礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)研究

徐華龍

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)研究

徐華龍1，2，3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京市朝陽區(qū)，100013)

針對我國目前礦山救護(hù)技能的培訓(xùn)手段單一、成本較高、培訓(xùn)效果差的問題，研究與設(shè)計(jì)了礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，闡述了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)用三維地理信息技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，能夠模擬礦山災(zāi)害演化過程，仿真礦山災(zāi)害救援演練，進(jìn)行多媒體安全教育培訓(xùn)，為礦山救護(hù)隊(duì)員安全培訓(xùn)和技術(shù)演練提供了技術(shù)支持。

礦山災(zāi)害 仿真模擬 救援培訓(xùn) VR眼鏡

相關(guān)研究表明，我國企業(yè)工傷事故產(chǎn)生的原因50%～80% 與不安全行為有關(guān)，人的不安全行為是導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生的最主要原因。由心理學(xué)、行為科學(xué)理論以及大量事故案例分析可以得出，從業(yè)人員安全知識(shí)匱乏、安全意識(shí)欠缺、安全習(xí)慣不良是一切事故的共性原因。目前，礦山企業(yè)大多采用傳統(tǒng)“填鴨式”培訓(xùn)方式，加上學(xué)員普遍素質(zhì)不高，通常較難激起學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和積極性，達(dá)不到安全培訓(xùn)的目的。

針對我國目前礦山救護(hù)技能存在的培訓(xùn)手段單一、成本較高、培訓(xùn)效果差等問題，本文通過研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)與三維地理信息的災(zāi)害模擬協(xié)同演練技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，使學(xué)員在體驗(yàn)各種真實(shí)場景的同時(shí)，以角色和任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制來學(xué)習(xí)各模塊相關(guān)操作知識(shí)，認(rèn)識(shí)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展過程及危害，并通過問答式的交互學(xué)習(xí)，快速掌握每個(gè)模塊的操作步驟及要點(diǎn)，從而滿足培訓(xùn)部門針對救護(hù)隊(duì)員由易到難和不同技能層次的培訓(xùn)需要，提高學(xué)員的整體技術(shù)水平、思想素質(zhì)以及各種突發(fā)狀況的應(yīng)對能力，達(dá)到寓教于樂和學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)，最終提高學(xué)員整體操作能力及防范意識(shí)，使煤礦真正進(jìn)入規(guī)范化管理階段，降低各種事故發(fā)生的概率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)由環(huán)幕立體投影系統(tǒng)、題板交互及控制系統(tǒng)、仿真模擬系統(tǒng)軟件三大部分組成。其中，環(huán)幕立體投影系統(tǒng)是由3套120°環(huán)幕融合而成360°環(huán)幕立體投影，為用戶提供沉浸式的臨場感受，題板交互及控制系統(tǒng)允許用戶根據(jù)投影系統(tǒng)顯示的畫面和聲音等信息，在培訓(xùn)過程中與仿真模擬軟件進(jìn)行交互與實(shí)操演練，模擬軟件響應(yīng)用戶的控制，并對場景進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，從而將三維立體畫面輸出到環(huán)幕立體投影系統(tǒng)中。礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)環(huán)幕立體投影系統(tǒng)。環(huán)幕立體投影系統(tǒng)由高清立體投影機(jī)、投影環(huán)幕及其他輔助設(shè)備(如高清立體融合器、主動(dòng)立體眼鏡、吊架等)、圖形工作站、中控系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、震動(dòng)仿真系統(tǒng)等設(shè)備。通過投影環(huán)幕產(chǎn)生高度逼真的視覺效果，配以聲音、震動(dòng)等多維度效果沉浸于虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中。環(huán)幕立體投影系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 環(huán)幕立體投影系統(tǒng)

(2)題板交互及控制系統(tǒng)。題板交互及控制系統(tǒng)是連接立體投影系統(tǒng)與仿真模擬軟件的紐帶。用戶根據(jù)立體投影系統(tǒng)提供的畫面與聲音判斷當(dāng)前的場景情況，并在題板交互系統(tǒng)上進(jìn)行操作，題板交互系統(tǒng)將用戶輸入傳達(dá)給仿真模擬軟件，仿真模擬軟件對相應(yīng)的交互與控制信息做出響應(yīng)。

(3)仿真模擬系統(tǒng)。仿真模擬系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和3D立體顯示技術(shù)，將礦山事故的發(fā)生、發(fā)展以及救援處置等過程，通過360°立體環(huán)幕全方位的呈現(xiàn)災(zāi)害三維仿真效果。針對煤礦事故的特點(diǎn)，系統(tǒng)涵蓋了從災(zāi)害征兆出現(xiàn)、到事故發(fā)生、再到最后的自救逃生與救護(hù)救援(包括救援工具的使用培訓(xùn))等一系列虛擬培訓(xùn)和演練。

1.2 腳本設(shè)計(jì)

腳本是仿真模擬系統(tǒng)的中心，是整個(gè)培訓(xùn)過程的“劇本”，具有指導(dǎo)和決定的作用。系統(tǒng)中腳本主要包括五大災(zāi)害事故處理腳本、礦山基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)腳本、消防基本技能培訓(xùn)腳本和標(biāo)準(zhǔn)化救援中隊(duì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)腳本。以火災(zāi)事故為例，針對某礦回風(fēng)巷道火災(zāi)，設(shè)計(jì)關(guān)鍵位置的火災(zāi)事故救援方案的腳本，軟件中包含事故處理的綜合救援演習(xí)以及對隊(duì)員事故救災(zāi)能力的測評考核。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括災(zāi)害仿真模擬、救援裝備培訓(xùn)、救援演練模擬、考核培訓(xùn)管理功能模塊。該系統(tǒng)應(yīng)用3DMAX等建模工具制作三維精細(xì)建模和動(dòng)畫，基于強(qiáng)大的三維圖形引擎Unity3D進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。

2.1 災(zāi)害仿真模擬功能模塊

該模塊對五大災(zāi)害(瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、煤塵)發(fā)生的整體過程進(jìn)行三維模擬，并且配有視頻、音頻、圖片等內(nèi)容對整個(gè)災(zāi)害過程進(jìn)行展示。通過編制完整的災(zāi)害事故腳本，模擬災(zāi)害爆炸事故發(fā)生預(yù)兆、爆炸條件、爆炸危害、災(zāi)后場景再現(xiàn)，讓學(xué)員通過逼真的場景可以對災(zāi)害發(fā)生的過程進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)員可通過各個(gè)角度進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)。

(1)事故形成條件講解模塊。該模塊通過選用多媒體教學(xué)方式，把枯燥的安全培訓(xùn)內(nèi)容與多媒體計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，利用文字、圖形、動(dòng)畫、視頻、音頻一體化界面，加大學(xué)員的感官刺激，使教學(xué)變得形象化、立體化和生動(dòng)化，便于學(xué)員理解和接受礦山五大災(zāi)害(瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、煤塵)的形成條件，從而提高學(xué)員的培訓(xùn)效率。

(2)事故征兆模擬模塊。該模塊通過三維場景精細(xì)建模，以及各類危險(xiǎn)源場景設(shè)計(jì)及后期的開發(fā)制作，形成一套災(zāi)前征兆模擬的培訓(xùn)模塊。該模塊真實(shí)再現(xiàn)礦井井下工作環(huán)境，通過沉浸式的仿真交互學(xué)習(xí)，達(dá)到能夠快速識(shí)別井下透水、火災(zāi)、瓦斯和頂板等危險(xiǎn)源的目的。例如，征兆模擬巷道兩幫出現(xiàn)“掛紅”現(xiàn)象，并且三維場景出現(xiàn)有異味的提示信息，學(xué)員在看到此畫面后，需要第一時(shí)間做出判斷，該處可能具有透水的危險(xiǎn)。該模塊主要是為了讓學(xué)員掌握該危險(xiǎn)源是屬于哪類危險(xiǎn)源、能產(chǎn)生哪些嚴(yán)重后果以及如何處理出現(xiàn)的危險(xiǎn)源，以達(dá)到在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中避免事故發(fā)生的目的?；馂?zāi)事故征兆三維場景如圖3所示。

(3)災(zāi)害過程模擬模塊 。該模塊通過對各類災(zāi)害的發(fā)展過程及其嚴(yán)重后果進(jìn)行詳細(xì)動(dòng)畫設(shè)計(jì)與后期開發(fā)制作，形成對透水、瓦斯、冒頂、頂板等典型事故的模擬仿真。該模塊采用物理引擎對災(zāi)害發(fā)生時(shí)環(huán)境的變化、設(shè)備與人員受到影響進(jìn)行模擬計(jì)算以體現(xiàn)逼真效果，提升培訓(xùn)學(xué)員的自我安全保護(hù)意識(shí)，使學(xué)員在面臨各種災(zāi)害時(shí)能做出果斷地和正確地選擇搶險(xiǎn)逃生等處理步驟，從而降低災(zāi)害的危害程度，保障事故發(fā)生后的生命財(cái)產(chǎn)安全?；馂?zāi)過程模擬三維場景如圖4所示。

2.2 救援裝備培訓(xùn)功能模塊

應(yīng)急救援中有多類救援工具與裝備，各個(gè)工具的功能不同，使用條件與使用方法也不相同。該功能模塊通過三維精細(xì)建模和虛擬仿真技術(shù)，將救援設(shè)備外觀、特性、優(yōu)劣、消耗狀況等進(jìn)行直觀展示，同時(shí)以語音、文字、圖片、動(dòng)畫相結(jié)合的方式演示操作步驟和組裝工藝，為應(yīng)急設(shè)備使用提供形象生動(dòng)的指導(dǎo)，使學(xué)員掌握必備的救援工具基礎(chǔ)知識(shí)與使用技能，增強(qiáng)用戶在災(zāi)害面前的自救互救能力。

(1)3D外形展示模塊。該模塊采用先進(jìn)的圖形建模技術(shù)，以三維立體化方式對工具外形進(jìn)行全方位的展示，使得學(xué)員初步認(rèn)識(shí)工具。

(2)結(jié)構(gòu)組裝模塊。該模塊包含講解演示與培訓(xùn)考核，軟件對各類救援工具的組成部分進(jìn)行精細(xì)化建模，采用部件分離與安裝的動(dòng)畫形式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解。用戶通過該模塊可以操作三維模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，對工具的各個(gè)部件進(jìn)行拆分或安裝。裝備講解三維場景如圖5所示。

(3)操作流程模塊。該模塊對各救援裝備進(jìn)行三維模擬，通過視頻、文字?jǐn)⑹龊蛣?dòng)畫模擬等方式，對各個(gè)裝備的原理、使用方法和注意事項(xiàng)進(jìn)行講解和三維交互式培訓(xùn)，操作流程講解過程中用戶可操作救援裝備模型，從多方位多角度瀏覽觀察以全面認(rèn)識(shí)其操作過程，當(dāng)學(xué)員操作錯(cuò)誤的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)給出正確的引導(dǎo)和提示。實(shí)操培訓(xùn)三維場景如圖6所示。

圖6 實(shí)操培訓(xùn)三維場景

2.3 救援演練培訓(xùn)功能模塊

該功能模塊要求學(xué)員按照不同的災(zāi)害模式進(jìn)行災(zāi)害救援的實(shí)際操作。針對礦山常見的五大災(zāi)害事故，制定出不同的救援方案，再根據(jù)不同的救援方案進(jìn)行場景和設(shè)備的建模及動(dòng)畫、人機(jī)交互的開發(fā)制作。通過災(zāi)害場景和模擬救援模板，學(xué)員可手動(dòng)或者由軟件自動(dòng)的配置災(zāi)害環(huán)境，該模塊根據(jù)災(zāi)害環(huán)境配置對災(zāi)害場景和災(zāi)害救援流程進(jìn)行模擬，針對不同的任務(wù)，應(yīng)急處理流程也有所不同。該模塊通過與學(xué)員的交互，培訓(xùn)學(xué)員救護(hù)救援的技能，使之在真實(shí)的救援中，能夠從容地面對各種困難，成功的對被困人員實(shí)施救援。救援演練三維場景如圖7所示。

圖7 救援演練三維場景

2.4 培訓(xùn)考核管理功能模塊

該功能模塊是根據(jù)災(zāi)害事故的類型以及預(yù)先設(shè)定的預(yù)案處理數(shù)據(jù)，對救援環(huán)節(jié)進(jìn)行判定，從而對受訓(xùn)人員的演練情況做出公正的評估，以方便學(xué)員自我學(xué)習(xí)、自我總結(jié)和自我提高，強(qiáng)化訓(xùn)練效果。該功能模塊通過記錄訓(xùn)練人員在實(shí)操演練中的所有軌跡路徑、動(dòng)作行為、完成時(shí)間等信息，與正確的操作進(jìn)行比對和分析，對過程中的錯(cuò)誤操作進(jìn)行提示，對訓(xùn)練人員的操作過程給出客觀的、科學(xué)的分析評價(jià)，得出考核結(jié)果成績表。災(zāi)害事故演練的評估還可由參加演練評審專家進(jìn)行實(shí)時(shí)或事后點(diǎn)評?？己伺嘤?xùn)如圖8所示。

圖8 考核培訓(xùn)

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 煤礦典型災(zāi)害救援多工種協(xié)同演練技術(shù)

針對煤礦災(zāi)害救援傳統(tǒng)培訓(xùn)范圍有限和培訓(xùn)效果不理想等問題，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)、虛擬角色控制技術(shù)和多通道立體環(huán)幕投影技術(shù)，研究煤礦典型災(zāi)害救援多工種協(xié)同演練技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)感環(huán)境中仿真模擬五大災(zāi)害(瓦斯、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板、煤塵)事故救援處理，支持多人并行交互和協(xié)同指揮訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)救護(hù)隊(duì)員在救護(hù)隊(duì)長的帶領(lǐng)下可協(xié)同完成指定的救援任務(wù)，有效掌握救援的流程，為應(yīng)急管理演練式培訓(xùn)提供支持。

3.2 煤礦典型災(zāi)害救援人機(jī)互動(dòng)考核培訓(xùn)技術(shù)

針對煤礦災(zāi)害救援傳統(tǒng)培訓(xùn)考核效果不理想等問題，基于計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和多通道立體環(huán)幕投影技術(shù)，研究煤礦典型災(zāi)害救援人機(jī)互動(dòng)考核培訓(xùn)技術(shù)，通過創(chuàng)建逼真沉浸式的視覺和交互環(huán)境，在災(zāi)害救援培訓(xùn)的過程中結(jié)合IPAD平板、PC電腦和操作桿等交互設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦山救護(hù)人員救援操作和答題互動(dòng)培訓(xùn)。演練過程中系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行綜合評價(jià)，獲取救援過程中的不達(dá)標(biāo)項(xiàng)，以便對學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中的成績進(jìn)行記錄和評估，救護(hù)隊(duì)員針對自身弱項(xiàng)反復(fù)演練熟悉和掌握救援流程，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)考核培訓(xùn)的缺陷。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

2016年8月，礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)自正式在神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上線，得到了較好的應(yīng)用，先后為神東救護(hù)消防大隊(duì)機(jī)關(guān)、8個(gè)救護(hù)中隊(duì)、24個(gè)救護(hù)小隊(duì)進(jìn)行了約1200余人次培訓(xùn)。該系統(tǒng)首次將360°立體環(huán)幕投影技術(shù)、多工種協(xié)同演練和人機(jī)互動(dòng)考核培訓(xùn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦典型災(zāi)害模擬演練中，創(chuàng)新了煤礦應(yīng)急救援的培訓(xùn)方式。該系統(tǒng)以國家統(tǒng)一的煤礦應(yīng)急救援培訓(xùn)教材為基礎(chǔ)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建煤礦井下場景，讓救護(hù)隊(duì)員快速掌握了礦井巷道的布局和行走路線，熟悉救援位置的真實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)境的實(shí)景認(rèn)知，通過對井下虛擬場景中火災(zāi)、水災(zāi)、瓦斯、煤塵、頂板事故等五大災(zāi)害的發(fā)生及處理過程的動(dòng)態(tài)模擬，使救援隊(duì)伍更加直觀的學(xué)習(xí)五大災(zāi)害發(fā)生及處置過程，并結(jié)合虛擬場景中的綜合救援演習(xí)過程，對救護(hù)隊(duì)員的應(yīng)急處置能力進(jìn)行綜合測評考核，獲取救援過程中的不達(dá)標(biāo)項(xiàng)，通過反復(fù)演練，直到掌握全部救援流程，減少了學(xué)員實(shí)際井下演練的次數(shù)，節(jié)約了訓(xùn)練費(fèi)用，有效提升了神東煤炭礦山救護(hù)隊(duì)員的整體水平。礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用案例如圖9所示。

圖9 礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用案例

5 結(jié)語

礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)針對礦山五大災(zāi)害的特點(diǎn)，運(yùn)用三維地理信息技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，為礦山安全培訓(xùn)和救援演練提供了一種新的技術(shù)手段，通過構(gòu)建虛擬的煤礦生產(chǎn)環(huán)境，模擬礦山常見五大災(zāi)害事故演化過程，仿真礦山災(zāi)害救援演練，使學(xué)員直觀形象地了解井下環(huán)境，身臨其境地體驗(yàn)事故發(fā)生的場景，采用多媒體培訓(xùn)方式講解礦井災(zāi)害的基本知識(shí)，以及各大救援裝備的正確使用方法等，從而提高學(xué)員的救災(zāi)能力，提高礦山企業(yè)應(yīng)對突發(fā)事故的組織指揮、快速響應(yīng)及處置能力，為提升救護(hù)隊(duì)員的救災(zāi)能力提供了有效虛擬訓(xùn)練平臺(tái)。

本系統(tǒng)已在國內(nèi)多個(gè)礦區(qū)得到成功應(yīng)用，隨著國家和礦山企業(yè)對安全培訓(xùn)越來越重視，該系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合VR眼鏡和VR頭盔等沉浸體驗(yàn)設(shè)備的礦山安全培訓(xùn)必將成為未來新的研究領(lǐng)域。

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Researchonminedisasteranaloguesimulationandrescuetrainingsystem

Xu Hualong1,2,3

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Coal Mine Emergency and Refuge Technology Equipment Engineering Research Center,Chaoyang, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the current situation of mine rescue skill with single training method, high cost, poor training effect, a mine disaster analogue simulation and rescue training system was designed, and the architecture design, functional design and key technology of the system were introduced, and the application effects were elaborated. The actual application results showed that by using 3D geographic information technology and virtual simulation technology, the system could simulate the mine disaster evolution process and disaster rescue exercise, conduct multimedia safety education training, and provide technique support for mine rescuer's safety training and skill exercise.

mine disaster, analogue simulation, rescue exercise, VR glasses

TD-9

A

煤科院技術(shù)創(chuàng)新基金——煤礦典型災(zāi)害多媒體模擬仿真演練系統(tǒng)研究2015CX12，國家科技重大專項(xiàng)——煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式及技術(shù)的優(yōu)化集成應(yīng)用(2016ZX05045-007)

徐華龍. 礦山災(zāi)害仿真模擬與救援培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].中國煤炭，2017，43(11)：69-73，96.

Xu Hualong. Research on mine disaster analogue simulation and rescue training system.[J].China Coal，2017，43(11)：69-73，96.

徐華龍(1981- )，男，江西豐城人，高級工程師，碩士，主要從事數(shù)字礦山和三維地理信息技術(shù)相關(guān)研究工作。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))