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1應用實例

1．1方案設計

運用3d虛擬仿真技術來對某礦工傷事故現(xiàn)場以及虛擬礦工等進行三維建模，對工傷事故進行分析，使該事故案例還原出逼真的事故場景，提高了仿真效果。方案設計思路如圖1。方案設計思路過程:首先是案例資料搜集與整理，理清事故發(fā)生的地點、事故經(jīng)過等;其次是預想攝像機鏡頭的擺放，包括場景的轉換等，以便出現(xiàn)好的鏡頭效果;在電腦中進行仿真模型構建，包括人物、設備及環(huán)境等進行建模;進行靜態(tài)、動態(tài)仿真環(huán)境設計，重點是照明、及光能傳遞設計;隨后進行場景優(yōu)化、渲染，碰撞檢測后修改等三維動畫開發(fā);最終進行效果展示。

1．2事故案例整理

1)事故經(jīng)過。某礦運輸工區(qū)班長帶領3名工人，從采區(qū)甩道向208外橫管運送4輛裝溜槽的平板車。約17:00，當車輛運至回風巷2道風門外車場時，某礦工將4輛車1次掛上(按規(guī)定1次應掛2輛)，4輛車的總長度大于2道風門之間的距離。某礦工和另1人將第1道風門打開后，前3輛車進入風門之間，某礦工和工友又去推第2道風門，推風門過程中，車輛向下移動，某礦工躲閃不及被擠傷。2)事故主要原因。風門之間軌道存在向下的坡度，車輛下滑;礦工違章作業(yè)，違反措施規(guī)定1次掛4輛車;現(xiàn)場運輸環(huán)境復雜，電絞鋼絲繩過風門;違章同時推開第2道風門。

1．3仿真模型的構建

1)虛擬人物建模。對人體的運動結構的分析，基于人體骨架模型，并結合構造實體幾何法(CSG)創(chuàng)建整個人體幾何模型。最后采用蒙皮技術把人體骨骼和外形皮膚鏈接起來。2)設備建模。井下設備建模采用多邊形建模，用圖像處理軟件作出材質貼圖，貼在模型的外表面。對于復雜的模型，先做裝置的精模，然后在精模的基礎上再派生出一個簡模;3)巷道建模。巷道模型根據(jù)巷道圖、巷道照片數(shù)字化建模，以便表現(xiàn)礦井巷道的整個概貌。4)環(huán)境建模。環(huán)境建模需要根據(jù)實際地物之間的拓撲關系來完成，其中，巷道模型的精度等問題的解決可以大幅度提高數(shù)字化的效果，給人身臨其境之感。

1．4靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境仿真

靜態(tài)環(huán)境仿真，根據(jù)巷道參數(shù)和風門、礦車等設備外觀尺寸來構造事故現(xiàn)場;動態(tài)環(huán)境仿真，對礦車運行、人員行走等效果采用先進的物理模塊及反應堆動力學技術，更自然真實的反應模擬事故案例過程，本系統(tǒng)用Bullfrog環(huán)境特效編輯器進行編輯。照明技術是3D三維虛擬仿真技術的重中之重，采用全局光照明技術，提高光斑特效的表現(xiàn)范圍;采用體積光技術，表現(xiàn)諸如機械裝置的照明設備、井下工人頭燈對周圍環(huán)境的影響等，運用了光線追蹤(LightTracer)和光能傳遞(Radiosity)技術。

1．5三維仿真動畫的開發(fā)制作

在建模和仿真的基礎上，進行展示策劃，運用仿真軟件開發(fā)平臺，對事故案例進行開發(fā)和集成，制做完成事故案例的還原再現(xiàn)動畫軟件。

1．6技術關鍵

1)場景優(yōu)化技術。通過動態(tài)加載、場景分割與拼接、遮擋剔除場景優(yōu)化等技術可以一定程度上解決硬件資源和高質量場景要求矛盾的問題。2)模型分割技術。使用模型分割技術，觀察者離物體近時，使用第1級最多細節(jié)的物體模型，當觀察者離物體較遠時，渲染出第2級LOD圖形，并由此類推，渲染出不同細節(jié)的LOD圖形。3)碰撞檢測技術。為了使虛擬場景更逼真，避免產(chǎn)生運動物體相互發(fā)生穿透現(xiàn)象，采用碰撞檢測技術，進行碰撞效果反應，并進行調(diào)整和修改。

1．7還原效果展示

經(jīng)過精心的研究制作，該事故三維動畫視頻播放時間為3min56s，逼真地再現(xiàn)了事故的全部過程，畫面清晰，給人一種身臨其境的感覺，圖2，圖3為視頻部分截圖。

2效果分析

從事故仿真應用效果來看，3D虛擬仿真技術以比較逼真、形象、容易理解的方式描述和顯現(xiàn)事故場景和過程，讓觀者有身臨其境之感，清楚的看到了事故發(fā)生整個過程。事故直接原因、事故產(chǎn)生的隱患等，也能形象的展現(xiàn)在觀者眼前。工作人員能夠通過現(xiàn)場情景再現(xiàn)，清楚的進行施工安全評價、安全價值分析，從而確定施工過程中可能出現(xiàn)的危險行為和預防措施，進行針對性超前預控管理。受安全教育的人員直觀地了解事故經(jīng)過，對人的不安全行為、不良安全習慣導致事故的原因深有體會。同時，這種方式增強了安全教育的趣味性，提高了職工參與安全教育的積極性，真實的提高了職工的安全教育效果。3D虛擬仿真技術，匯集可視化技術、采礦工程虛擬現(xiàn)實技術、安全科學與技術等，建立煤礦的安全生產(chǎn)虛擬環(huán)境，將不可見的一些不安全行為操作及其造成后果展現(xiàn)出來，即以虛擬現(xiàn)實形式形象、直觀地表現(xiàn)出來，在安全管理工作方面發(fā)揮獨特的作用。

3結語

3D虛擬仿真技術在煤礦安全管理中的應用有很重大的意義，其自身特點體現(xiàn)出來的真實性、靈活性，對企業(yè)安全管理、安全價值分析、安全制度完善、事故追查及安全培訓的效果等，發(fā)揮著積極的促進作用，對企業(yè)安全管理目標的實現(xiàn)是非常有益的。

作者：趙榮闊劉思佳王直亞單位：徐州礦務集團有限公司安全監(jiān)察部