基于虚拟现实技术的非煤矿山救护队培训系统设计与实现*

胡东涛，黄　浪，周焕明，孙　莹，路　昊，岑元刚

(1. 武汉理工大学，湖北 武汉 430081; 2. 中钢集团武汉安全环保研究院，湖北 武汉 430081)

0　引言

非煤矿山救护队是非煤矿山事故灾害应急救援的专业队伍和主要力量[1]，目前针对非煤矿山救护队员和非煤矿山相关工作人员的应急救援培训方法很多，如电视教学、上课培训、实地操练、模拟灾害培训等，但这些方法都表现出许多不足之处，如培训效果不佳、不能适应复杂的变化、花费太大、缺少灵活度、缺少信息资源等。因此，为全面提高非煤矿山救护队员的业务素质和技战术水平，增强其对各类非煤矿山事故的救援能力和救援效率，有必要利用现代科学技术探索新的能够模拟真实环境、真实救灾过程的与高效直观的非煤矿山应急救援培训考核模式。

虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，简称VRT)是近几年来随着计算机软、硬件技术的发展而快速崛起的高新图形学仿真技术[2-3]。运用虚拟现实技术，用户可以直观地、身临其境地“沉浸”到所创建的智能虚拟环境中，依靠自己的感知和认知能力全方位地获取知识和信息，充分发挥主观能动性，与其中的虚拟事物发生直接、自然的相互作用，虚拟场景中的事物根据用户的操作发生逼真的反馈。目前虚拟现实技术已经被广泛运用到军事、医学、工程制造、教育训练、航空航天、科学研究等各个领域中[4]。

虚拟现实技术在矿山生产及应急救援等方面的研究与应用备受关注，例如基于虚拟现实技术的综采工作面[5-6]、采区[7]、地下金属矿智能调度[8]、矿山开采[9]、地下矿生产可视化管控系统[10]等的研究。在矿山事故应急救援方面，例如在矿井突水应急虚拟仿真[11]、三维矿井仿真[12]、井下火灾事故人员逃生可视化[13]等方面的研究。这些研究取得一定应用成效，但只是关注某种事故类型的研究，比如火灾、水灾，或者只是关注灾害发生过程，缺乏系统性与全面性，即在面向救护队救援能力的综合培训考核方面的研究还有欠缺。因此，探讨利用虚拟现实技术，研究与开发针对非煤矿山救护队员的培训和考核系统，使非煤矿山救护队及相关矿山工作人员的应急救援培训考核更加安全、高效、系统和节约。

1　硬件系统设计

基于系统集成的特点，本文首先介绍系统硬件系统。为更好的发挥虚拟现实技术的特点和提供更好的操作体验，并达到更好的培训效果，采用可视立体现实技术和多点触摸技术，设计双屏触摸一体机，上屏为客户端，下屏为服务器。针对主屏和小屏的屏幕尺寸，主屏使用红外触摸屏，小屏使用电容触摸屏。2种触摸屏均支持多点触摸，支持多点触摸手势的识别。用户通过指纹登录服务器，可控制进入不同的培训或考核模块，查看救援相关的规程和工器具的使用方法等。客户端主要负责显示三维虚拟场景和人机交互。双屏应急救援培训考试机如图1所示，其功能结构原理如图2所示。

图1　双屏培训考试机Fig.1　Double screen training machine

图2　双屏培训考试机功能Fig.2　Function of the double screen training machine

2　软件系统设计与实现

2.1　系统整体流程设计

按照系统设计功能，为达到学习、培训和考核的目的，进入系统以后可以根据需要选择考核模式、陪训或学习模式。系统整体流程设计如图3所示。

图3　系统整体流程Fig.3　Overall system flow

2.2　系统功能设计

非煤矿山救护队应急救援虚拟仿真培训考核系统是一个复杂系统，科学的体系框架和功能设计对提高救护队应急救援培训考核质量至关重要。系统遵循建模、仿真、表现一体化的方法论，借助虚拟现实技术，按照救护队应急预案的流程，设置相应的三维场景、事件，并虚拟救援的动态过程。系统功能设计主要包括用户管理、多媒体演示培训、专项训练与考核、综合训练与考核，按照相关规程[14,15]和相关的装备使用规范设计相应的考题。在训练模式，可选择需要训练的模块，并会提示相应的救援步骤和动作。在考核模式，可手动选择考核模块或自动选择考核模块。功能设计框架如表1所示。

表1　系统功能设计

2.3　系统架构设计

系统采用C/S模式，整体设计框架包括几何建模、动画建模、信息数据库和场景驱动，其中，几何建模包括矿山基本模型、矿难显示模型、虚拟人模型、救护装备模型、专项训练模型等主要的三维几何模型；动画模型是指1组相关动画的组合序列，本系统中具体包括矿山动态模型(包括同步地图)、虚拟队员(救护队)行为模型、救护装备动态模型、专项训练动态模型；在引擎的基础上设计场景驱动，场景驱动包括矿山状态控制、救护队员行为控制、施救过程控制、分数评估系统控制。最后驱动加载场景渲染、读取静态和动态模型，完成系统的各项功能。系统框架设计如图4所示。信息数据库为系统提供数据支撑，其原理架构如图5所示。

图4　系统框架设计Fig.4　Framework of the system design

图5　系统数据管理逻辑关系Fig.5　Logical relationship of data management system

3　系统实现关键技术

1)3D显示端技术：使用高效的场景管理技术，系统以C++和DirectX构建快速渲染环境，采用八叉分割树缩小检测范围，使用高效的隐藏面剔除技术、层次细节技术等来显示大规模场景；使用灯光贴图和动态光照技术，降低材质数量对内存的消耗，并节省烘培时间；使用高精度烘焙场景模型，用3dsmax以及vray为若干种情况下的灯光单独计算光照贴图，配合3D引擎合理划分材质坐标(uv)；使用三维骨骼动画技术，数字化模拟队员各种行为特性。

2)人性化用户体验技术：配合双屏培训考试机，采用多点触控技术，通过Gesture API，系统实现划动和缩放手势的应用。在虚拟漫游方面，系统使用相机操作与角色行走技术控制。为了使各种相机运动流畅合理，采用高效碰撞检测技术，使用aabb tree和包围盒碰撞，支持离散点的碰撞检测和连续碰撞检测。

3)自动寻路A*算法：系统采用导航网格(NavMesh)的数据结构，设计合适的寻路空间的数据结构，应用A*算法为跟随小队长的救护队员进行寻路。

4)导航网格：为了减少计算复杂度，通过寻找覆盖给定区域的最简凸多边形、删除无关节点、细分后合并类似凸多边形，将3D空间简化为更惯用的2D空间的方法，使用1个凸多边形的网格来将3D空间表现为1个不规则的2D场地。在此过程中，把三角形构造成更高层次的单元以减少内存使用，并适应某1个区域的导航网格需要动态更新的情况。

4　结论

1)为更好地发挥虚拟现实技术的特点和提供最好的操作体验，成功设计与开发非煤矿山救护队应急救援双屏培训考核硬件系统。

2)利用虚拟现实技术构造出三维立体的矿山动态环境和灾害场景，将错综复杂的巷道网络、救护装备用三维的方式清楚地表达，救护队员可以通过人机交互模块参与和“浸入”虚拟矿山动态环境和虚拟救援动态过程中，通过控制虚拟队员的行动来进行近似于实战的专项训练、综合培训与考核，从而提高培训和演练效果。

3)系统可用较小的费用仿真多种形式的非煤矿山事故场景，并可用虚拟仿真技术构造多种超越现实演练的虚拟环境，实现安全高效演练。

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