巷道掘進(jìn)爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建*

張飛燕，溫佳宇，韓 穎

(1.河南理工大學(xué) a.安全科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作 454003)

“爆破安全”、“爆破工程”均為我校安全工程、土木工程專業(yè)的核心課程，主要講述爆破理論基礎(chǔ)、工業(yè)炸藥、起爆技術(shù)、巖石爆破理論、礦山與地下工程爆破技術(shù)及安全、爆破危害與安全防控、爆破安全管理等內(nèi)容[1,2]。巷道掘進(jìn)爆破安全實(shí)驗(yàn)是上述課程的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在以下問題：①實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高。爆破實(shí)驗(yàn)安全要求高，實(shí)驗(yàn)涉及到的雷管、炸藥等均為國家嚴(yán)格管控的高危險(xiǎn)性爆破器材，實(shí)驗(yàn)環(huán)境極端復(fù)雜且過程不可逆。②實(shí)驗(yàn)條件不可及。GA990—2012《爆破作業(yè)單位資質(zhì)條件和管理要求》[3]規(guī)定：爆破作業(yè)按照要求實(shí)施資質(zhì)管理，“非營業(yè)性條件要求”國內(nèi)各高校均不具備。③爆破有害效應(yīng)多。井下爆破產(chǎn)生的有毒有害氣體、粉塵、爆破振動(dòng)、爆破沖擊波等危害，不僅會(huì)造成大氣環(huán)境及地下水資源污染、巷道圍巖損傷、工人炮煙中毒等，而且一定程度上還會(huì)誘發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等次生災(zāi)害?；谝陨犀F(xiàn)實(shí)問題，探索新型、有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段迫在眉睫。

近年來，教育部連續(xù)出臺(tái)了一系列政策，大力支持與推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目研究。教育部高等教育司在其發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函〔2013〕94號)中明確指出：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)是構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]；《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函〔2018〕5號)中指出：國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[5]。

在此背景下，各高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作開展得如火如荼[6-11]。筆者借助虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建了巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)并已上線運(yùn)行[12,13]，讓學(xué)生能夠在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展爆破實(shí)驗(yàn)、模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)爆破方案設(shè)計(jì)、爆破施工、爆破危害監(jiān)測與分析三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；但美中不足的是，該平臺(tái)尚未涉及井巷掘進(jìn)爆破事故的處理，即事故應(yīng)急救援。為此，本文以井巷掘進(jìn)爆破過程中的典型事故—炮煙中毒為例，構(gòu)建炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真系統(tǒng)，以期對巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)加以拓展與延伸。

1 虛擬仿真系統(tǒng)模塊設(shè)置

基于煤礦真實(shí)掘進(jìn)巷道，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[14]，結(jié)合煤礦事故應(yīng)急救援要求與內(nèi)容[15]，參考爆破事故應(yīng)急救援預(yù)案[16]，虛擬仿真系統(tǒng)模塊設(shè)置為兩部分：工人自救互救模塊、救援人員救援模塊，如圖1所示。

圖 1 虛擬仿真系統(tǒng)模塊設(shè)置Fig. 1 Module setup of virtual simulation system

1.1 主場景模塊

主場景是系統(tǒng)的初始界面，可進(jìn)行角色選擇操作。根據(jù)系統(tǒng)模塊設(shè)置，人物角色分為兩類：工人、救援人員；不同角色將進(jìn)入不同的任務(wù)場景。

1.2 工人自救互救模塊

工人自救互救模塊主要包括以下內(nèi)容：工人選擇下井裝備、佩戴自救器后進(jìn)入掘進(jìn)巷道、協(xié)助炮煙中毒人員佩戴自救器并攙扶其撤離災(zāi)區(qū)、向地面調(diào)度室報(bào)警等。

該模塊設(shè)置思路如下：

(1)在主場景模塊，選擇人物角色為工人。

(2)進(jìn)入工人自救互救模塊后，首先選擇下井裝備。

(3)工人穿戴好下井裝備后，按提示向掘進(jìn)巷道行進(jìn)。

(4)發(fā)現(xiàn)炮煙中毒工人，及時(shí)檢查中毒人員身體狀況，并協(xié)助尚有活動(dòng)能力的輕度中毒人員撤離工作地點(diǎn)。

(5)人員撤至安全地點(diǎn)后，利用井下調(diào)度電話，向地面調(diào)度室報(bào)警，請求救援。

1.3 救援人員救援模塊

救援人員救援模塊主要包括以下內(nèi)容：救援人員選擇救援設(shè)備、到達(dá)事故地點(diǎn)將炮煙中毒者抬至新鮮風(fēng)流處、進(jìn)行人工呼吸等。

該模塊設(shè)置思路如下：

(1)救援人員下井前，首先選擇生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設(shè)備等救援裝備。

(2)根據(jù)提示箭頭到達(dá)事故發(fā)生地點(diǎn)。

(3)檢查重度中毒人員的呼吸、心跳等情況后，用擔(dān)架將其抬至新鮮風(fēng)流處。

(4)對重度中毒人員進(jìn)行人工呼吸急救。

(5)重度中毒人員恢復(fù)意識(shí)，救援成功。

2 巷道掘進(jìn)爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建

巷道掘進(jìn)爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真系統(tǒng)采用3D Max軟件建模，采用Unity 3D軟件、按主場景模塊→工人自救互救模塊(worker場景)→救援人員救援模塊(rescuer場景)順序依次進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，使用W、A、S、D四鍵控制角色移動(dòng)。根據(jù)真實(shí)巷道規(guī)格與尺寸，按1∶1比例構(gòu)建的煤礦掘進(jìn)巷道模型如圖2所示。

2.1 主場景開發(fā)

系統(tǒng)主場景由3D物體與UI界面組合構(gòu)成，其界面如圖3所示。點(diǎn)擊worker按鍵進(jìn)入工人自救互救模塊，點(diǎn)擊rescuer按鍵進(jìn)入救援人員救援模塊，點(diǎn)擊Exit則退出系統(tǒng)。主場景運(yùn)行時(shí)，兩人物角色處于奔跑狀態(tài)。

圖 2 掘進(jìn)巷道模型Fig. 2 Roadway model

圖 3 系統(tǒng)主場景界面Fig. 3 Main scene interface

2.2 工人自救互救模塊開發(fā)

根據(jù)設(shè)置思路，工人自救互救模塊開發(fā)步驟如下：

(1)過場動(dòng)畫

該模塊共設(shè)置6個(gè)UI界面、5個(gè)相機(jī)。進(jìn)入該模塊后，首先播放一段過場動(dòng)畫，展示炮煙產(chǎn)生與工人中毒倒地的過程[17]，如圖4所示。工人炮煙中毒程度設(shè)置為兩種：①重度中毒，工人直接倒地、喪失活動(dòng)能力；②輕度中毒，工人具有活動(dòng)能力，在攙扶下可進(jìn)行撤離。

圖 4 過場動(dòng)畫Fig. 4 Cutscenes

(2)下井裝備選擇界面

過場動(dòng)畫播放完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下井裝備選擇界面，如圖5所示。在此界面中，用戶需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊UI界面裝備按鈕，選擇下井裝備—礦燈與自救器后，向掘進(jìn)巷道行進(jìn)；工人若未穿戴下井裝備，后續(xù)操作將無法進(jìn)行。通過該種設(shè)計(jì)方式，強(qiáng)化用戶下井前必須佩戴礦燈與自救器的安全意識(shí)。

圖 5 下井裝備選擇界面Fig. 5 Equipment selection interface before entering the coal mine

(3)工人自救互救界面

進(jìn)入掘進(jìn)巷道后，工人在倒地工友附近站立2秒，即可觸發(fā)撤離按鈕，如圖6所示。點(diǎn)擊“攙扶撤離”按鈕，工人將協(xié)助輕度炮煙中毒人員佩戴自救器并協(xié)助其撤離事故地點(diǎn)，如圖7所示。

圖 6 工人自救互救起始界面Fig. 6 The starting interface of workers′ self-rescue and mutual rescue

圖 7 攙扶撤離界面Fig. 7 Assist evacuation interface

(4)報(bào)警界面

協(xié)助輕度中毒人員撤至安全地點(diǎn)后，工人到井下調(diào)度電話旁停留2秒，即可觸發(fā)報(bào)警界面，如圖8所示。點(diǎn)擊“報(bào)警”按鈕，工人將向地面調(diào)度室報(bào)警，請求救援。

圖 8 報(bào)警界面Fig. 8 Alarm interface

(5)任務(wù)完成界面

前述任務(wù)全部完成后，將顯示任務(wù)完成界面，如圖9所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進(jìn)行任務(wù)，也可選擇返回主場景。

圖 9 任務(wù)完成界面Fig. 9 Mission completed interface

2.3 救援人員救援模塊開發(fā)

(1)救援裝備選擇界面

救援裝備選擇界面如圖10所示。在此界面中，設(shè)置有救援裝備背包，主要包括生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設(shè)備；其中，正壓氧氣呼吸器、急救包點(diǎn)選即完成穿戴，生命探測儀與通訊設(shè)備則在電腦屏幕中央360°旋轉(zhuǎn)展示。救援人員必須配備全部救援裝備后，方可進(jìn)行后續(xù)操作。

圖 10 救援裝備選擇界面Fig. 10 Rescue equipment selection interface

(2)抬出中毒人員界面

救援人員到達(dá)炮煙中毒事故現(xiàn)場后，在重度中毒人員附近站立2秒，系統(tǒng)便會(huì)彈出“請將中毒者抬到有新鮮風(fēng)流的地方，并立即展開急救”的提示框，如圖11所示。點(diǎn)擊“前往進(jìn)風(fēng)巷”按鈕，將播放抬出中毒人員的動(dòng)畫，如圖12所示。

圖 11 救援提醒界面Fig. 11 Rescue reminder inerface

(3)人員急救界面

重度中毒人員被抬至進(jìn)風(fēng)巷后，系統(tǒng)激活相應(yīng)攝像機(jī)，進(jìn)入人員急救界面。根據(jù)UI提示，點(diǎn)選揭開衣服、檢查脈搏、人工呼吸三步急救，每步均有相應(yīng)動(dòng)畫演示，如圖13所示。

圖 12 抬出中毒人員界面Fig. 12 The inerface of carrying out the poisoned person

圖 13 人員急救界面Fig. 13 First aid interface

(4)救援成功界面

人員急救步驟完成后，將進(jìn)入救援成功界面，并提示“工人蘇醒，請立即送往就近醫(yī)院進(jìn)行治療”，如圖所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進(jìn)行救援任務(wù)，也可選擇返回主場景。見圖14。

圖 14 救援成功界面Fig. 14 Rescue success interface

2.4 系統(tǒng)完善

系統(tǒng)完善主要包括添加背景聲音、人員腳步聲音以及操作提示按鈕等，用以提升用戶體驗(yàn)與沉浸感。此外，在系統(tǒng)任一界面，均在左下角設(shè)置有操作提示按鈕，點(diǎn)擊即可彈出相應(yīng)操作說明；在右下角設(shè)置有返回按鈕，點(diǎn)擊將退出當(dāng)前界面，并返回主場景。

3 結(jié)語

本文借助虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采用3D Max軟件建模及Unity 3D軟件開發(fā)等手段，構(gòu)建了巷道掘進(jìn)爆破炮煙中毒應(yīng)急救援虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)爆破炮煙中毒事故演示、工人自救互救及救援人員救援兩大環(huán)節(jié)實(shí)操。該系統(tǒng)是巷道掘進(jìn)爆破安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的拓展與延伸，既可用于安全工程、土木工程專業(yè)本科生及研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于礦山開采、工程爆破等領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)教學(xué)。