矿山救援人员培训中新技术的研究

程 家

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西 高平 048400）

1 引言

灾难发生后的救援是否能成功很大程度取决于救援人员的能力。由于方式及技术方面的原因，以往的培训效果差，导致在救援时不能很好地完成救援任务。提高培训效果最有效的方法是在接近真实的状况下训练，但该方法需要投入大量的资源与人力，而且要做到真实模拟井下灾害是不可能实现的。本文为此研究了一种能有效避免这些弊端的新型的矿山应急救援培训系统。

2 虚拟现实技术

虚拟现实技术是采用以计算机技术为核心的多种技术（包括图形学、仿真学、传感技术、人工智能等多种技术）生成一个接近真实的虚拟环境且具有多种感知能力的计算机系统。使用者可以通过一些装置来与虚拟世界中的物体进行交互，可以产生与在真实的环境中一样的感觉。

虚拟现实系统由产生虚拟世界的计算机、物体模型的建立、立体声的产生、数据的存放库和管理的应用软件系统、人与虚拟世界交流的输入输出设备、放置所有物体各方面信息的数据库和用户组成，如图1所示。想象性、交互性、沉浸性是虚拟现实系统的主要特征。

图1 虚拟现实系统图

3 矿山应急救援培训系统关键技术研究

3.1 煤矿生产设备的建模

传统中用 Multi Creactor、Maya或 OpenGL、DirectX或VRML等几何造型技术进行几何建模，缺点是构建稍有点难度的模型模拟出来的结果与实物之间仍有很大差别。而图像建模技术却可以通过普通的相机获取图像，还可以通过图像抽取表面纹理和光照信息来建立几何模型，操作简单，十分便捷。采用图像建模技术除了可以满足模型的高真实感的构建矿井仿真系统的要求，还可以低成本、高效率的建模。

3.2 煤矿巷道的三维建模

（1）煤矿井巷是线性分布的，为使巷道模型更快的建立并且使每条巷道更易表述，将巷道分为巷道体和巷道节点。要建立三维模型，可以通过三维矢量的表面模型线框来建立。巷道是由一系列局部巷道组成。巷道主要由巷壁、巷顶面和巷底面组成。巷道断面以矩形、拱形和梯形为主。巷道断面形状图如图2所示。

图2 巷道断面

（2）场景编辑器WYSIWYG的建模环境可以更便捷地建立模型，是特有的地形处理工具，使用者可以通过这些工具来对建立的虚拟世界进行控制。这些工具包括拱形面构造工具、斜面构造工具、巷道高度调整工具、转角去除工具。这些工具主要靠下面几种函数来建立：可以实现对指定的位置空间进行八叉树递归遍历的loopelxy（b），可以建立拱形面的arch（int sidedelta，int a），可以建立斜面的slope（intxd，int yd），可以用来自动测定巷道高度的editheightxy（bool isfloor，int amount，block ＆ sel）和可以叠加相近的选择的方形区域的数据。通过场景编辑器的处理，使用者视野的景象就会被处理成为有规则的场景，在点击保存后，数据就会被按照一定方式存入文件中。

（3）巷道体的建模

① 巷道壁的建模主要通过loopselxy函数和slpoe函数，需要建立的巷道壁模型大体可以分成斜面型巷、竖直巷。斜面巷的断面形状为梯形断面，斜面巷的建模需要首先确定水平切面范围，之后通过slope函数进行墙体数据筛选，提出下三角体区域内的正方形。竖直巷的断面形状包括矩形断面和拱形断面，但竖直巷的建模比斜面巷建模简单，只需确定墙体的水平切面，就可通过编辑器快速生成三维巷壁。

② 巷顶的建模包括平行巷顶的建模和拱形巷顶的建模。场景建立时，编辑器会初始化天空盒，平行巷就自动建立了，只要改变巷道宽度就完成了。拱形巷顶建模需要进行预处理。巷道的主要构成已经建模完成，局部巷道就是这些巷道构成部分有规律组合成的，连续的局部巷道就是巷道体。

3.3 虚拟人物的建模

人物模型的建立是通过3DS-MAX建模工具，先完成简单的步骤，之后再进行复杂的程序。先对各个器官进行建模，最后再进行人物整体的建模。鼻子、眼睛、头发和嘴巴需要更多的复杂的几何来建立模型，而上体、头、腿等这些部分建模时只需要用较少的几何来建立就可以。最后进行修补和对穿着模型建立，这样就做完了人物模型的建立。

4 矿山应急救援培训系统中虚拟现实技术的应用

（1）设备仪器使用模拟

救援设备包括氧气呼吸器、自动苏生器、瓦斯检定器等。将应急救援设备模型放在虚拟场景中，通过演示来让参与的人直观、全面地观看设备和仪器的使用方法，掌握操作要领，之后要在特定的场景中让参与人员操作救援仪器和设备，并进行考核，使学习人员更有效地掌握救援设备的作业位置、摆放方法、使用方法、使用注意事项、故障类型、事故后果及救援措施等，确保在实际救援中可以用到所学知识。

（2）一般技术操作模拟训练

根据矿山应急救援训练的相关规定要求，设置能真实模拟实际救援过程的场景，让学员因地制宜在仿真场景中运用所学知识，使学员能熟练运用学到的知识，让学员的环境适应能力和危机处置能力得到增强，更好地救助被困人员。

（3）模拟救灾实战训练

在矿山生产中，常见的主要灾害为瓦斯爆炸和水灾，经常会引发严重的事故，造成巨大的人员伤亡和经济损失。采用基于虚拟现实技术的矿山应急救援培训系统可以对各种灾害真实地进行模拟，可以对灾害的主要发生原因、发生前的征兆、如何提前预防、救灾方法和人员的救援方法向培训人员演示。同时该系统也可以真实模拟各种井下灾害事故发生后，学员相互配合的操作仪器设备和进行一般的技术操作来实现救援，并且可以让救援指挥人员锻炼其指挥下级和其救援整体布局的能力，最终使参与训练的人员能学会在救援时如何更好的合作，提高整体救援能力。

5 结论

（1）矿山应急救援培训系统是基于虚拟现实技术将人、机、环境以一种非常协调的方式虚拟地结合起来，避免了传统培训的缺陷，不需要大量的资源投入，使真实的模拟事故现场培训成为可能，提高了培训效果，对矿山救援人员培训具有重要的意义和作用。

（2）矿山应急救援培训系统中，主要通过基于图像的建模技术来对设备进行建模，通过一种场景编辑器WYSIWYG进行三维巷道的建模，通过3DS-MAX建模技术来对虚拟人物进行建模。

（3）该系统可以真实地让学员体验到救援设备使用步骤和灾害发生后的救援过程，能让学员了解矿井灾害的发生过程和原理及其他知识、体验井下环境、熟练掌握救援技术和提高救援时的判断能力，同时可以提高学员培训学习的积极性，从而极大提高培训效率。

（4）这种系统的研究开发对提高矿山应急救援培训效果具有重要的作用，可以极大增强救援人员在面对灾害时的救援能力。