3D虚拟仿真技术在矿山应急救援系统中的应用

郅富标

(河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000)

3D虚拟仿真技术在矿山应急救援系统中的应用

郅富标

(河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000)

鉴于目前矿山灾害时有发生，发生灾害以后，往往造成较大的人身伤亡和财产损失，如何有效的防止灾害不发生或发生以后有效的组织救援，减少损失，成为目前亟待解决的问题，虚拟仿真技术可以有效的弥补这些缺陷，利用3DMax三维制作技术，制作出三维场景，分别在计算机上虚拟仿真，可减少财政支出，提高救护队员与矿工的心理素质。

矿山灾害；三维制作技术；虚拟仿真；心理素质

引言

虚拟仿真演练系统已出现很多年，从早期军队的沙盘推演，到现今的计算机推演，正在进行着深刻的革命，虚拟仿真现在越来越多的出现在各个行业，从军队、航天、飞机、民用机械等，逐渐进入到人们的视野中，成为人们生活、工作中不可或缺的一部分。而煤炭行业近十几年以来迅猛发展，其安全状况一直堪忧，矿山应急救援演练也只是一年推演一次，其实际效果还有待提高，如能将其他行业的虚拟仿真技术移植到煤炭行业中，将会对矿工、救护人员在发生矿难时的应急救援产生深远的影响。

1. 矿山应急救援虚拟仿真演练系统的组成、原理及特点

3DMax作为现今非常流行的三维制作软件，在许多行业有非常广泛的应用，它可以非常容易的制作出各种场景的三维模型。模型制作出来以后，要用编程的方法，将各种模型连接起来，编程软件使用VC++，同时需要在平台上运行，平台使用UNITY或者OPENGL。

软件制作完成后，需要在计算机上运行，由计算机、服务器、120°弧幕、3D眼境等组成一个仿真的系统，虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。虚拟现实VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。

虚拟仿真技术具有以下四个基本特性：

(1)沉浸性(Immersion)

虚拟仿真系统中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。

(2)交互性(Interaction)

虚拟仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为(自身的语言、肢体的动作等)进行控制的，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。例如，当飞行员按动导弹发射按钮时，会看见虚拟的导弹发射出去并跟踪虚拟目标；当导弹碰到目标时会发生爆炸，能够看到爆炸的碎片和火光。

(3)虚幻性(Imagination)

即系统中的环境是虚幻的，是由人利用计算机等工具模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境，还可模拟客观世界中并不会存在的而仅仅属于人们幻想的环境。

(4)逼真性(reality)

虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。如当给虚幻物体一个作用力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生相应的加速度，当它遇到障碍物时，会被阻挡。

2. 矿山应急救援虚拟仿真演练系统开发流程

为了真实再现灾害发生的现场，采用虚拟现实技术去构建一个带有物理规则和灾害推演规则的三维场景。场景中模拟了灾害发生时的地形，建筑，物品设施，人物角色，次生灾害(爆炸，火灾，水灾和有毒烟雾)和天气(雨，雪)等三维表现以及灾难现场发出的声音，整个场景是在灾难事件，推演规则和物理规则的作用下运行，使用户产生亲临灾害发生地的感觉，并在教学培训系统的指导下正确的对灾害实施救援或者正确的规避灾害事故。开发流程如图1所示。

图1 矿山应急救援演练三维制作流程图

矿山应急救援虚拟仿真演练系统共分为三个阶段，分别从风险预控管理三维模拟仿真动漫、事故案例再现分析三维模拟仿真动漫、灾害(事故)应急救援仿真模拟软件进行开发。

第一阶段，通过建立风险及后果虚拟环境，将不安全行为操作直观地展现在学习人员面前，给学习者带来身临其境的感觉，起到教育员工、规范作业行为的作用。根据煤炭集团危险源辨识结果，在采掘、机电运输、一通三防、洗选装车、供电管理作业活动中，按风险等级选取200个较为典型的、可能直接导致人身伤害的危险源制作模拟仿真动漫。

第二阶段，主要选取煤炭集团发生的典型案例，用三维模拟仿真技术再现出来，重现事故现场，立体全景展示安全事故案例。员工可以感受到事故发生的现场环境，有效提高学习兴趣，从事故中总结经验、教训，提高安全教育的效果。

第三阶段，本部分可以快速、有效的在计算机屏幕或多通道模拟仿真投影环境上再现各种灾害(事故)发生及救援的过程。根据具体的灾害、事故，启动相应的应急救援预案，用三维仿真演示，使员工熟悉救援程序。一旦发生重大事故，能够及时汇报，及时启动预案，正确指挥、组织救援，控制和缩小事故影响范围及其危害程度，减少人员伤亡和事故损失，提高应急处理事故和救援的能力。本系统应具备人机互动式功能，可实现在线学习与考核。

矿山应急救援虚拟仿真演练系统的工作流程中，其中三维虚拟指挥大厅等四个模块会调用三维场景推演控制系统中的三维场景渲染系统并结合自己的业务逻辑结构去生成不同视角，不同信息展示方式的三维模拟场景。例如三维虚拟指挥大厅主要是提取一些灾区全局的数据，包括一些受灾面积，受灾人数和救援队伍等信息。而三维虚拟单兵作战系统侧重提取灾害现场数据，使用场景中可交互使用的物品与用户做更多的三维交互。

3.矿山应急救援虚拟仿真演练系统的结构与功能

3.1 系统的结构

矿山应急救援虚拟仿真演练系统主要包括场景任务设置、角色训练、数据查询、训练控制、记录编辑和考核等模块。

1. 场景任务设置模块

根据不同的训练任务，为训练者提供一个虚拟的训练场景，并在场景内设置相应的灾害或突发事故现象，形成一个逼真的虚拟演练环境。

2. 角色训练模块

演练系统提供针对不同角色进行训练的功能。根据登录的不同角色，系统提供不同的能力和权限。根据在应对灾害时职责和所需能力的不同。角色主要包括以下几类：矿工、矿山救护队员、指挥中心等。

3. 数据查询模块

在训练过程中产生大量数据，查询模块目的是方便决策者查询、观看和使用这些数据。系统提供各种工具和功能，可方便对训练的全过程进行全方位观看和数据查询。

4. 训练控制模块

演练环境是由“场景及任务设置模块”初始化设置确定的。但为了提高对突发事件处理能力的训练效果，需要在训练的途中，添加各种突发事件。为此，系统在训练过程中提供人为添加和改变演练环境的功能，具体功能包括：外部环境状况调整、灾情状况调整、救援力量调整、新任务下达、其他突发事件等。

5. 记录编辑模块

记录并能回放整个训练过程，包括所有的事件细节、处理过程、通信语音录音等。该模块为训练总结、处置预案生成提供手段。

6. 考核模块

考核分为预案演练考核和突发事件演练考核。预案演练考核是根据预案演练的结果，对比已有预案，并产生考核结果。考评结果与演练记录均可进行保存、分发和查询。

3.2 系统的功能

矿山应急救援虚拟仿真演练系统主要包括两种训练模式：预案训练模式和突发事件训练模式。

预案训练模式是让操作者按照预案规定的内容，各司其职，完整地按照预案执行救援的全过程。预案训练将预案变得可以执行，并形成了一个考核手段。

突发事件训练模式就是在训练的过程中，由系统操作人员进行干预操作，例如设置一次火灾、瓦斯爆炸等，训练对突发事件的反应和指挥能力。

4. 结论

矿山虚拟仿真应急救援演练系统不仅能进行整个矿山救护队虚拟仿真推演，也可以进行矿山救援队员虚拟仿真推演，还可以矿山救护与矿工联合推演。

该系统能使救护指战员在不受实际现场条件的影响下，提前适应事故现场的氛围，调整自己的心理、生理状态，以沉着、冷静的心态做出科学判断，减少事故救援中的人员伤亡和财产损失。

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

郅富标(1976- )，男，硕士，河南理工大学高职学院讲师，从事煤矿井下供电、矿山自动化的教学及研究。

TP242

A

1671-3974(2017)01-0054-03