基于虛擬現實技術的非煤礦山救護隊培訓系統設計與實現*

胡東濤，黃　浪，周煥明，孫　瑩，路　昊，岑元剛

(1. 武漢理工大學，湖北 武漢 430081; 2. 中鋼集團武漢安全環保研究院，湖北 武漢 430081)

0　引言

非煤礦山救護隊是非煤礦山事故災害應急救援的專業隊伍和主要力量[1]，目前針對非煤礦山救護隊員和非煤礦山相關工作人員的應急救援培訓方法很多，如電視教學、上課培訓、實地操練、模擬災害培訓等，但這些方法都表現出許多不足之處，如培訓效果不佳、不能適應復雜的變化、花費太大、缺少靈活度、缺少信息資源等。因此，為全面提高非煤礦山救護隊員的業務素質和技戰術水平，增強其對各類非煤礦山事故的救援能力和救援效率，有必要利用現代科學技術探索新的能夠模擬真實環境、真實救災過程的與高效直觀的非煤礦山應急救援培訓考核模式。

虛擬現實技術(Virtual Reality Technology，簡稱VRT)是近幾年來隨著計算機軟、硬件技術的發展而快速崛起的高新圖形學仿真技術[2-3]。運用虛擬現實技術，用戶可以直觀地、身臨其境地“沉浸”到所創建的智能虛擬環境中，依靠自己的感知和認知能力全方位地獲取知識和信息，充分發揮主觀能動性，與其中的虛擬事物發生直接、自然的相互作用，虛擬場景中的事物根據用戶的操作發生逼真的反饋。目前虛擬現實技術已經被廣泛運用到軍事、醫學、工程制造、教育訓練、航空航天、科學研究等各個領域中[4]。

虛擬現實技術在礦山生產及應急救援等方面的研究與應用備受關注，例如基于虛擬現實技術的綜采工作面[5-6]、采區[7]、地下金屬礦智能調度[8]、礦山開采[9]、地下礦生產可視化管控系統[10]等的研究。在礦山事故應急救援方面，例如在礦井突水應急虛擬仿真[11]、三維礦井仿真[12]、井下火災事故人員逃生可視化[13]等方面的研究。這些研究取得一定應用成效，但只是關注某種事故類型的研究，比如火災、水災，或者只是關注災害發生過程，缺乏系統性與全面性，即在面向救護隊救援能力的綜合培訓考核方面的研究還有欠缺。因此，探討利用虛擬現實技術，研究與開發針對非煤礦山救護隊員的培訓和考核系統，使非煤礦山救護隊及相關礦山工作人員的應急救援培訓考核更加安全、高效、系統和節約。

1　硬件系統設計

基于系統集成的特點，本文首先介紹系統硬件系統。為更好的發揮虛擬現實技術的特點和提供更好的操作體驗，并達到更好的培訓效果，采用可視立體現實技術和多點觸摸技術，設計雙屏觸摸一體機，上屏為客戶端，下屏為服務器。針對主屏和小屏的屏幕尺寸，主屏使用紅外觸摸屏，小屏使用電容觸摸屏。2種觸摸屏均支持多點觸摸，支持多點觸摸手勢的識別。用戶通過指紋登錄服務器，可控制進入不同的培訓或考核模塊，查看救援相關的規程和工器具的使用方法等。客戶端主要負責顯示三維虛擬場景和人機交互。雙屏應急救援培訓考試機如圖1所示，其功能結構原理如圖2所示。

圖1　雙屏培訓考試機Fig.1　Double screen training machine

圖2　雙屏培訓考試機功能Fig.2　Function of the double screen training machine

2　軟件系統設計與實現

2.1　系統整體流程設計

按照系統設計功能，為達到學習、培訓和考核的目的，進入系統以后可以根據需要選擇考核模式、陪訓或學習模式。系統整體流程設計如圖3所示。

圖3　系統整體流程Fig.3　Overall system flow

2.2　系統功能設計

非煤礦山救護隊應急救援虛擬仿真培訓考核系統是一個復雜系統，科學的體系框架和功能設計對提高救護隊應急救援培訓考核質量至關重要。系統遵循建模、仿真、表現一體化的方法論，借助虛擬現實技術，按照救護隊應急預案的流程，設置相應的三維場景、事件，并虛擬救援的動態過程。系統功能設計主要包括用戶管理、多媒體演示培訓、專項訓練與考核、綜合訓練與考核，按照相關規程[14,15]和相關的裝備使用規范設計相應的考題。在訓練模式，可選擇需要訓練的模塊，并會提示相應的救援步驟和動作。在考核模式，可手動選擇考核模塊或自動選擇考核模塊。功能設計框架如表1所示。

表1　系統功能設計

2.3　系統架構設計

系統采用C/S模式，整體設計框架包括幾何建模、動畫建模、信息數據庫和場景驅動，其中，幾何建模包括礦山基本模型、礦難顯示模型、虛擬人模型、救護裝備模型、專項訓練模型等主要的三維幾何模型；動畫模型是指1組相關動畫的組合序列，本系統中具體包括礦山動態模型(包括同步地圖)、虛擬隊員(救護隊)行為模型、救護裝備動態模型、專項訓練動態模型；在引擎的基礎上設計場景驅動，場景驅動包括礦山狀態控制、救護隊員行為控制、施救過程控制、分數評估系統控制。最后驅動加載場景渲染、讀取靜態和動態模型，完成系統的各項功能。系統框架設計如圖4所示。信息數據庫為系統提供數據支撐，其原理架構如圖5所示。

圖4　系統框架設計Fig.4　Framework of the system design

圖5　系統數據管理邏輯關系Fig.5　Logical relationship of data management system

3　系統實現關鍵技術

1)3D顯示端技術：使用高效的場景管理技術，系統以C++和DirectX構建快速渲染環境，采用八叉分割樹縮小檢測范圍，使用高效的隱藏面剔除技術、層次細節技術等來顯示大規模場景；使用燈光貼圖和動態光照技術，降低材質數量對內存的消耗，并節省烘培時間；使用高精度烘焙場景模型，用3dsmax以及vray為若干種情況下的燈光單獨計算光照貼圖，配合3D引擎合理劃分材質坐標(uv)；使用三維骨骼動畫技術，數字化模擬隊員各種行為特性。

2)人性化用戶體驗技術：配合雙屏培訓考試機，采用多點觸控技術，通過Gesture API，系統實現劃動和縮放手勢的應用。在虛擬漫游方面，系統使用相機操作與角色行走技術控制。為了使各種相機運動流暢合理，采用高效碰撞檢測技術，使用aabb tree和包圍盒碰撞，支持離散點的碰撞檢測和連續碰撞檢測。

3)自動尋路A*算法：系統采用導航網格(NavMesh)的數據結構，設計合適的尋路空間的數據結構，應用A*算法為跟隨小隊長的救護隊員進行尋路。

4)導航網格：為了減少計算復雜度，通過尋找覆蓋給定區域的最簡凸多邊形、刪除無關節點、細分后合并類似凸多邊形，將3D空間簡化為更慣用的2D空間的方法，使用1個凸多邊形的網格來將3D空間表現為1個不規則的2D場地。在此過程中，把三角形構造成更高層次的單元以減少內存使用，并適應某1個區域的導航網格需要動態更新的情況。

4　結論

1)為更好地發揮虛擬現實技術的特點和提供最好的操作體驗，成功設計與開發非煤礦山救護隊應急救援雙屏培訓考核硬件系統。

2)利用虛擬現實技術構造出三維立體的礦山動態環境和災害場景，將錯綜復雜的巷道網絡、救護裝備用三維的方式清楚地表達，救護隊員可以通過人機交互模塊參與和“浸入”虛擬礦山動態環境和虛擬救援動態過程中，通過控制虛擬隊員的行動來進行近似于實戰的專項訓練、綜合培訓與考核，從而提高培訓和演練效果。

3)系統可用較小的費用仿真多種形式的非煤礦山事故場景，并可用虛擬仿真技術構造多種超越現實演練的虛擬環境，實現安全高效演練。

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