基于Unity3D引擎实现综采工作面设备安装部署三维仿真模拟

刘忠昌

（北京天地龙跃科技有限公司，北京 100013）

“安全”是煤矿生产永恒的主题。大量事故的调查分析结果表明，人的不安全行为和管理上的欠缺是引发煤矿事故的主要原因。为了有效预防和扼制煤矿安全事故，必须做好安全培训，加强职工的安全意识教育，提高安全操作技能。目前，针对新员工安全培训的形式主要有文字教材、视频教材等传统的培训，员工培训效果差，在实际生产中出现安全问题的概率仍较高。随着计算机技术的快速发展，各种交互式开发平台涌现，Unity3D开发引擎能够针对特定业务实现三维仿真模拟，使培训更加直观、形象、逼真，能够让员工对业务产生更加深刻的认知，减少员工在实际生产中所犯的错，降低安全生产事故的发生率，从而降低安全生产成本，提高培训和管理的效率。

1 前期调研

煤矿实地调研，搜集资料。综采工作面设备主要包括液压支架、超前支架，采煤机、刮板机、胶带机、转载机、破碎机等。通过三维建模技术构建真实的井下工作面场景，利用精细模型展现设备的主要部件和构造，通过交互操作认知设备的主要结构，以达到培训的目的。

系统主要目标包括3个方面，分别为岗位职责培训、综采工作面设备认知培训、综采工作面主要设备安装部署认知培训。

系统特点如下：①教学内容规范，结合配音、模型和动画等进行细致的分析讲解；②采用三维仿真技术模拟井下真实的工作环境，逼真地再现现场场景；③采用三维仿真技术模拟操作工艺流程，动态展现操作流程，结合配音、动画等，更加形象、逼真。

2 系统功能实现

软件系统设计的核心理念是利用Unity3D三维仿真引擎系统针对煤矿生产的核心业务、安全教育等需求而进行有针对性的系统开发，在对煤矿采掘工作面要进行操作、维护的设备进行三维建模的基础上，根据业务需要编写底层框架及功能脚本，实现对关键设备操作过程的三维仿真模拟。

2.1 建模

采用3DMax或者Maya建模工具对煤矿工作面及设备进行建模，对模型渲染并贴图，导出.FBX格式的模型备用。图1所示为液压支架模型。

图1 液压支架模型

2.2 系统框架设计

2.2.1 底层框架设计

采用Unity3D 5.1.2f版本引擎，集合了以下多种设计模式：①单例模式，保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点；②观察者模式，它将在对象与对象之间创建一种依赖关系，当其中一个对象发生变化时，会将这个变化通知给与其创建关系的对象，实现自动化的通知更新；③迭代器模式，它能够获取到序列中的所有元素而不用关心其类型是什么序列结构，可以非常高效地构建数据处理通道（data pipeline），数据能够进入处理通道进行一系列的变换或者过滤，然后得到结果。

2.2.2 流程节点控制

流程节点控制利用PlayMaker插件控制。PlayMaker既是一个可视化脚本工具，又是一个分层逻辑框架。PlayMaker有很多动作行为只需要通过简单状态机FSM（Finite state machine）就能实现，可以更加方便、简洁地管理每个状态机，还可以设置断点和单步执行状态。图2所示为流程节点控制图。

图2 流程节点控制图

2.2.3 动作节点控制

动作节点控制采用XML配置文件。XML文档是轻量级的数据储存文件，其内容与结构完全分离。基于这样的特点，企业系统可以轻松地实现内容管理和流程管理的彻底分离。另外，XML文档互操作性强，可以在不同的操作系统之间实现通信。通过脚本来调用XML文件，按照流程顺序依次调用镜头的移动、模型高亮、模型动画播放、模型隐藏与现实、配音播放等各功能节点函数，实现各种动作效果。XML配置文件需要按照已经封装好的功能节点函数规则编写，支持五级节点。图3所示为XML配置文件编写规则示例。

图3 XML配置文件编写规则示例

2.2.4 模型动画设计

Unity5.1.2f版本提供了新的Mecanim动画系统，使用Animator来取代旧系统Animation，我们可以利用它编辑物理动画。编辑动画的对象不会与其他对象产生任何交互。动画可以实现位置、旋转、缩放、颜色渐变等各种动画效果，动画过度平缓，效果较好。动画控制采用Animator Controller和控制脚本相结合的方式，使动画播放控制更加稳定，过渡效果更好。图4为Animator动画编辑器面板。

图4 Animator动画编辑器面板

2.2.5 配音

根据煤矿岗位职责及设备操作手册，撰写简洁且表达清晰的配音文字，选择专业配音人员或者相关配音软件录制音频文件。

3 三维仿真效果

根据前期调研资料，综采工作面安装设备主要有液压支架、超前支架，采煤机、刮板机、胶带机、转载机、破碎机等，结合煤矿岗位操作规程等资料，确定综采工作面设备安装顺序为安装前后刮板、安装液压支架、安装后驱动装置、安装采煤机、安装前驱动装置等。

将做好的.FBX格式的模型和音频文件导入Unity场景中，对需要实现的设备各部位动作制作动画，根据设备安装顺序结合镜头移动、动画等效果编写XML配置文件，添加控制脚本，导入配音文件，运行并反复调试。综采工作面设备安装部署前、后效果分别如图5和图6所示。

通过三维建模将综采工作面及相关设备的模糊认识具体化、形象化，使其看起来更加直观明了；流程和动作控制使综采工作面安装部署流程由简单的文字说明变成了视觉与文字认知的结合，简单、形象、直观；模型动画设计使抽象的设备操作直观化，通俗易懂；简洁明了的配音使整个安装部署流程更加清晰，能够使员工更容易理解整个安装部署过程，印象更加深刻，培训效果得到很大的提高。

图5 综采工作面安装部署前

图6 综采工作面安装部署后

4 结论

事实证明，人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远远强于对数字和文字等抽象信息的理解能力。三维仿真技术使人们进一步认识“虚”和“实”之间的关系。仿真培训是指模仿真实的工作条件建设专门的培训试验室或人工环境，使用与工作场地相同的设备与技术，严格按照真实的情境来学习和训练如何处理工作中的实际问题。再者，这种方法使培训效果与实际需要相吻合，且避免了对现实作业的干扰，在一些特殊的领域还有助于节省费用，减少危险。比如宇航员、深海潜水员、各种运输工具的驾驶员等，仿真培训正在越来越多地被运用于工作中。通过仿真培训，可以缩短工人的技术培训时间，提高在岗职工技术素质和处理事故的应变能力，降低安全生产事故风险，从而提高管理水平和管理效率。

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