基于NeoAxis引擎的三维虚拟矿井仿真系统平台_洪玉玲.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 基于 NeoAxis 引擎的三维虚拟矿井 仿真系统平台 洪玉玲 1， 2， 3， 王洋洋1， 2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁， 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3.矿用设备事故仿真与模拟验证实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 设计并实现了一个基于 NeoAixs 引擎的三维虚拟矿井仿真系统平台， 重点研究了平台的 架构、 功能结构及工作流程； 平台具备资源编辑管理、 三维模拟场景设计、 矿井仿真系统设计、 矿 井安全培训系统设计等功能。实际应用表明 平台可以快速构建煤矿三维仿真矿井， 并可以在仿 真环境中嵌入事故模拟、 培训、 考评等功能， 可用于三维数字化矿山， 模拟培训、 事故仿真、 救援 演练等领域。 关键词 NeoAixs； 三维引擎； 三维模型； 虚拟矿井； 三维仿真矿井 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0100-04 3D Virtual Mine Simulation System Plat Based on NeoAxis Engine HONG Yuling1,2,3, WANG Yangyang1,2 （1.China Coal Technology 2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Mine Equipment Accident Simulation and Verification Laboratory, Fushun 113122, China） Abstract A 3D virtual mine simulation system plat based on NeoAixs engine is designed and implemented, which focused on the architecture, functional structure and workflow of the plat. The plat has the functions of resource editing management, 3D simulation scene design, mine simulation system design, mine safety training system design, etc. Practical application shows that the plat can quickly construct three-dimensional simulation mine of coal mine, and embeds the functions of accident simulation, training and uation in simulation environment. It can be used in three -dimensional digital mine, simulation training, accident simulation, rescue drill and other fields. Key words NeoAixs; 3D engine; 3D model; virtual mine; 3D simulation mine 随着矿山数字化、 智慧化的发展， 虚拟现实技术 在煤矿领域的应用越来越广泛。从矿山三维建模与 可视化[1]、 生产作业系统仿真[2]、 矿山数据的三维空 间分析[3]、 矿山的规划评估及安全监控到矿山事故 模拟仿真[4]、 模拟仿真培训[5]、 应急救援演练[6]， 虚拟 现实技术都起到了不可替代的作用。然而，这些传 统的应用开发存在 2 个明显的缺点①三维建模与 具体应用完全捆绑在一起，使得模型只能用于具体 的应用中[7]， 较少考虑模型的重用性和通用性， 导致 重复开发和资源浪费；②这些应用都是基于现有的 三维引擎进行二次开发后发布的运行包，用户如果 需要修改完善必须由原开发团队进行，系统不具备 扩展性、 不可编辑、 不易管理。针对上述问题， 在我 国煤矿虚拟现实领域应用需求的基础上，提出了基 于 NeoAxis 三维引擎开发一个面向煤矿的三维虚拟 矿井仿真系统平台。平台具有全矿井三维模型资源 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.021 洪玉玲， 王洋洋.基于 NeoAxis 引擎的三维虚拟矿井仿真系统平台 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 100-103. HONG Yuling, WANG Yangyang. 3D Virtual Mine Simulation System Plat Based on NeoAxis Engine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 100-103. 基金项目 国家级安全生产监管监察技术支撑能力建设资助项目 （发改投资 〔2014〕 744- 013） 移动扫码阅读 100 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 库， 实现了资源编辑管理、 模拟场景编辑、 矿井仿真 系统设计、矿井安全培训系统设计等功能，达到了 快速高效地构建煤矿虚拟矿井系统的目标。同时具 备生产及监测监控数据接口，二次开发接口，通过 简单的操作可以快速实现矿井三维自动化监控、 设 备及生产安全培训、事故模拟仿真、应急救援演练 等具体的煤矿三维应用。 1NeoAxis 三维引擎 NeoAxis 基于.net 框架， 支持 mono 编译[8]。可以 使用 c语言进行开发，开发工具可以用 Microsoft Visual Studio 直接基于.net 框架编译运行或调试。 集 成了物理引擎、 GUI 系统、 3D 音效， 出色的图形和粒 子效果， 集成了网络开发多人游戏支持， 支持 Zip 压 缩，使用它可以做任何类型的游戏，或任何一种产 品。NeoAxis 主要包括资源编辑器和地图编辑器， 在 资源编辑器中还包含强大的物理引擎编辑器、模型 编辑器、 材质编辑器、 粒子编辑器、 GUI 编辑器和实 体类型编辑，在地图编辑器中包含了逻辑编辑， 可 以使用脚本对整个地图进行逻辑控制[9]。该引擎包 括包含了所有现代图形、物理和游戏项目的音频功 能。NeoAxis 引擎是一个完整的创建， 包括 3D 虚拟 世界， AAA 级游戏，和现实的交互式三维图形仿真 集成开发环境。同时具备实时 3D 引擎和一个全功 能的工具套件组成的系统，其非商业许可证用于非 商业应用和学习 NeoAxis 引擎[10]。 2三维虚拟矿井仿真系统平台 平台使用 NeoAxis 三维引擎作为开发引擎， C 作为编程语言，在购买的源码基础上进行二次开发 完成， 具有 NeoAxis 三维引擎的开发授权。 2.1平台架构 平台采用分层架构设计， 分为数据层、 实体层、 应用层、展示层。数据层的功能是生产原始数据资 源， 如三维模型、 图片、 视频、 文本、 监控数据等， 使 用的工具为 3dmax、 photoshop、监控数据的数据源 等；实体层的功能是将数据层的资源进行装配， 如 使用模型和动画组装成采煤机，使用的工具是虚拟 矿井仿真系统资源编辑器， 组装出设备、 人员、 火、 水等组件，这些组件存入资源库内；应用层的功能 是使用资源库内的组件，配置出仿真场景和培训场 景， 完成采、 掘、 机、 运、 通、 排水、 人员定位、 安全监 控，通风结算等系统的搭建，和安全培训场景的搭 建，设备培训教程的制作；展示层使用交互式三维 矿井系统管理采掘机运通排水、 人员定位、 安全生产 的仿真和监控，使用三维矿井安全培训演练系统进 行安全培训演练、设备培训教学，使用 web 网站进 行人员管理和人员演练成绩分析。 2.2功能结构 平台主要包括资源编辑器、 场景编辑器、 交互式 三维矿井系统、 三维矿井安全培训系统、 后台管理系 统。各子系统主要功能如下 1） 虚拟矿井仿真系统资源编辑器。虚拟矿井仿 真系统资源编辑器基于 NeoAxis 引擎的资源编辑器 开发， 用来编辑、 管理项目里的各种资源， 包括三维 模型， 材质， 纹理图， 物理模型， 界面， 系统元件， 是 一个工具， 负责利用 3D 模型、 图片、 声音、 视频等多 媒体素材，编辑生成代表采煤机、掘进机等各类设 备的矿山对象资源。在 NeoAxis 引擎的资源编辑器 基础上， 增加了资源管理管理功能， 可增、 删、 改、 查 各类基础资源，并管理组织存储各类基础资源的资 源库，支持多种主流三维模型格式，用户可自定义 扩充资源库。 2） 虚拟矿井仿真系统场景编辑器。虚拟矿井仿 真系统场景编辑器基于 NeoAxis 引擎的开发。地图 编辑器是创造虚拟世界的工具，该工具是一个复杂 的编辑器， 用于管理地图上的对象， 支持编辑者调用 资源库中的各类资源，对三维场景进行布置。在地 图编辑器基础上， 进行了二次开发， 用以配置交互式 三维矿井系统和三维矿井安全培训系统场景。实现 了三维场景编辑、 三维巷道编辑、 培训脚本编辑、 事 故教程编辑、 设备教程编辑、 自动漫游路径编辑、 三 维可视化编辑、 监测监控信息配置、 标注信息编辑、 工程发布等功能。 3） 三维矿井安全培训系统。三维矿井安全培训 系统是基于资源编辑器的三维模型资源库，应用场 景编辑器创建的用于矿井安全培训的三维应用。主 要功能如下 ①具备矿山实景模拟、 事故仿真、 应急 处置、 联动指挥、 多人协同应急救援培训演练功能; ②提供多种事故类型 （火灾、 冒顶、 水灾、 煤尘、 瓦斯 泄漏等） 的救援演练功能;③参加培训人员分别扮演 不同的救援角色， 以多人在线， 分工合作、 多人协同 的方式来参加模拟培训演练，角色间可通过文字或 语音进行交流、通过操作不同的技能，协同完成任 务;④通过内置评估系统， 自动生成评估报告， 用户 可及时的发现自身不足; ⑤将传统文档与三维场景 进行结合，可对设备的维护和操作进行学习，在三 维空间中与设备进行交互; ⑥具备鹰眼地图，倒计 101 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 时、 任务提示等辅助演练功能;⑦可通过第一人称和 第三人称控制虚拟角色、支持游客模式，自由浏览 演练的全局状况。 4） 交互式三维矿井系统。交互式三维矿井仿真 系统是基于资源编辑器的三维模型资源库，应用场 景管理系统搭建的具体矿井的三维仿真应用，通过 融合矿山各系统的数据，实现矿山的三维数字化、 可视化和自动化。主要功能为①构建煤矿井上下 三维仿真环境，支持以漫游、鹰眼地图和快捷视点 快速定位等方式查看矿井地形地貌，及井巷工程、 采区、设备等空间分布情况；②设计与瓦斯监测系 统、 综合自动化系统、 人员定位系统、 视频监控系统 等的通讯接口，实现在三维仿真环境中融合各系统 的数据； ③实现各系统数据的实时监控、 自动报警、 热力图展示、历史数据查询分析，人员定位和人员 轨迹回放， 通风系统解算、 避灾线路展示等功能。 5） 后台管理系统。以网页形式对人员信息进行 管理和维护，对学员成绩进行查询统计，一方面有 效缩短了后台管理系统的开发周期，一方面更有利 于用户自身的低成本操作，实现系统的长期有效使 用。后台管理系统的数据存入数据库，供交互式三 维矿井系统以及三维矿井安全培训系统调用。 2.3系统工作流程 1） 资源编辑器工作流程。二次开发人员使用资 源编辑器将模型动画脚本特效等资源，组装成对象 组件，如采煤机这样的设备或采煤工这样的人员， 和其他如文本图片视频、图标文本做的信息面板等 存入资源库中， 资源编辑器工作流程图如图 1。 2） 三维矿井安全培训系统创建及工作流程。应 用场景编辑齐创建和编辑巷道，布置人员和设备到 场景中， 设计和编辑事故逻辑， 将视频、 三维设备模 型、展示图片、文本等资源组织成设备学习和事故 案例的教程，将组建好的培训场景和教程发布成可 以被培训演练系统调用的资源包式的关卡。学生登 录培训演练系统， 读取关卡， 控制虚拟角色在训练场 景中完成任务，根据教程学习设备的原理和维护的 教程， 演练的成绩上传到后台管理系统中进行分析。 三维矿井安全培训系统创建及工作流程如图 2。 3） 交互式三维矿井系统创建及工作流程。应用 场景编辑器进行三维场景的布置和数据库的配置， 包括巷道的创建、地质体的创建、设备人员的布置 等，综合自动化数据、生产掘进数据、人员定位数 据、 井下环境监测数据的接入， 最终发布成独立的应 用包， 应用包可以进行人员定位仿真系统、 通风仿真 系统等的监控，终端用户可以通过界面监控来监控 这些系统。交互式三维矿井系统创建及工作流程如 图 3。 4） 后台管理系统工作流程。管理员登录到后台 图 1资源编辑器工作流程图 Fig.1Resource editor workflow 图 2三维矿井安全培训系统创建及工作流程 Fig.2Creation and workflow of 3D mine safety training system 102 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 4后台管理系统工作流程图 Fig.4Workflow of background management system 图 3交互式三维矿井系统创建及工作流程 Fig.3Interactive 3D mine system creation and workflow 管理系统可以查询人员信息、 权限信息、 成绩信息， 也可以添加人员信息和权限信息。学生登录到后台 管理系统可以查询成绩信息。后台管理系统操作流 程如图 4。 3结语 设计并实现了一个基于 NeoAixs 引擎的三维虚 拟矿井仿真系统平台，重点研究了平台的架构、 功 能结构及工作流程。平台应用虚拟现实技术研发了 全矿井 （采、 掘、 机、 运、 通等） 三维模型资源库， 具备 资源编辑管理、 三维模拟场景设计、 矿井仿真系统设 计、 矿井安全培训系统设计等功能。应用结果表明 平台可以快速构建煤矿三维仿真矿井，并可以在仿 真环境中嵌入事故模拟、 培训、 考评等功能， 可用于 三维数字化矿山， 模拟培训、 事故仿真、 救援演练等 领域， 提供了一套专业、 系统、 分布式、 交互式的三 维解决方案， 是一套可用于煤矿三维应用开发的三 维引擎。 参考文献 ［1］ 王立梅.三维可视化建模技术在矿山设计中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （11） 121-124. ［2］ 董朝贤.计算机仿真系统在煤矿开采中的应用 ［J］ .现 代信息科技， 2018 （6） 109-110. ［3］ 赵节霞， 邹毅.三维可视化技术在数字矿山中的应用 研究 ［J］ .矿山测量， 2015 （2） 3-5. ［4］ 张郑平.多功能灾区仿真模拟与演练评价系统的设计 ［J］ .河南科技， 2014 （16） 131-132. ［5］ 张立新.模拟仿真技术在采掘安全培训中的应用分析 ［J］ .山东工业技术， 2017 （6） 203. ［6］ 刘永立， 杨虎.煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统 研究 ［J］ .矿业安全与环保， 2013， 40 （6） 22-25. ［7］ 陈金川， 毛善君， 李小娟， 等.虚拟煤矿三维引擎架构 设计及实现 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （7） 76-80. ［8］ 陈楠江. 基于 NeoAxis 虚拟游戏引擎制作三维场景漫 游的应用研究 ［J］ .科学与财富， 2015 （36） 5-9. ［9］百度百科.Neoaxis ［EB/OL］ . ［2019-08-20］ . https// ［10］Ogre3D based “NeoAxis”game engine now free by spacegaier | Dec 11, 2014 | News［EB/OL］ . ［2019- 08-20］ . https//www.ogre3d.org/tag/neoaxis. 作者简介 洪玉玲 （1980） ， 女， 辽宁抚顺人， 副研究 员， 硕士， 2014 年毕业于煤炭科学研究总院， 主要从事煤矿 安全监控系统、矿用设备及煤矿事故软件开发和模拟仿真 研究工作。 （收稿日期 2019-09-20； 责任编辑李力欣） 103 ChaoXing