3D虛擬仿真技術(shù)在礦山應(yīng)急救援系統(tǒng)中的應(yīng)用

郅富標(biāo)

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

3D虛擬仿真技術(shù)在礦山應(yīng)急救援系統(tǒng)中的應(yīng)用

郅富標(biāo)

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

鑒于目前礦山災(zāi)害時有發(fā)生，發(fā)生災(zāi)害以后，往往造成較大的人身傷亡和財產(chǎn)損失，如何有效的防止災(zāi)害不發(fā)生或發(fā)生以后有效的組織救援，減少損失，成為目前亟待解決的問題，虛擬仿真技術(shù)可以有效的彌補這些缺陷，利用3DMax三維制作技術(shù)，制作出三維場景，分別在計算機上虛擬仿真，可減少財政支出，提高救護隊員與礦工的心理素質(zhì)。

礦山災(zāi)害；三維制作技術(shù)；虛擬仿真；心理素質(zhì)

引言

虛擬仿真演練系統(tǒng)已出現(xiàn)很多年，從早期軍隊的沙盤推演，到現(xiàn)今的計算機推演，正在進行著深刻的革命，虛擬仿真現(xiàn)在越來越多的出現(xiàn)在各個行業(yè)，從軍隊、航天、飛機、民用機械等，逐漸進入到人們的視野中，成為人們生活、工作中不可或缺的一部分。而煤炭行業(yè)近十幾年以來迅猛發(fā)展，其安全狀況一直堪憂，礦山應(yīng)急救援演練也只是一年推演一次，其實際效果還有待提高，如能將其他行業(yè)的虛擬仿真技術(shù)移植到煤炭行業(yè)中，將會對礦工、救護人員在發(fā)生礦難時的應(yīng)急救援產(chǎn)生深遠的影響。

1. 礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)的組成、原理及特點

3DMax作為現(xiàn)今非常流行的三維制作軟件，在許多行業(yè)有非常廣泛的應(yīng)用，它可以非常容易的制作出各種場景的三維模型。模型制作出來以后，要用編程的方法，將各種模型連接起來，編程軟件使用VC++，同時需要在平臺上運行，平臺使用UNITY或者OPENGL。

軟件制作完成后，需要在計算機上運行，由計算機、服務(wù)器、120°弧幕、3D眼境等組成一個仿真的系統(tǒng)，虛擬仿真實際上是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界(Virtual World)的計算機系統(tǒng)。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過頭盔顯示器(HMD)、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)是計算機技術(shù)、計算機圖形學(xué)、計算機視覺、視覺生理學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、人機接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶。其逼真性和實時交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。

虛擬仿真技術(shù)具有以下四個基本特性：

(1)沉浸性(Immersion)

虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。

(2)交互性(Interaction)

虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，而且人是以近乎自然的行為(自身的語言、肢體的動作等)進行控制的，虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫崟r的反應(yīng)。例如，當(dāng)飛行員按動導(dǎo)彈發(fā)射按鈕時，會看見虛擬的導(dǎo)彈發(fā)射出去并跟蹤虛擬目標(biāo)；當(dāng)導(dǎo)彈碰到目標(biāo)時會發(fā)生爆炸，能夠看到爆炸的碎片和火光。

(3)虛幻性(Imagination)

即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計算機等工具模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現(xiàn)在真實存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當(dāng)前并不存在的但將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，還可模擬客觀世界中并不會存在的而僅僅屬于人們幻想的環(huán)境。

(4)逼真性(reality)

虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個方面：一方面，虛擬環(huán)境給人的的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣；另一方面，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。如當(dāng)給虛幻物體一個作用力，該物體的運動就會符合力學(xué)定律，會沿著力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，當(dāng)它遇到障礙物時，會被阻擋。

2. 礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)開發(fā)流程

為了真實再現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生的現(xiàn)場，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)去構(gòu)建一個帶有物理規(guī)則和災(zāi)害推演規(guī)則的三維場景。場景中模擬了災(zāi)害發(fā)生時的地形，建筑，物品設(shè)施，人物角色，次生災(zāi)害(爆炸，火災(zāi)，水災(zāi)和有毒煙霧)和天氣(雨，雪)等三維表現(xiàn)以及災(zāi)難現(xiàn)場發(fā)出的聲音，整個場景是在災(zāi)難事件，推演規(guī)則和物理規(guī)則的作用下運行，使用戶產(chǎn)生親臨災(zāi)害發(fā)生地的感覺，并在教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的指導(dǎo)下正確的對災(zāi)害實施救援或者正確的規(guī)避災(zāi)害事故。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 礦山應(yīng)急救援演練三維制作流程圖

礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)共分為三個階段，分別從風(fēng)險預(yù)控管理三維模擬仿真動漫、事故案例再現(xiàn)分析三維模擬仿真動漫、災(zāi)害(事故)應(yīng)急救援仿真模擬軟件進行開發(fā)。

第一階段，通過建立風(fēng)險及后果虛擬環(huán)境，將不安全行為操作直觀地展現(xiàn)在學(xué)習(xí)人員面前，給學(xué)習(xí)者帶來身臨其境的感覺，起到教育員工、規(guī)范作業(yè)行為的作用。根據(jù)煤炭集團危險源辨識結(jié)果，在采掘、機電運輸、一通三防、洗選裝車、供電管理作業(yè)活動中，按風(fēng)險等級選取200個較為典型的、可能直接導(dǎo)致人身傷害的危險源制作模擬仿真動漫。

第二階段，主要選取煤炭集團發(fā)生的典型案例，用三維模擬仿真技術(shù)再現(xiàn)出來，重現(xiàn)事故現(xiàn)場，立體全景展示安全事故案例。員工可以感受到事故發(fā)生的現(xiàn)場環(huán)境，有效提高學(xué)習(xí)興趣，從事故中總結(jié)經(jīng)驗、教訓(xùn)，提高安全教育的效果。

第三階段，本部分可以快速、有效的在計算機屏幕或多通道模擬仿真投影環(huán)境上再現(xiàn)各種災(zāi)害(事故)發(fā)生及救援的過程。根據(jù)具體的災(zāi)害、事故，啟動相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案，用三維仿真演示，使員工熟悉救援程序。一旦發(fā)生重大事故，能夠及時匯報，及時啟動預(yù)案，正確指揮、組織救援，控制和縮小事故影響范圍及其危害程度，減少人員傷亡和事故損失，提高應(yīng)急處理事故和救援的能力。本系統(tǒng)應(yīng)具備人機互動式功能，可實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)與考核。

礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)的工作流程中，其中三維虛擬指揮大廳等四個模塊會調(diào)用三維場景推演控制系統(tǒng)中的三維場景渲染系統(tǒng)并結(jié)合自己的業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)去生成不同視角，不同信息展示方式的三維模擬場景。例如三維虛擬指揮大廳主要是提取一些災(zāi)區(qū)全局的數(shù)據(jù)，包括一些受災(zāi)面積，受災(zāi)人數(shù)和救援隊伍等信息。而三維虛擬單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)側(cè)重提取災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用場景中可交互使用的物品與用戶做更多的三維交互。

3.礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)主要包括場景任務(wù)設(shè)置、角色訓(xùn)練、數(shù)據(jù)查詢、訓(xùn)練控制、記錄編輯和考核等模塊。

1. 場景任務(wù)設(shè)置模塊

根據(jù)不同的訓(xùn)練任務(wù)，為訓(xùn)練者提供一個虛擬的訓(xùn)練場景，并在場景內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的災(zāi)害或突發(fā)事故現(xiàn)象，形成一個逼真的虛擬演練環(huán)境。

2. 角色訓(xùn)練模塊

演練系統(tǒng)提供針對不同角色進行訓(xùn)練的功能。根據(jù)登錄的不同角色，系統(tǒng)提供不同的能力和權(quán)限。根據(jù)在應(yīng)對災(zāi)害時職責(zé)和所需能力的不同。角色主要包括以下幾類：礦工、礦山救護隊員、指揮中心等。

3. 數(shù)據(jù)查詢模塊

在訓(xùn)練過程中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，查詢模塊目的是方便決策者查詢、觀看和使用這些數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供各種工具和功能，可方便對訓(xùn)練的全過程進行全方位觀看和數(shù)據(jù)查詢。

4. 訓(xùn)練控制模塊

演練環(huán)境是由“場景及任務(wù)設(shè)置模塊”初始化設(shè)置確定的。但為了提高對突發(fā)事件處理能力的訓(xùn)練效果，需要在訓(xùn)練的途中，添加各種突發(fā)事件。為此，系統(tǒng)在訓(xùn)練過程中提供人為添加和改變演練環(huán)境的功能，具體功能包括：外部環(huán)境狀況調(diào)整、災(zāi)情狀況調(diào)整、救援力量調(diào)整、新任務(wù)下達、其他突發(fā)事件等。

5. 記錄編輯模塊

記錄并能回放整個訓(xùn)練過程，包括所有的事件細節(jié)、處理過程、通信語音錄音等。該模塊為訓(xùn)練總結(jié)、處置預(yù)案生成提供手段。

6. 考核模塊

考核分為預(yù)案演練考核和突發(fā)事件演練考核。預(yù)案演練考核是根據(jù)預(yù)案演練的結(jié)果，對比已有預(yù)案，并產(chǎn)生考核結(jié)果。考評結(jié)果與演練記錄均可進行保存、分發(fā)和查詢。

3.2 系統(tǒng)的功能

礦山應(yīng)急救援虛擬仿真演練系統(tǒng)主要包括兩種訓(xùn)練模式：預(yù)案訓(xùn)練模式和突發(fā)事件訓(xùn)練模式。

預(yù)案訓(xùn)練模式是讓操作者按照預(yù)案規(guī)定的內(nèi)容，各司其職，完整地按照預(yù)案執(zhí)行救援的全過程。預(yù)案訓(xùn)練將預(yù)案變得可以執(zhí)行，并形成了一個考核手段。

突發(fā)事件訓(xùn)練模式就是在訓(xùn)練的過程中，由系統(tǒng)操作人員進行干預(yù)操作，例如設(shè)置一次火災(zāi)、瓦斯爆炸等，訓(xùn)練對突發(fā)事件的反應(yīng)和指揮能力。

4. 結(jié)論

礦山虛擬仿真應(yīng)急救援演練系統(tǒng)不僅能進行整個礦山救護隊虛擬仿真推演，也可以進行礦山救援隊員虛擬仿真推演，還可以礦山救護與礦工聯(lián)合推演。

該系統(tǒng)能使救護指戰(zhàn)員在不受實際現(xiàn)場條件的影響下，提前適應(yīng)事故現(xiàn)場的氛圍，調(diào)整自己的心理、生理狀態(tài)，以沉著、冷靜的心態(tài)做出科學(xué)判斷，減少事故救援中的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

The Application of Virtual Simulation Technology in Mine Emergency Rescue System

ZHI Fu-biao
(Henan College of Industry and Information Technology, Jiaozuo 454000，China)

Because the mine disasters happen from time to time, and there are often great personal casualty and property loss after a disaster, how to effectively prevent the disaster from occurring or how to effectively organize rescue after disasters and reduce the loss, has become a problem to be solve at present. The virtual simulation technology can effectively make up for the defects, using 3Dmax three-dimensional production technology to produce 3D scene, realizing the virtual simulation on computer respectively, which can reduce fiscal spending and improve the psychological quality of rescue team members and miners.

mine disaster; 3D technology; virtual simulation; psychological quality

2016-07-17

郅富標(biāo)(1976- )，男，碩士，河南理工大學(xué)高職學(xué)院講師，從事煤礦井下供電、礦山自動化的教學(xué)及研究。

TP242

A

1671-3974(2017)01-0054-03