劉忠昌

（北京天地龍躍科技有限公司，北京 100013）

“安全”是煤礦生產(chǎn)永恒的主題。大量事故的調(diào)查分析結(jié)果表明，人的不安全行為和管理上的欠缺是引發(fā)煤礦事故的主要原因。為了有效預(yù)防和扼制煤礦安全事故，必須做好安全培訓(xùn)，加強(qiáng)職工的安全意識(shí)教育，提高安全操作技能。目前，針對(duì)新員工安全培訓(xùn)的形式主要有文字教材、視頻教材等傳統(tǒng)的培訓(xùn)，員工培訓(xùn)效果差，在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)安全問題的概率仍較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種交互式開發(fā)平臺(tái)涌現(xiàn)，Unity3D開發(fā)引擎能夠針對(duì)特定業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬，使培訓(xùn)更加直觀、形象、逼真，能夠讓員工對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)生更加深刻的認(rèn)知，減少員工在實(shí)際生產(chǎn)中所犯的錯(cuò)，降低安全生產(chǎn)事故的發(fā)生率，從而降低安全生產(chǎn)成本，提高培訓(xùn)和管理的效率。

1 前期調(diào)研

煤礦實(shí)地調(diào)研，搜集資料。綜采工作面設(shè)備主要包括液壓支架、超前支架，采煤機(jī)、刮板機(jī)、膠帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等。通過三維建模技術(shù)構(gòu)建真實(shí)的井下工作面場(chǎng)景，利用精細(xì)模型展現(xiàn)設(shè)備的主要部件和構(gòu)造，通過交互操作認(rèn)知設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)，以達(dá)到培訓(xùn)的目的。

系統(tǒng)主要目標(biāo)包括3個(gè)方面，分別為崗位職責(zé)培訓(xùn)、綜采工作面設(shè)備認(rèn)知培訓(xùn)、綜采工作面主要設(shè)備安裝部署認(rèn)知培訓(xùn)。

系統(tǒng)特點(diǎn)如下：①教學(xué)內(nèi)容規(guī)范，結(jié)合配音、模型和動(dòng)畫等進(jìn)行細(xì)致的分析講解；②采用三維仿真技術(shù)模擬井下真實(shí)的工作環(huán)境，逼真地再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景；③采用三維仿真技術(shù)模擬操作工藝流程，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)操作流程，結(jié)合配音、動(dòng)畫等，更加形象、逼真。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心理念是利用Unity3D三維仿真引擎系統(tǒng)針對(duì)煤礦生產(chǎn)的核心業(yè)務(wù)、安全教育等需求而進(jìn)行有針對(duì)性的系統(tǒng)開發(fā)，在對(duì)煤礦采掘工作面要進(jìn)行操作、維護(hù)的設(shè)備進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)需要編寫底層框架及功能腳本，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備操作過程的三維仿真模擬。

2.1 建模

采用3DMax或者M(jìn)aya建模工具對(duì)煤礦工作面及設(shè)備進(jìn)行建模，對(duì)模型渲染并貼圖，導(dǎo)出.FBX格式的模型備用。圖1所示為液壓支架模型。

圖1 液壓支架模型

2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.2.1 底層框架設(shè)計(jì)

采用Unity3D 5.1.2f版本引擎，集合了以下多種設(shè)計(jì)模式：①單例模式，保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)；②觀察者模式，它將在對(duì)象與對(duì)象之間創(chuàng)建一種依賴關(guān)系，當(dāng)其中一個(gè)對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，會(huì)將這個(gè)變化通知給與其創(chuàng)建關(guān)系的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的通知更新；③迭代器模式，它能夠獲取到序列中的所有元素而不用關(guān)心其類型是什么序列結(jié)構(gòu)，可以非常高效地構(gòu)建數(shù)據(jù)處理通道（data pipeline），數(shù)據(jù)能夠進(jìn)入處理通道進(jìn)行一系列的變換或者過濾，然后得到結(jié)果。

2.2.2 流程節(jié)點(diǎn)控制

流程節(jié)點(diǎn)控制利用PlayMaker插件控制。PlayMaker既是一個(gè)可視化腳本工具，又是一個(gè)分層邏輯框架。PlayMaker有很多動(dòng)作行為只需要通過簡(jiǎn)單狀態(tài)機(jī)FSM（Finite state machine）就能實(shí)現(xiàn)，可以更加方便、簡(jiǎn)潔地管理每個(gè)狀態(tài)機(jī)，還可以設(shè)置斷點(diǎn)和單步執(zhí)行狀態(tài)。圖2所示為流程節(jié)點(diǎn)控制圖。

圖2 流程節(jié)點(diǎn)控制圖

2.2.3 動(dòng)作節(jié)點(diǎn)控制

動(dòng)作節(jié)點(diǎn)控制采用XML配置文件。XML文檔是輕量級(jí)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存文件，其內(nèi)容與結(jié)構(gòu)完全分離?；谶@樣的特點(diǎn)，企業(yè)系統(tǒng)可以輕松地實(shí)現(xiàn)內(nèi)容管理和流程管理的徹底分離。另外，XML文檔互操作性強(qiáng)，可以在不同的操作系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)通信。通過腳本來調(diào)用XML文件，按照流程順序依次調(diào)用鏡頭的移動(dòng)、模型高亮、模型動(dòng)畫播放、模型隱藏與現(xiàn)實(shí)、配音播放等各功能節(jié)點(diǎn)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作效果。XML配置文件需要按照已經(jīng)封裝好的功能節(jié)點(diǎn)函數(shù)規(guī)則編寫，支持五級(jí)節(jié)點(diǎn)。圖3所示為XML配置文件編寫規(guī)則示例。

圖3 XML配置文件編寫規(guī)則示例

2.2.4 模型動(dòng)畫設(shè)計(jì)

Unity5.1.2f版本提供了新的Mecanim動(dòng)畫系統(tǒng)，使用Animator來取代舊系統(tǒng)Animation，我們可以利用它編輯物理動(dòng)畫。編輯動(dòng)畫的對(duì)象不會(huì)與其他對(duì)象產(chǎn)生任何交互。動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)位置、旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色漸變等各種動(dòng)畫效果，動(dòng)畫過度平緩，效果較好。動(dòng)畫控制采用Animator Controller和控制腳本相結(jié)合的方式，使動(dòng)畫播放控制更加穩(wěn)定，過渡效果更好。圖4為Animator動(dòng)畫編輯器面板。

圖4 Animator動(dòng)畫編輯器面板

2.2.5 配音

根據(jù)煤礦崗位職責(zé)及設(shè)備操作手冊(cè)，撰寫簡(jiǎn)潔且表達(dá)清晰的配音文字，選擇專業(yè)配音人員或者相關(guān)配音軟件錄制音頻文件。

3 三維仿真效果

根據(jù)前期調(diào)研資料，綜采工作面安裝設(shè)備主要有液壓支架、超前支架，采煤機(jī)、刮板機(jī)、膠帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等，結(jié)合煤礦崗位操作規(guī)程等資料，確定綜采工作面設(shè)備安裝順序?yàn)榘惭b前后刮板、安裝液壓支架、安裝后驅(qū)動(dòng)裝置、安裝采煤機(jī)、安裝前驅(qū)動(dòng)裝置等。

將做好的.FBX格式的模型和音頻文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity場(chǎng)景中，對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的設(shè)備各部位動(dòng)作制作動(dòng)畫，根據(jù)設(shè)備安裝順序結(jié)合鏡頭移動(dòng)、動(dòng)畫等效果編寫XML配置文件，添加控制腳本，導(dǎo)入配音文件，運(yùn)行并反復(fù)調(diào)試。綜采工作面設(shè)備安裝部署前、后效果分別如圖5和圖6所示。

通過三維建模將綜采工作面及相關(guān)設(shè)備的模糊認(rèn)識(shí)具體化、形象化，使其看起來更加直觀明了；流程和動(dòng)作控制使綜采工作面安裝部署流程由簡(jiǎn)單的文字說明變成了視覺與文字認(rèn)知的結(jié)合，簡(jiǎn)單、形象、直觀；模型動(dòng)畫設(shè)計(jì)使抽象的設(shè)備操作直觀化，通俗易懂；簡(jiǎn)潔明了的配音使整個(gè)安裝部署流程更加清晰，能夠使員工更容易理解整個(gè)安裝部署過程，印象更加深刻，培訓(xùn)效果得到很大的提高。

圖5 綜采工作面安裝部署前

圖6 綜采工作面安裝部署后

4 結(jié)論

事實(shí)證明，人類對(duì)于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。三維仿真技術(shù)使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)“虛”和“實(shí)”之間的關(guān)系。仿真培訓(xùn)是指模仿真實(shí)的工作條件建設(shè)專門的培訓(xùn)試驗(yàn)室或人工環(huán)境，使用與工作場(chǎng)地相同的設(shè)備與技術(shù)，嚴(yán)格按照真實(shí)的情境來學(xué)習(xí)和訓(xùn)練如何處理工作中的實(shí)際問題。再者，這種方法使培訓(xùn)效果與實(shí)際需要相吻合，且避免了對(duì)現(xiàn)實(shí)作業(yè)的干擾，在一些特殊的領(lǐng)域還有助于節(jié)省費(fèi)用，減少危險(xiǎn)。比如宇航員、深海潛水員、各種運(yùn)輸工具的駕駛員等，仿真培訓(xùn)正在越來越多地被運(yùn)用于工作中。通過仿真培訓(xùn)，可以縮短工人的技術(shù)培訓(xùn)時(shí)間，提高在崗職工技術(shù)素質(zhì)和處理事故的應(yīng)變能力，降低安全生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)，從而提高管理水平和管理效率。

［1］任國(guó)棟，陳林華，陶學(xué)鋒，等.基于Unity3D的虛擬博物館信息可視化系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013（09）.

［2］姜英.煉油化工企業(yè)裝置仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代企業(yè)教育，2012（08）.

［3］王星捷，李春花.基于Unity3D平臺(tái)的三維虛擬城市研究與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（04）.

［4］李海川.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維輸氣管道仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.中國(guó)管理信息化，2012（16）.