0、 引言
煤礦副井提升機是煤炭生產系統中的重要環節，是聯系地面和井下的“咽喉”部位，副井提升機崗位工在煤炭正常生產中發揮著重要的作用。副井提升機崗位工的安全操作技能水平的高低直接影響到整個礦山的安全生產，因此，如何提高提升機崗位工的安全操作技能水平就顯得尤為重要。
目前，國內絕大多數煤礦對副井提升機崗位工的技能培訓一般采用課堂灌輸式教學以及現場培訓，課堂灌輸式教學耗時較長，而且大多數礦工的文化程度低、素質不高，吸收知識的能力差，效果不好；而現場培訓不僅成本高，而且還存在安全隱患。近年來出現了以PLC為核心的礦井提升機控制系統模擬實驗裝置，這種實驗裝置雖然沒有安全隱患，但是它只是在實驗的條件下使提升機崗位工了解礦井提升的運行原理與操作方法，培訓效果差，成本較高。還有一種基于Web3D的提升機虛擬維修仿真系統，這種仿真系統雖然可實現交互拆卸功能，但是它的功能較為單一，培訓效果有限。另外還出現了一種采用礦用可編程控制器及提升機模擬教學實訓設備，這種實訓設備雖然可以起到一定的培訓效果，但是不能進行實時的交互，臨場感比較差。
針對目前煤礦上對提升機崗位工進行技能培訓的方法存在的問題，開發了一種安全可靠、成本低廉、臨場感強的礦用副井提升機虛擬實操系統。該實操系統由上位機副井提升機運行三維虛擬仿真軟件模塊、下位機副井提升機操作臺模塊、上下位機通信控制模塊構成。首先采用三維建模工具將副井提升機系統進行三維建模，構建副井提升機運行的三維場景，然后制作操作臺下位機系統控制上位機中的副井提升機運行，最后采用單片機系統實現操作臺下位機與副井提升機運行三維場景的上位機進行通信，從而實現培訓副井提升機崗位工技能的目的。
1、 系統總體設計
煤礦副井提升機虛擬實操系統是由上位機副井提升機運行三維虛擬仿真軟件模塊、下位機副井提升機操作臺模塊、上下位機通信控制模塊構成。系統的總體結構框圖如圖1所示。
上位機模塊包括：計算機、顯示終端、煤礦副井提升機三維仿真軟件模塊。計算機用于為仿真模擬提供運算和實施平臺；顯示終端與計算機連接，用于對計算機的仿真模擬結果進行顯示；煤礦副井提升機三維仿真軟件模塊，安裝在計算機中，用于在計算機上運行仿真模擬的場景，并提出規范化的要求，實現對副井提升機結構原理、啟動停止、加速減速、通信、報警、緊急制動等三維仿真。
下位機模塊包括：啟動停止提升下降操作模塊、加減速操作模塊、聲光信號操作模塊、運行狀態顯示模塊、緊急制動模塊。啟動停止提升下降操作模塊用于實現崗位工對副井提升機的啟停、升降的操作功能；加減速操作模塊用于實現副井提升機的加速減速功能；聲光信號操作模塊用于啟停、特殊情況的警示提醒作用；緊急制動模塊用于常見突發事故模擬時緊急制動功能；運行狀態顯示模塊，顯示電壓、電流、速度、時間等信息功能。
通過通信控制模塊連接上位機和下位機，用于實現上位機漫游、下位機操控上位機中的虛擬煤礦副井提升機。
2、 上位機的實現
2.1 三維模型的建立
三維模型的建立是該操作系統的基礎，它可以根據現實世界的真實物體來創建虛擬的物體。
根據在煤礦里拍攝的副井提升機系統照片以及搜集到的相關資料，采用3DMAX來構建煤礦副井提升機系統的三維實體模型以及環境模型，例如房屋、樹木、草地等。構建模型時要保證虛擬場景與現實場景相同、虛擬場景中的設備也要和現實場景中的相同，而且物體或者設備的擺設也要和現實中的保持一致。
在建模的過程中要盡量減少模型的面數、刪除看不到的面，這樣不僅可以減輕硬件的負擔，而且還可以減少系統開發的時間，從而節省成本；其次要盡量減少布爾命令的應用，這樣不僅可以減少面的個數，還可以避免運算錯誤，避免模型出現變形。
模型建立完成之后，必須用二維貼圖來表示三維效果的細節，這樣可以使顯示的效果更加逼真。在Quest3D中制作實時陰影是相當耗費資源的，由于軟件自身的限制，模型一旦超過了64000面，陰影就會計算錯誤，因此必須對模型進行烘焙，來固態的表現陰影，在后期制作中不受光照的影響。上述工作完成以后，在3DMAX中將模型導出為.X或.CGR文件，若導出.CGR文件，則文件中就已經包含所有貼圖文件；若導出.X文件，則需要將場景中用到的所有貼圖全部放到存儲導出.X文件的文件夾中，為將模型導入Quest3D中做準備。
2.2 Quest3D中模型的渲染
將導出好的.X或.CGR文件導入到Quest3D中，會在視圖中自動生成模型的channel組，并在視圖中添加Start 3D Scene通道和3D Render通道，將模型的Channel組連接到3D Render通道上，然后再將3D Render通道連接到Start 3D Scene通道上，將Start 3D Scene通道設置為起始通道，此時在Quest3D中的Preview視圖中顯示出煤礦副井提升機以及周圍環境的三維視圖。Quest3D的模型渲染能力是非常強大的，添加不同的Channel組就可以在場景中建立燈光、相機等。本實操平臺采用的是Point Light以及Animation Camera with Target。
添加好Point Light后，改變Position Vector下面的三個數值可以將Point Light放到合適的位置，圖2是Point Light的設置。Animation Camera with Target的視角分別是井口前馬CAM1、井口后馬CAM2、井底前馬CAM3、井底后馬CAM4以及罐籠的實時運行。井口前馬CAM1的設置。
2.3 串口通信
Quest3D與串口的通信，主要是通過Quest3D中的“Serial Port”通道和“Serial Command”通道來實現的?！癝erial Port”通道可以設置串口號、波特率、奇偶校驗位、數據位以及停止位；“Serial Command”通道可以設置打開、關閉串口等。串口通信的控制邏輯。
2.4 三維動畫的驅動
以煤礦副井提升系統各個部分分別添加控制邏輯，控制的動畫包括罐籠的上升和下降、罐簾的打開和關閉，井上、井下安全門的打開和關閉、瑤臺的升起和降落、阻車器的打開和關閉、前起爪的打開和關閉、推車器的前進和后退等。罐籠上升和下降的控制邏輯，由動態參數驅動煤礦副井提升系統相應的部分進行運動。
3、 下位機的實現
3.1 下位機硬件結構設計
下位機模塊所采用的處理器為STC12C5A60S2型號單片機，它具有功耗低、抗干擾能力強等特點，能夠適應煤礦上惡劣的工作環境。而且還具豐富的片內資源，可以大大地降低電路設計的復雜度。為下位機硬件結構框圖。圖中功能按鍵電路連接到單片機的I/O上，用于對上位機煤礦副井提升機系統的控制；串口通信電路用于上位機和下位機的通信。
3.2 下位機軟件設計
下位機軟件部分采用模塊化設計思想，主要包括實時時鐘、數據存儲、聲光報警等。圖7為下位機軟件流程圖。下位機模塊在接收到上位機模塊的握手信號并握手成功后才置位串口通信標志位，執行串口通信程序將數據傳輸給上位機模塊。
4、 制作出來的效果
本文開發的礦用副井提升機虛擬實操系統為崗位工提供了一個準確、直觀地操作平臺，采用先進的虛擬現實技術、人機交互等先進技術，培訓手段新，直觀性強，能有效提高培訓效果。系統效果。
5、 結束語
根據煤礦上對提升機崗位工進行技能培訓的需求，實現了一種基于Quest3D的礦用副井提升機虛擬實操系統，該實操系統可以根據煤礦上的具體情況，可以定制開發，也不存在安全隱患，培訓方式更加先進，受訓人員興趣更高，效果良好，能夠使培訓的周期明顯縮短。
煤礦技能培訓系統完美的將虛擬的技術應用到了現實當中，隨著多媒體技術的進步以及煤礦安全生產的需求，相信在不久的將來，虛擬現實技術會對我國的煤炭行業做出巨大的貢獻。
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