一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于虚拟仿真领域，具体涉及用于一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统。
【背景技术】
[0002]虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术在近几年得到了前所未有的重视和应用。在未来，“现实制造”和“虚拟呈现”将完美融合，通过遍布全厂的海量传感器采集现实生产制造过程中的所有实时数据，实时、快速地反映生产中的任何细节。基于这些生产数据，在计算机虚拟环境中应用数字化模型、大数据分析、3D虚拟仿真等方法，可对整个生产过程进行仿真、评估和优化，实现虚拟世界中的生产仿真与现实世界中的生产无缝融合。因此，“虚拟与现实世界的完美融合”已经成为工业4.0发展的三大趋势之一。
[0003]将工业设备虚拟仿真、虚拟操控等技术应用在专业人员培训方面，是近年来发展迅速的研究方向。对工作环境恶劣、设备昂贵、生产工艺复杂或者操作流程严格的应用领域，传统的培训方式显然不适合高危作业的培训需求，且培训成本巨大。而虚拟操控方法已经被证明是实现模拟培训，提升培训质量的重要手段。
[0004]近几年，国内煤矿井下推广使用的自动化综采工作面技术，贯彻“无人则安，人少则安”的安全生产理念，加快了煤矿机械装备自动化、智能化步伐，也形成了一些综采工作面示范应用工程。但目前大多数煤矿普遍采用安装摄像头的方式进行远程监控，由于采煤机的工作环境复杂、恶劣，往往造成摄像头采集图像不清晰，给远程控制带来很大难度；或利用采煤机控制器监视采煤机运行时的电流、电压、速度、温度、摇臂角度等参数，直接将参数显示或进行图形建模显示，由采煤机工作人员进行操作并实时监测采煤机工作状态。总之，由于远程控制中操作人员需要观测参数多，依靠视频、设备状态参数等实施人工干预决策难度大，使得现有远程控制系统存在一定的安全隐患。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述传统的综采工作面培训问题，提供一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统，该方法设计新颖合理，结构紧凑，实现方便，智能化程度高。综采工作面虚拟培训系统除可进行用户体验外，还具有培训综采工作面工人的用途，以减少真机培训成本，降低真机培训风险。
[0006]本发明的技术方案是:一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统，所述系统包括远程控制操控台、高速多通道数据采集卡和计算机，在计算机内嵌入虚拟培训软件系统，其中虚拟培训软件系统包括:综采工作面模型模块、培训系统界面模块、综采工作面理论教学模块、综采工作面人机交互学习模块、综采工作面虚拟操控模块、故障模拟及处理模块和考核管理模块；
[0007]所述的远程控制操控台包括各种功能开关、手柄和旋钮，控制虚拟综采工作面设备;
[0008]所述的高速多通道数据采集卡，用于采集远程控制操控台上安装的各种功能开关、手柄、旋钮发出的多路开关量和模拟量；
[0009]所述的计算机将采集的多路开关量和模拟量进行处理和存储，通过数据库接口程序，实现虚拟综采工作面设备的显示；
[0010]所述的综采工作面模型模块，是根据总体设计需求按三机实物根据比例，在3DSMax软件中建立三机和三维场景模型，经整理渲染后导入虚拟现实平台Quest3D中，在虚拟现实平台中按照真实采煤过程中模型的位置状态搭建整个虚拟综采工作面；
[0011]所述的培训系统界面模块，利用Quest3D的Channel Switch模块切换系统的不同界面，实现三维场景和软件界面的显示；
[0012]所述的综采工作面理论教学模块，包括理论教学模块和虚拟拆装教学模块；
[0013]所述的综采工作面人机交互学习模块，通过虚拟场景中人物漫游触发培训栏目方式进行综采工作面自动化采煤工艺的动画讲解；
[0014]所述的综采工作面虚拟操控模块，包括标准规程操作模块和自由练习操作模块，用于培训自动化采煤过程中对三机的控制操作；
[0015]所述的故障模拟及处理模块，结合虚拟操控过程，利用动画形式表现真实工作面设备的典型电气、液压和机械故障，并以声音和文字提示故障处理措施；
[0016]所述的考核管理模块，通过试题打分和模拟操作练习进行培训效果测试和考核。
[0017]其中综采工作面模型模块的搭建方法为:在支撑软件3DS Max中设计完成三机模型及虚拟场景模型，并将其导入虚拟现实平台中后，根据真实的采煤工艺以及采煤过程，改变模型的三维空间坐标、角度及大小，合理安排并构建真实的综采工作面，根据采煤工艺中三机实际采煤动作，将三机模型中可以联动的部分模型进行父子关系绑定，将父物体的动作矩阵模块连接到子物体的矩阵模块下，可以对整体模型模块化进行动作设计。
[0018]其中培训系统界面模块的搭建方法为:在支撑软件3DS Max中设计三维界面模型，导入Quest3D虚拟现实平台中，调整模型的空间坐标，改变其透明通道属性，加入相应的功能按钮完成系统的界面设计；Channel Switch模块在Quest3D软件中通过Value的改变可以对任何形式的模块进行切换选择，通过对按钮进行鼠标点击检测，点击鼠标触发SetValue模块对Channel Switch下面的Value值进行赋值，来对按钮进行逻辑控制，在主界面和子界面之间进行切换，进入对应的三维场景和界面。
[0019]其中综采工作面人机交互学习模块的搭建方法为:在Quest3D虚拟现实平台的虚拟场景中，通过Newton模块设置人物模型的动作，使用键盘按键控制人物模型漫游在虚拟工作面场景当中；通过Detect Mouse Collis1n通道检测人物镜头和鼠标点击触发三机，完成三机理论知识的培训；在虚拟场景中触发三机配合采煤的标准采煤工艺的媒体信息，播放相应的视频、动画，使操作人员在逼真的虚拟场景中进行学习。
[0020]其中综采工作面虚拟操控模块中的标准规程操作，按照规范综采工作面采煤操作规程在Quest3D虚拟平台中使用Value operator改变物体空间坐标，对该坐标设置最大值和最小值以及变化的速度，通过计算通道对这些值进行数学计算将三机配合采煤动作编写出来，通过三机空间坐标位置和状态参数触发完成三机配合顺序采煤动作，每个动作通过操控台的控制命令触发，完成一个正确的操作动作后才能转入下一个动作，动作之间通过Text、Texture以及Media player通道添加文字、图片以及动画，提示下一步进行的动作，按照标准规程操作就会出现对应的文字、图片、动画，直到操作结束。
[0021]其中综采工作面虚拟操控模块中的自由练习操作同标准规程操作一样，通过Value operator改变物体空间坐标，设置坐标的最大值、最小值以及位置变化速度，通过计算通道对这些值进行数学计算将三机配合采煤动作编写出来，通过三机空间坐标位置和状态参数触发完成三机配合顺序采煤动作，每个动作通过操纵台的控制命令触发；与标准规程操作所不同在于，在每一步之间不在加入下一步的提示信息，只是在逻辑操作错误时出现操作错误的提示信息，这些提示信息通过Text、Texture以及Media player通道添加，每个通道下面设置有触发方式，执行错误的操作逻辑时触发。
[0022]其中综采工作面模型模块包括采煤机模块、液压支架模块、刮板输送机模块、虚拟场景模块。
[0023]其中各种功能开关包括一键启停总控开关、三机集控开关、液压支架控制开关、刮板机控制开关、采煤机控制开关。
[0024]其中理论教学模块是采用图片、视频和幻灯片实现采煤工艺、三机结构及设备电气控制的理论教学。
[0025]其中虚拟拆装教学模块是通过Detect Mouse Collis1n检测鼠标点击到三机关键部位模型的Mot1n通道触发相应部位模型的拆卸和组装动作，实现三机关键零部件的虚拟拆装，帮助培训人员进一步掌握三机的机械结构和工作原理。
[0026]本发明的有益效果
[0027]本发明解决了煤矿少人或无人工作面控制系统的人员培训问题，提升控制的质量和安全性。本发明具有良好的交互性和真实感，设计合理，实用性强，推广应用价值高。本发明可以帮助煤矿综采工作面三机操作人员提高其操作熟练程度，避免培训操作人员时对设备造成损坏，且成本低、安全高效。本发明设计新颖合理，实现方便，使用操作便捷。
【附图说明】
[0028]图1是本发明的系统结构框图。
[0029]图2是本发明的硬件部分框图。
[0030]图3是本发明的软件部分框图。
【具体实施方式】
[0031]如图1所示，一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统，包括硬件、软件、数据接口三部分。硬件包括计算机、数据采集卡、操控器件、操控台。通过数据采集卡采集控制台上操控器件(开关、手柄、旋钮)发出的操控动作，并传输给计算机完成虚拟样机的控制。软件部分包括综采工作面模型模块(采煤机、液压支架、刮板输送机、虚拟场景)、综采工作面培训系统界面模块、综采工作面教学模块、综采工作面操控模块、考核管理模块。通过这部分可以使操作者完成综采工作面三机的理论实践培训，提高操作者操作设备的能力。
[0032]如图2所示，一种煤矿用综采工作面虚拟培训系统的硬件由操控台、操控器件、数据采集卡和计算机组成。
[0033]这部分主要通过数据采集卡采集控制台上操控器件(开关、手柄、旋钮)发出的操控动作，并传输给计算机，完成虚拟样机的动作。
[0034]操控台根据真实煤矿设备的操控台仿制而成，具体动作实现与真实煤矿用综采工作面的操控台一致。操控台上安装有操作手柄、控制开关、旋钮，用以发送多路开关量、多路模拟量的采煤机操控指令。这些操控指令由数据采集卡采集，通过数字滤波、差分接线进行数据处理，处理后将操控指令传输给计算机。
[0035]通过编写好的虚拟现实数据接口传入到虚拟现实平台的数据库中，在虚拟现实平台中直接调用DB Driver MYSQL模块进行对数据库的选择调用，在DB Query选择相应的数据库中的表，通过DB Value选择需要的模拟量或者开关量控制、触发虚拟样机的动作，完成操控台发送的控制指令控制虚拟样机的过程。
[0036]如图3所示，一种煤矿综采工作面远程控制虚拟培训系统的软件，软件部分包括综采工作面模型模块、培训系统界面模块、综采工作面理论教学模块、综采工作面人机交互学习模块、综采工作面虚拟操控模块、故障模拟及处理模块和考核管理模块