基于虚拟仿真技术开发的安全培训演练系统

2021-09-01刘晓丹张东旭赵英君史锐

煤矿机电 2021年3期

刘晓丹，张东旭，赵英君，史锐

(1.中国煤炭科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺 113122)

0 引言

矿井开采是一项高危行业，井下客观存在的危险源，井下作业人员违章指挥、作业，都会给井下工作人员带来灾难性的后果。据不完全统计，2020年上半年全国煤矿企业共发生安全事故37起，死亡65人。从统计数据可以看出，井下安全问题仍然突出，因此，做好井下工作人员的安全培训，对于增强安全防范意识，提高安全技能及对各种突发事件的应对能力，杜绝违规作业，切实消除生产中可能存在的各种隐患，降低安全事故的发生，保障安全生产具有重要意义。针对传统安全培训方式存在无法调动培训人员的积极性、主动性和培训效果差的不足，本文基于虚拟仿真技术，设计开发了煤矿安全培训演练系统。

1 系统介绍

中煤科工集团沈阳研究院有限公司引进国际先进三维仿真技术与软、硬件平台，搭载智能化立体显示设备，开发出符合我国国情的煤矿安全培训演练系统[1-3]。通过对事故的建模与仿真分析，将分析计算的过程数据作为描述事故发生、发展过程的理论依据，应用虚拟现实仿真工具研发该事故展示模块，通过硬件平台(360°环幕投影系统)，逼真地再现事故发生、发展过程，分析设备安全对事故性发生的影响，为矿山事故技术鉴定提供依据。仿真系统采用虚拟现实技术、360°环屏投影播放技术、投影系统直径10 m，高4.5 m，12.1环绕立体声技术、3D电影技术、计算机网络协同处理技术、让用户佩戴专业立体眼镜既可在任意角度下呈现井下立体画面。立体显示场景逼真，设备坚定稳固，为作业人员安全和技能培训提供一流的“沉浸式”培训环境。

系统平台分为12通道投影机融合系统、视频处理系统、音频系统、计算机集群系统、UPS稳压系统组成[4-5]。硬件平台架构如图1所示。

图1 系统硬件平台架构图

2 系统关键技术

为逼真模拟事故发生、发展演变过程，全方位观察事故发生过程中环境的变化和设备的破坏过程，分析事故发生的条件，硬件平台采用360°环屏“沉浸式”投影系统，采用6通道主动立体投影方式，虚拟仿真系统采用高性能图形工作站组成多通道集群渲染，每台工作站对系统的一个界面进行渲染，满足多路显示面的立体显示与同步。利用先进的图形显卡，基于DirectX11,实现各种先进图形的特效。采用PBS(基于物理的着色)可以以一套友好的参数更加真实地实现金属、塑料、木质、布料等各种材质。支持CAE集群计算、用户多级授权管理、支持OPENGL和Directx图形渲染协议、支持三维图形交互软件的高清远程交互。此外系统还配置了中控系统，通过触屏的管理界面进行系统的统一管理与信号切换，可支持多种受控设备。安全培训演练的效果如图2所示。

2.1 基于软件的屏幕成像技术

系统由6台主动立体投影机分别向6个方向投影，投影到一个高4 m、直径10 m的环形屏幕上，从而形成了6个拼接带。采用VIRTOOLS作为虚拟现实软件平台，依托中煤科工集团沈阳研究院有限公司硬件平台研制了模块的播放形式，投影机采用立体主动式投影机，亮度可达12500流明、对比度高，成像清晰，即使在黑暗的环境如井下也能够完成影像投影。金属机械式支撑骨架采用高强度钢材料，能够支撑较大重量，单体支撑效果好，造型美观，可以对屏幕与相关设备起到强有力的支撑作用，还能够对屏幕整体形状进行定型。数据可视化处理在图形处理能力上对于系统的要求非常苛刻，需要用专业级的图形工作站。系统中图形工作站采用64位高端图形工作站，具有强大的信息处理功能，每一台投影机对应一台图形工作站，实时进行三维图像的计算输出，是立体虚拟仿真技术实现的核心设备。

图2 3D-VR煤矿事故仿真和安全培训演练系统效果图

2.2 屏幕拼接与几何矫正技术

屏幕拼接采用硬件拼接技术，系统包含的6台主动立体投影机中，每台投影机负责投影角度60°，但实际投影角度达到80°，两边各余出10°进行拼接，此方法的拼接效果比较理想，避免重复调试。

几何矫正原理：在投影机投影重叠的地带会显示多个方格，通过显示横竖多个方格时的效果进行挪、移、挤等操作实现屏幕的各个方格能够均匀地投在弧形屏幕上。记录各个方格的4个点的投影位置来实现几何矫正。通过屏幕拼接与矫正，最终实现360°环屏无缺角投影，最终实现完美成像效果[6]。

拼接的主要流程：

1)通过VIRTOOLS软件平台向屏幕上投射均匀分布的网格线，受投影机角度和屏幕弧度的影响，一定会在2台投影机交叉的屏幕带(拼接带)形成错乱的重叠线。

2)通过VIRTOOLS软件依次调节处在拼接带重叠网格线的交点，使这些线在拼接带能够重合，使之形成较为理想的正方形。

3)记录这些点的坐标，并记录保存记录文件。

4)在使用VIRTOOLS软件播放模块时，读取这个记录文件，并将相应的图像显示到相应的坐标点，从而达到屏幕拼接的效果。

通过屏幕拼接与矫正，最终实现360°环屏无缺角投影，最终实现完美成像效果[6]。

3 系统设计软件与模型制作

3.1 设计软件

运用Autodesk 3ds Max制作模型，运用Adobe Photoshop CS3制作材质贴图。采用Edit Poly方法制作模型，保证正规四边面，避免多面、破面、乱面等问题出现。采用Render to Texture技术，把场景中亮度等参数渲染到模型贴图上，其目的就是在未来引擎中介绍不必要的实时渲染，提高软件运行性能。

3.2 模型制作

系统中制作的模型主要包括人物模型、巷道模型、静物模型、设备模型和四种灾害发生时的动态模型等，系统中的模型都是用3ds Max制作而成，在模型分工之前，要确定模型定位标准，在零点附近；多边形网格是构成3D对象的顶点、边缘和面的集合。多边形网格定义每个3D角色和对象的形状和轮廓。大型表单是由较小的相互连接的平面(通常是三角形或矩形)构建而成的，它们像3D拼图一样契合在一起。多边形网格中的每个顶点都存储x、y和z坐标信息。然后，该多边形的每个面都包含表面信息，渲染引擎将这些表面信息用于计算漫反射和阴影(以及其他信息)。多边形网格可以用于几乎所有对象的建模。

4 系统实现的功能

4.1 灾害模拟

本培训演练系统可以实现火灾、水灾、顶板事故、瓦斯爆炸四大类矿井灾难的模拟：

1)矿井火灾。有的煤炭由于自身的物理、化学性具有自燃性，与空气接触后能氧化生热，如果散热条件不好，就会产生自燃，一旦发生火灾，工作场所狭小、电气设备多、坑木等易燃物多，井下又有新鲜风，不像地面火灾容易扑救。如果处理不当，就会蔓延发展，使灭火工作更加困难。同时井下工作人员集中，难于躲避和疏散，这些都会加重火灾的损失，在系统中模拟的场景就是典型电气设备火灾过程，因右前方移动变电站电缆破损短接，短路电弧引燃浮煤，进而引燃周边设备和易燃物品。在模拟场景中可以看到电气设备外因火灾发生发展的全过程及其对周边的破坏严重后果。可以看到被烧毁的设备、破损的风筒以及过火后的巷道。通过这样的模拟，可以增强培训人员对机电设备引发的火灾危害性的认识，也可以更加清晰和直观地了解火灾的发生发展过程。

2)矿井水灾。矿井在新建和开采过程中，地表水和地下水通过过井口、岩溶地面塌陷或溶洞、断层带等通道涌入到矿井。随着季节变化也会产生影响，像夏季受大气降水补给明显，6～9月份涌水量明显增大。当涌水量超过正常排水能力时，就会发生矿井水灾。一旦发生透水，不但会影响正常生产，有时也会造成人员伤亡和财产损失，淹没矿井和采区，危害十分严重。在仿真系统中模拟大量的水冲破煤层，涌入到巷道中，水平面逐渐上升，很快将巷道、设备完全淹没。通过透水事故的模拟，可以完全地展现井下透水事故的发生发展过程，使培训人员学习预防此类事故的知识，提高自我防范意识。

3)顶板事故。在采煤过程中，由于破坏了原煤上层的压力，破坏了原有地层的平衡状态，使压力分布不均匀，当煤岩体重量大于巷道顶板所承受重量最大值，则会出现顶板事故。顶板事故常发生巷道上下出口、煤壁线、放顶线、地质构造处以及采煤工作面附近。顶板事故发生后造成人员伤亡、设备埋压损坏、生产终止等的事故，顶板事故有突发灾难性，在处理事故过程中,如果措施不当还有继发性。在仿真系统中会有模拟顶板冒落的场景，突然轰塌的顶板伴随着巨响，灰尘扬起，巷道被堵死等灾后场景。

4)爆炸事故。当井下存在一定浓度的瓦斯(瓦斯爆炸的界限是5%～16%)、高温火源和充足的氧气时，就会发生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸产生的热量，使周围气体温度迅速升高，爆炸瞬间的温度会达到1 800～2 600 ℃，这样高的温度，不仅会烧伤人员、烧坏设备及烧损煤炭资源，还可能引起井下火灾和煤尘爆炸等次生事故，扩大灾情,引发的带式输送机火灾效果如图3。通过对爆炸的模拟，可以真实、直观地再现事故发生的严重后果，使培训人员身临其境感受瓦斯爆炸的威力，增强了解预防瓦斯爆炸工作的重要性。

图3 带式输送机火灾效果图

4.2 协同演练

该系统以游戏的方式，完成多人协同配合，展开井下救援工作，直至任务结束后升井。该系统以尽可能逼真的手段模拟救援过程，使参与该过程的救援队可以尽快熟练掌握救援工作和技巧，减少真实环境下救援工作中的损失，确保更多人员的安全。同时还可以在导演系统的大屏幕上实时看到所有救援队员的表现，第一时间客观地评价救援人员的工作质量和态度，在培训和考核完成可以得到演练的评价报告[7-8]。