一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于虛擬仿真領域，具體涉及用于一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術在近幾年得到了前所未有的重視和應用。在未來，“現(xiàn)實制造”和“虛擬呈現(xiàn)”將完美融合，通過遍布全廠的海量傳感器采集現(xiàn)實生產制造過程中的所有實時數(shù)據(jù)，實時、快速地反映生產中的任何細節(jié)?；谶@些生產數(shù)據(jù)，在計算機虛擬環(huán)境中應用數(shù)字化模型、大數(shù)據(jù)分析、3D虛擬仿真等方法，可對整個生產過程進行仿真、評估和優(yōu)化，實現(xiàn)虛擬世界中的生產仿真與現(xiàn)實世界中的生產無縫融合。因此，“虛擬與現(xiàn)實世界的完美融合”已經成為工業(yè)4.0發(fā)展的三大趨勢之一。
[0003]將工業(yè)設備虛擬仿真、虛擬操控等技術應用在專業(yè)人員培訓方面，是近年來發(fā)展迅速的研究方向。對工作環(huán)境惡劣、設備昂貴、生產工藝復雜或者操作流程嚴格的應用領域，傳統(tǒng)的培訓方式顯然不適合高危作業(yè)的培訓需求，且培訓成本巨大。而虛擬操控方法已經被證明是實現(xiàn)模擬培訓，提升培訓質量的重要手段。
[0004]近幾年，國內煤礦井下推廣使用的自動化綜采工作面技術，貫徹“無人則安，人少則安”的安全生產理念，加快了煤礦機械裝備自動化、智能化步伐，也形成了一些綜采工作面示范應用工程。但目前大多數(shù)煤礦普遍采用安裝攝像頭的方式進行遠程監(jiān)控，由于采煤機的工作環(huán)境復雜、惡劣，往往造成攝像頭采集圖像不清晰，給遠程控制帶來很大難度；或利用采煤機控制器監(jiān)視采煤機運行時的電流、電壓、速度、溫度、搖臂角度等參數(shù)，直接將參數(shù)顯示或進行圖形建模顯示，由采煤機工作人員進行操作并實時監(jiān)測采煤機工作狀態(tài)?？傊?，由于遠程控制中操作人員需要觀測參數(shù)多，依靠視頻、設備狀態(tài)參數(shù)等實施人工干預決策難度大，使得現(xiàn)有遠程控制系統(tǒng)存在一定的安全隱患。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述傳統(tǒng)的綜采工作面培訓問題，提供一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)，該方法設計新穎合理，結構緊湊，實現(xiàn)方便，智能化程度高。綜采工作面虛擬培訓系統(tǒng)除可進行用戶體驗外，還具有培訓綜采工作面工人的用途，以減少真機培訓成本，降低真機培訓風險。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括遠程控制操控臺、高速多通道數(shù)據(jù)采集卡和計算機，在計算機內嵌入虛擬培訓軟件系統(tǒng)，其中虛擬培訓軟件系統(tǒng)包括:綜采工作面模型模塊、培訓系統(tǒng)界面模塊、綜采工作面理論教學模塊、綜采工作面人機交互學習模塊、綜采工作面虛擬操控模塊、故障模擬及處理模塊和考核管理模塊；
[0007]所述的遠程控制操控臺包括各種功能開關、手柄和旋鈕，控制虛擬綜采工作面設備;
[0008]所述的高速多通道數(shù)據(jù)采集卡，用于采集遠程控制操控臺上安裝的各種功能開關、手柄、旋鈕發(fā)出的多路開關量和模擬量；
[0009]所述的計算機將采集的多路開關量和模擬量進行處理和存儲，通過數(shù)據(jù)庫接口程序，實現(xiàn)虛擬綜采工作面設備的顯示；
[0010]所述的綜采工作面模型模塊，是根據(jù)總體設計需求按三機實物根據(jù)比例，在3DSMax軟件中建立三機和三維場景模型，經整理渲染后導入虛擬現(xiàn)實平臺Quest3D中，在虛擬現(xiàn)實平臺中按照真實采煤過程中模型的位置狀態(tài)搭建整個虛擬綜采工作面；
[0011]所述的培訓系統(tǒng)界面模塊，利用Quest3D的Channel Switch模塊切換系統(tǒng)的不同界面，實現(xiàn)三維場景和軟件界面的顯示；
[0012]所述的綜采工作面理論教學模塊，包括理論教學模塊和虛擬拆裝教學模塊；
[0013]所述的綜采工作面人機交互學習模塊，通過虛擬場景中人物漫游觸發(fā)培訓欄目方式進行綜采工作面自動化采煤工藝的動畫講解；
[0014]所述的綜采工作面虛擬操控模塊，包括標準規(guī)程操作模塊和自由練習操作模塊，用于培訓自動化采煤過程中對三機的控制操作；
[0015]所述的故障模擬及處理模塊，結合虛擬操控過程，利用動畫形式表現(xiàn)真實工作面設備的典型電氣、液壓和機械故障，并以聲音和文字提示故障處理措施；
[0016]所述的考核管理模塊，通過試題打分和模擬操作練習進行培訓效果測試和考核。
[0017]其中綜采工作面模型模塊的搭建方法為:在支撐軟件3DS Max中設計完成三機模型及虛擬場景模型，并將其導入虛擬現(xiàn)實平臺中后，根據(jù)真實的采煤工藝以及采煤過程，改變模型的三維空間坐標、角度及大小，合理安排并構建真實的綜采工作面，根據(jù)采煤工藝中三機實際采煤動作，將三機模型中可以聯(lián)動的部分模型進行父子關系綁定，將父物體的動作矩陣模塊連接到子物體的矩陣模塊下，可以對整體模型模塊化進行動作設計。
[0018]其中培訓系統(tǒng)界面模塊的搭建方法為:在支撐軟件3DS Max中設計三維界面模型，導入Quest3D虛擬現(xiàn)實平臺中，調整模型的空間坐標，改變其透明通道屬性，加入相應的功能按鈕完成系統(tǒng)的界面設計；Channel Switch模塊在Quest3D軟件中通過Value的改變可以對任何形式的模塊進行切換選擇，通過對按鈕進行鼠標點擊檢測，點擊鼠標觸發(fā)SetValue模塊對Channel Switch下面的Value值進行賦值，來對按鈕進行邏輯控制，在主界面和子界面之間進行切換，進入對應的三維場景和界面。
[0019]其中綜采工作面人機交互學習模塊的搭建方法為:在Quest3D虛擬現(xiàn)實平臺的虛擬場景中，通過Newton模塊設置人物模型的動作，使用鍵盤按鍵控制人物模型漫游在虛擬工作面場景當中；通過Detect Mouse Collis1n通道檢測人物鏡頭和鼠標點擊觸發(fā)三機，完成三機理論知識的培訓；在虛擬場景中觸發(fā)三機配合采煤的標準采煤工藝的媒體信息，播放相應的視頻、動畫，使操作人員在逼真的虛擬場景中進行學習。
[0020]其中綜采工作面虛擬操控模塊中的標準規(guī)程操作，按照規(guī)范綜采工作面采煤操作規(guī)程在Quest3D虛擬平臺中使用Value operator改變物體空間坐標，對該坐標設置最大值和最小值以及變化的速度，通過計算通道對這些值進行數(shù)學計算將三機配合采煤動作編寫出來，通過三機空間坐標位置和狀態(tài)參數(shù)觸發(fā)完成三機配合順序采煤動作，每個動作通過操控臺的控制命令觸發(fā)，完成一個正確的操作動作后才能轉入下一個動作，動作之間通過Text、Texture以及Media player通道添加文字、圖片以及動畫，提示下一步進行的動作，按照標準規(guī)程操作就會出現(xiàn)對應的文字、圖片、動畫，直到操作結束。
[0021]其中綜采工作面虛擬操控模塊中的自由練習操作同標準規(guī)程操作一樣，通過Value operator改變物體空間坐標，設置坐標的最大值、最小值以及位置變化速度，通過計算通道對這些值進行數(shù)學計算將三機配合采煤動作編寫出來，通過三機空間坐標位置和狀態(tài)參數(shù)觸發(fā)完成三機配合順序采煤動作，每個動作通過操縱臺的控制命令觸發(fā)；與標準規(guī)程操作所不同在于，在每一步之間不在加入下一步的提示信息，只是在邏輯操作錯誤時出現(xiàn)操作錯誤的提示信息，這些提示信息通過Text、Texture以及Media player通道添加，每個通道下面設置有觸發(fā)方式，執(zhí)行錯誤的操作邏輯時觸發(fā)。
[0022]其中綜采工作面模型模塊包括采煤機模塊、液壓支架模塊、刮板輸送機模塊、虛擬場景模塊。
[0023]其中各種功能開關包括一鍵啟?？偪亻_關、三機集控開關、液壓支架控制開關、刮板機控制開關、采煤機控制開關。
[0024]其中理論教學模塊是采用圖片、視頻和幻燈片實現(xiàn)采煤工藝、三機結構及設備電氣控制的理論教學。
[0025]其中虛擬拆裝教學模塊是通過Detect Mouse Collis1n檢測鼠標點擊到三機關鍵部位模型的Mot1n通道觸發(fā)相應部位模型的拆卸和組裝動作，實現(xiàn)三機關鍵零部件的虛擬拆裝，幫助培訓人員進一步掌握三機的機械結構和工作原理。
[0026]本發(fā)明的有益效果
[0027]本發(fā)明解決了煤礦少人或無人工作面控制系統(tǒng)的人員培訓問題，提升控制的質量和安全性。本發(fā)明具有良好的交互性和真實感，設計合理，實用性強，推廣應用價值高。本發(fā)明可以幫助煤礦綜采工作面三機操作人員提高其操作熟練程度，避免培訓操作人員時對設備造成損壞，且成本低、安全高效。本發(fā)明設計新穎合理，實現(xiàn)方便，使用操作便捷。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖。
[0029]圖2是本發(fā)明的硬件部分框圖。
[0030]圖3是本發(fā)明的軟件部分框圖。
【具體實施方式】
[0031]如圖1所示，一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)，包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)接口三部分。硬件包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、操控器件、操控臺。通過數(shù)據(jù)采集卡采集控制臺上操控器件(開關、手柄、旋鈕)發(fā)出的操控動作，并傳輸給計算機完成虛擬樣機的控制。軟件部分包括綜采工作面模型模塊(采煤機、液壓支架、刮板輸送機、虛擬場景)、綜采工作面培訓系統(tǒng)界面模塊、綜采工作面教學模塊、綜采工作面操控模塊、考核管理模塊。通過這部分可以使操作者完成綜采工作面三機的理論實踐培訓，提高操作者操作設備的能力。
[0032]如圖2所示，一種煤礦用綜采工作面虛擬培訓系統(tǒng)的硬件由操控臺、操控器件、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。
[0033]這部分主要通過數(shù)據(jù)采集卡采集控制臺上操控器件(開關、手柄、旋鈕)發(fā)出的操控動作，并傳輸給計算機，完成虛擬樣機的動作。
[0034]操控臺根據(jù)真實煤礦設備的操控臺仿制而成，具體動作實現(xiàn)與真實煤礦用綜采工作面的操控臺一致。操控臺上安裝有操作手柄、控制開關、旋鈕，用以發(fā)送多路開關量、多路模擬量的采煤機操控指令。這些操控指令由數(shù)據(jù)采集卡采集，通過數(shù)字濾波、差分接線進行數(shù)據(jù)處理，處理后將操控指令傳輸給計算機。
[0035]通過編寫好的虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)接口傳入到虛擬現(xiàn)實平臺的數(shù)據(jù)庫中，在虛擬現(xiàn)實平臺中直接調用DB Driver MYSQL模塊進行對數(shù)據(jù)庫的選擇調用，在DB Query選擇相應的數(shù)據(jù)庫中的表，通過DB Value選擇需要的模擬量或者開關量控制、觸發(fā)虛擬樣機的動作，完成操控臺發(fā)送的控制指令控制虛擬樣機的過程。
[0036]如圖3所示，一種煤礦綜采工作面遠程控制虛擬培訓系統(tǒng)的軟件，軟件部分包括綜采工作面模型模塊、培訓系統(tǒng)界面模塊、綜采工作面理論教學模塊、綜采工作面人機交互學習模塊、綜采工作面虛擬操控模塊、故障模擬及處理模塊和考核管理模塊