声音的动态播放)。
(4)场景材质类。①纹理类(管理纹理的调入,保存,删除,规范化,纹理坐标变换,纹理的效果处理等);②材质类(管理设置材质属性);③碰撞检测类,对象捕捉和交互类;④路径类(负责需要路径的对象的路径生成与管理)。
(5)考核评价类。①流程类(定义仿真系统的图2
虚拟视景生成系统生产环境和运输流程,各种操作流程,操作后出现的异常流程等);②评价类(对操作过程和结果进行评价)。
(6)通讯与文件类
。①通信类(负责网络间的通讯传输);②文件管理类(负责需要的各种文件格式的读取,保存,删除等操作);③数据库操作类(数据库的查,增,删,改等操作)。
4 系统模型与技术
本系统采用VC++6.0和高效的OpenGL底层API函数做开发工具。辅以微软的Direct Sound
和Direct Music为开发音效引擎的工具。虚拟视景系统的构建如图2所示。为了实现用户的现场感,每秒帧数(fps)至关重要。一般而言, fps应在25以上。考虑一些硬件的限制,往往由于显示的场景过大而使得系统的显示达不到实时性。为此我们将肉眼看不见的体和面简化或删除。算法包括:①面裁剪技术;②遮挡裁剪技术;③视锥体裁剪技术;④细节层次(LOD)技术。碰撞检测我们采用了八叉树优化算法,尽量减少系统的额外开销。
5 网络协议
基于C/S的分布式仿真系统需要建立必要的网络通讯。采用Windows有关的网络通讯的底层API函数作为网络通讯的构建工具,构建本系统的网络通讯接口,一是有关采矿工艺模型仿真计算系统的接口,另一类是与服务器端的三维场景控制软件的接口(见图3)。
对于前一种,定义了一系列的网络接口API函数,在每一个仿真时间段内通过网络通讯API,在工艺模型仿真系统中查找工艺模型的工程号,模型号,参数号等相关参数,进行相应的读取,存储,修改等操作。同时把取得的相应参数传递到虚拟仪表显示子系统中,通过虚拟仪表显示出来。视景仿真系统是一个多人协同操作的网络系统,当每一操作客户端进入系统时,操作客户端能够在自己的场景中相互看到对方,每个操作客户端对工艺模型仿真系统进行的操作结果都会反应到其他的客户端。因此第二类网络通讯协议主要解决的是每一个操作客户端
在同一个虚拟场景下的位置坐标信息、动作信息(如站立,走,跑动,开关返阀门等动作)、还要传送该客户端的名称以便服务器端的控制程序对客户的操作进行记录、评价。
6 考核评价系统
为了更加真实的模拟煤炭企业的生产情况,需要在仿真系统中加入生产预案逻辑,把三维场景中可操作点(阀门,开关等)以及可观察点(仪表等)与后台预案仿真模型和工艺流程模型进行数据连接,对于操作者的动作进行系统提示,对误操作等引起的后果(如火焰,爆炸等)进行实时的仿真。同时记录操作动作本身,记录操作引起的结果,在仿真结束时得出考评结果,并提出相应的改进建议。由此我们建立了安全预案仿真子系统,系统建立在服务器端的控制程序里。主要功能是为每一次实时仿真提供预案流程数据(主要集中在逻辑结构,例如判断每一步操作是否完成,下一步的动作应该是什么,动作完成以后引起的后果等)。见图4。
7 结束语
安全仿真系统可以根据培训人员的操作步骤,处理方式,响应速度,通讯指挥能力,选择条件等情况给出操作成绩评定。使被培训人员,能够做到通过培训,正确了解自己的水平,进而提高自己的水图4 考评系统流程图
平,真正做到有备无患。随着安全仿真技术的发展和企业的需求,安全仿真系统将进一步提高到能检验企业生产是否符合安全标准、事故的应急预案是否可靠等方面,这样该仿真系统将产生更大的经济和社会效益。
作者简介:朱 红(1974-),女,辽宁大连人,讲师,2002年毕业于昆明理工大学,现就职于中国矿业大学(北京校区)机电学院计算机系,研究方向为计算机仿真、人工智能、决策支持系统,发表论文10余篇。
