基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)

劉曉丹，張東旭，趙英君 ，史銳

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

0 引言

礦井開采是一項高危行業(yè)，井下客觀存在的危險源，井下作業(yè)人員違章指揮、作業(yè)，都會給井下工作人員帶來災(zāi)難性的后果。據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年上半年全國煤礦企業(yè)共發(fā)生安全事故37起，死亡65人。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，井下安全問題仍然突出，因此，做好井下工作人員的安全培訓(xùn)，對于增強(qiáng)安全防范意識，提高安全技能及對各種突發(fā)事件的應(yīng)對能力，杜絕違規(guī)作業(yè)，切實消除生產(chǎn)中可能存在的各種隱患，降低安全事故的發(fā)生，保障安全生產(chǎn)具有重要意義。針對傳統(tǒng)安全培訓(xùn)方式存在無法調(diào)動培訓(xùn)人員的積極性、主動性和培訓(xùn)效果差的不足，本文基于虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了煤礦安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司引進(jìn)國際先進(jìn)三維仿真技術(shù)與軟、硬件平臺，搭載智能化立體顯示設(shè)備，開發(fā)出符合我國國情的煤礦安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)[1-3]。通過對事故的建模與仿真分析，將分析計算的過程數(shù)據(jù)作為描述事故發(fā)生、發(fā)展過程的理論依據(jù)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實仿真工具研發(fā)該事故展示模塊，通過硬件平臺(360°環(huán)幕投影系統(tǒng))，逼真地再現(xiàn)事故發(fā)生、發(fā)展過程，分析設(shè)備安全對事故性發(fā)生的影響，為礦山事故技術(shù)鑒定提供依據(jù)。仿真系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、360°環(huán)屏投影播放技術(shù)、投影系統(tǒng)直徑10 m，高4.5 m，12.1環(huán)繞立體聲技術(shù)、3D電影技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同處理技術(shù)、讓用戶佩戴專業(yè)立體眼鏡既可在任意角度下呈現(xiàn)井下立體畫面。立體顯示場景逼真，設(shè)備堅定穩(wěn)固，為作業(yè)人員安全和技能培訓(xùn)提供一流的“沉浸式”培訓(xùn)環(huán)境。

系統(tǒng)平臺分為12通道投影機(jī)融合系統(tǒng)、視頻處理系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、計算機(jī)集群系統(tǒng)、UPS穩(wěn)壓系統(tǒng)組成[4-5]。硬件平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為逼真模擬事故發(fā)生、發(fā)展演變過程，全方位觀察事故發(fā)生過程中環(huán)境的變化和設(shè)備的破壞過程，分析事故發(fā)生的條件，硬件平臺采用360°環(huán)屏“沉浸式”投影系統(tǒng)，采用6通道主動立體投影方式，虛擬仿真系統(tǒng)采用高性能圖形工作站組成多通道集群渲染，每臺工作站對系統(tǒng)的一個界面進(jìn)行渲染，滿足多路顯示面的立體顯示與同步。利用先進(jìn)的圖形顯卡，基于DirectX11,實現(xiàn)各種先進(jìn)圖形的特效。采用PBS(基于物理的著色)可以以一套友好的參數(shù)更加真實地實現(xiàn)金屬、塑料、木質(zhì)、布料等各種材質(zhì)。支持CAE集群計算、用戶多級授權(quán)管理、支持OPENGL和Directx圖形渲染協(xié)議、支持三維圖形交互軟件的高清遠(yuǎn)程交互。此外系統(tǒng)還配置了中控系統(tǒng)，通過觸屏的管理界面進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與信號切換，可支持多種受控設(shè)備。安全培訓(xùn)演練的效果如圖2所示。

2.1 基于軟件的屏幕成像技術(shù)

系統(tǒng)由6臺主動立體投影機(jī)分別向6個方向投影，投影到一個高4 m、直徑10 m的環(huán)形屏幕上，從而形成了6個拼接帶。采用VIRTOOLS作為虛擬現(xiàn)實軟件平臺，依托中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司硬件平臺研制了模塊的播放形式，投影機(jī)采用立體主動式投影機(jī)，亮度可達(dá)12500流明、對比度高，成像清晰，即使在黑暗的環(huán)境如井下也能夠完成影像投影。金屬機(jī)械式支撐骨架采用高強(qiáng)度鋼材料，能夠支撐較大重量，單體支撐效果好，造型美觀，可以對屏幕與相關(guān)設(shè)備起到強(qiáng)有力的支撐作用，還能夠?qū)ζ聊徽w形狀進(jìn)行定型。數(shù)據(jù)可視化處理在圖形處理能力上對于系統(tǒng)的要求非?？量蹋枰脤I(yè)級的圖形工作站。系統(tǒng)中圖形工作站采用64位高端圖形工作站，具有強(qiáng)大的信息處理功能，每一臺投影機(jī)對應(yīng)一臺圖形工作站，實時進(jìn)行三維圖像的計算輸出，是立體虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)的核心設(shè)備。

圖2 3D-VR煤礦事故仿真和安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)效果圖

2.2 屏幕拼接與幾何矯正技術(shù)

屏幕拼接采用硬件拼接技術(shù)，系統(tǒng)包含的6臺主動立體投影機(jī)中，每臺投影機(jī)負(fù)責(zé)投影角度60°，但實際投影角度達(dá)到80°，兩邊各余出10°進(jìn)行拼接，此方法的拼接效果比較理想，避免重復(fù)調(diào)試。

幾何矯正原理：在投影機(jī)投影重疊的地帶會顯示多個方格，通過顯示橫豎多個方格時的效果進(jìn)行挪、移、擠等操作實現(xiàn)屏幕的各個方格能夠均勻地投在弧形屏幕上。記錄各個方格的4個點的投影位置來實現(xiàn)幾何矯正。通過屏幕拼接與矯正，最終實現(xiàn)360°環(huán)屏無缺角投影，最終實現(xiàn)完美成像效果[6]。

拼接的主要流程：

1)通過VIRTOOLS軟件平臺向屏幕上投射均勻分布的網(wǎng)格線，受投影機(jī)角度和屏幕弧度的影響，一定會在2臺投影機(jī)交叉的屏幕帶(拼接帶)形成錯亂的重疊線。

2)通過VIRTOOLS軟件依次調(diào)節(jié)處在拼接帶重疊網(wǎng)格線的交點，使這些線在拼接帶能夠重合，使之形成較為理想的正方形。

3)記錄這些點的坐標(biāo)，并記錄保存記錄文件。

4)在使用VIRTOOLS軟件播放模塊時，讀取這個記錄文件，并將相應(yīng)的圖像顯示到相應(yīng)的坐標(biāo)點，從而達(dá)到屏幕拼接的效果。

通過屏幕拼接與矯正，最終實現(xiàn)360°環(huán)屏無缺角投影，最終實現(xiàn)完美成像效果[6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計軟件與模型制作

3.1 設(shè)計軟件

運(yùn)用Autodesk 3ds Max制作模型，運(yùn)用Adobe Photoshop CS3制作材質(zhì)貼圖。采用Edit Poly方法制作模型，保證正規(guī)四邊面，避免多面、破面、亂面等問題出現(xiàn)。采用Render to Texture技術(shù)，把場景中亮度等參數(shù)渲染到模型貼圖上，其目的就是在未來引擎中介紹不必要的實時渲染，提高軟件運(yùn)行性能。

3.2 模型制作

系統(tǒng)中制作的模型主要包括人物模型、巷道模型、靜物模型、設(shè)備模型和四種災(zāi)害發(fā)生時的動態(tài)模型等，系統(tǒng)中的模型都是用3ds Max制作而成，在模型分工之前，要確定模型定位標(biāo)準(zhǔn)，在零點附近；多邊形網(wǎng)格是構(gòu)成3D對象的頂點、邊緣和面的集合。多邊形網(wǎng)格定義每個3D角色和對象的形狀和輪廓。大型表單是由較小的相互連接的平面(通常是三角形或矩形)構(gòu)建而成的，它們像3D拼圖一樣契合在一起。多邊形網(wǎng)格中的每個頂點都存儲x、y和z坐標(biāo)信息。然后，該多邊形的每個面都包含表面信息，渲染引擎將這些表面信息用于計算漫反射和陰影(以及其他信息)。多邊形網(wǎng)格可以用于幾乎所有對象的建模。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

4.1 災(zāi)害模擬

本培訓(xùn)演練系統(tǒng)可以實現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)、頂板事故、瓦斯爆炸四大類礦井災(zāi)難的模擬：

1)礦井火災(zāi)。有的煤炭由于自身的物理、化學(xué)性具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會產(chǎn)生自燃，一旦發(fā)生火災(zāi)，工作場所狹小、電氣設(shè)備多、坑木等易燃物多，井下又有新鮮風(fēng)，不像地面火災(zāi)容易撲救。如果處理不當(dāng)，就會蔓延發(fā)展，使滅火工作更加困難。同時井下工作人員集中，難于躲避和疏散，這些都會加重火災(zāi)的損失，在系統(tǒng)中模擬的場景就是典型電氣設(shè)備火災(zāi)過程，因右前方移動變電站電纜破損短接，短路電弧引燃浮煤，進(jìn)而引燃周邊設(shè)備和易燃物品。在模擬場景中可以看到電氣設(shè)備外因火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的全過程及其對周邊的破壞嚴(yán)重后果?？梢钥吹奖粺龤У脑O(shè)備、破損的風(fēng)筒以及過火后的巷道。通過這樣的模擬，可以增強(qiáng)培訓(xùn)人員對機(jī)電設(shè)備引發(fā)的火災(zāi)危害性的認(rèn)識，也可以更加清晰和直觀地了解火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展過程。

2)礦井水災(zāi)。礦井在新建和開采過程中，地表水和地下水通過過井口、巖溶地面塌陷或溶洞、斷層帶等通道涌入到礦井。隨著季節(jié)變化也會產(chǎn)生影響，像夏季受大氣降水補(bǔ)給明顯，6～9月份涌水量明顯增大。當(dāng)涌水量超過正常排水能力時，就會發(fā)生礦井水災(zāi)。一旦發(fā)生透水，不但會影響正常生產(chǎn)，有時也會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，淹沒礦井和采區(qū)，危害十分嚴(yán)重。在仿真系統(tǒng)中模擬大量的水沖破煤層，涌入到巷道中，水平面逐漸上升，很快將巷道、設(shè)備完全淹沒。通過透水事故的模擬，可以完全地展現(xiàn)井下透水事故的發(fā)生發(fā)展過程，使培訓(xùn)人員學(xué)習(xí)預(yù)防此類事故的知識，提高自我防范意識。

3)頂板事故。在采煤過程中，由于破壞了原煤上層的壓力，破壞了原有地層的平衡狀態(tài)，使壓力分布不均勻，當(dāng)煤巖體重量大于巷道頂板所承受重量最大值，則會出現(xiàn)頂板事故。頂板事故常發(fā)生巷道上下出口、煤壁線、放頂線、地質(zhì)構(gòu)造處以及采煤工作面附近。頂板事故發(fā)生后造成人員傷亡、設(shè)備埋壓損壞、生產(chǎn)終止等的事故，頂板事故有突發(fā)災(zāi)難性，在處理事故過程中,如果措施不當(dāng)還有繼發(fā)性。在仿真系統(tǒng)中會有模擬頂板冒落的場景，突然轟塌的頂板伴隨著巨響，灰塵揚(yáng)起，巷道被堵死等災(zāi)后場景。

4)爆炸事故。當(dāng)井下存在一定濃度的瓦斯(瓦斯爆炸的界限是5%～16%)、高溫火源和充足的氧氣時，就會發(fā)生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸產(chǎn)生的熱量，使周圍氣體溫度迅速升高，爆炸瞬間的溫度會達(dá)到1 800～2 600 ℃，這樣高的溫度，不僅會燒傷人員、燒壞設(shè)備及燒損煤炭資源，還可能引起井下火災(zāi)和煤塵爆炸等次生事故，擴(kuò)大災(zāi)情,引發(fā)的帶式輸送機(jī)火災(zāi)效果如圖3。通過對爆炸的模擬，可以真實、直觀地再現(xiàn)事故發(fā)生的嚴(yán)重后果，使培訓(xùn)人員身臨其境感受瓦斯爆炸的威力，增強(qiáng)了解預(yù)防瓦斯爆炸工作的重要性。

圖3 帶式輸送機(jī)火災(zāi)效果圖

4.2 協(xié)同演練

該系統(tǒng)以游戲的方式，完成多人協(xié)同配合，展開井下救援工作，直至任務(wù)結(jié)束后升井。該系統(tǒng)以盡可能逼真的手段模擬救援過程，使參與該過程的救援隊可以盡快熟練掌握救援工作和技巧，減少真實環(huán)境下救援工作中的損失，確保更多人員的安全。同時還可以在導(dǎo)演系統(tǒng)的大屏幕上實時看到所有救援隊員的表現(xiàn)，第一時間客觀地評價救援人員的工作質(zhì)量和態(tài)度，在培訓(xùn)和考核完成可以得到演練的評價報告[7-8]。

5 結(jié)論

360°礦井安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)自投運(yùn)以來，進(jìn)行了30余次系統(tǒng)培訓(xùn)，培訓(xùn)人數(shù)多達(dá)700余人，收到社會各界人士的贊譽(yù)與好評。通過仿真系統(tǒng)對事故的仿真模擬，可以提高培訓(xùn)人員的自我安全意識和防范意識，以消除生產(chǎn)過程中的安全隱患，保障了人員及設(shè)備的安全，最終實現(xiàn)井下作業(yè)的安全生產(chǎn)。