非煤礦山虛擬現(xiàn)實(shí)安全培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與構(gòu)建

黃仁東 ， 吳同剛

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引 言

非煤礦山的安全培訓(xùn)是提高礦井員工安全技術(shù)操作水平和理論素質(zhì)，確保礦井安全生產(chǎn)的有效途徑和重要的安全措施之一。傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)形式包括上課，講座，看視頻等等，由于過(guò)程比較枯燥、不能適應(yīng)復(fù)雜的變化、缺少靈活度等導(dǎo)致培訓(xùn)效果不佳[1]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)的發(fā)展與成熟，利用其交互性、沉浸感和構(gòu)想性3個(gè)最突出的特征[2-4]，可以構(gòu)建交互式三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。在國(guó)外，VR已經(jīng)被運(yùn)用在越來(lái)越多的安全教育培訓(xùn)中：洛杉磯警察局使用Hydra模擬系統(tǒng)提升指揮者面對(duì)災(zāi)害時(shí)的處理能力，根據(jù)各種新聞廣播、簡(jiǎn)報(bào)和其他模擬實(shí)時(shí)信息，提供身臨其境的體驗(yàn)[5]；美國(guó)NOISH的Pittsburgh和Spokane研究所使用游戲引擎開(kāi)發(fā)了礦工培訓(xùn)游戲用于培訓(xùn)煤礦工人識(shí)別井下地圖的技能[6-7]。在國(guó)內(nèi)煤礦安全培訓(xùn)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被用于對(duì)員工進(jìn)行安全生產(chǎn)培訓(xùn)[8]，以角色扮演類游戲的方式，開(kāi)發(fā)交互式礦工安全訓(xùn)練模塊，利用3dsMax實(shí)現(xiàn)礦工人體建模包括Body模型和Biped骨骼綁定，結(jié)合OpenGL進(jìn)行幾何建模實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景的建設(shè)；還有運(yùn)用Converse3D虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)UI和交互[9]，達(dá)到漫游學(xué)習(xí)的目的。雖然都實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)安全培訓(xùn)，但是這些方法在構(gòu)建稍顯復(fù)雜的三維場(chǎng)景仍然十分耗時(shí)費(fèi)力，構(gòu)建的結(jié)果與真實(shí)場(chǎng)景存在一定的差異，而且采用第三人稱視角操作，培訓(xùn)的沉浸感不是很強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑包括3dsMax建立實(shí)體模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎，使用自帶的第一人稱控制器實(shí)現(xiàn)第一人稱視角操作，用Javascript腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的模塊與情景，構(gòu)建安全培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在安全培訓(xùn)中。該路徑能以較簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)良好的虛擬現(xiàn)實(shí)效果，同時(shí)根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的情景進(jìn)行培訓(xùn)教育，適用性強(qiáng)。

1 3dsMax實(shí)體建模

3dsMax提供的基礎(chǔ)建模，poly多邊形建模，NURBS建模等豐富的建模方式，可以輕松精確地構(gòu)建各種復(fù)雜模型。既可以通過(guò)各類修改器將簡(jiǎn)單的自帶模型修改為目標(biāo)模型，也可以通過(guò)對(duì)三維圖形或二維圖形放樣擠出、車(chē)削等構(gòu)建三維模型。

1.1 巷道放樣建模

因?yàn)橄锏蓝酁檫B續(xù)且截面基本保持不變，符合放樣建模的特性。通過(guò)放樣建立幾何模型的方法為：構(gòu)建模型走向的軌跡線—繪制截面輪廓線—選擇復(fù)合對(duì)象命令下的放樣—分別拾取路徑與圖形—獲得對(duì)應(yīng)的3D模型，見(jiàn)圖1。

圖1 放樣建模Fig.1 Lofting model

利用噪波修改器可以模擬巷道凹凸不平的效果，結(jié)合材質(zhì)編輯器中的位圖功能，給巷道賦上對(duì)應(yīng)的材質(zhì)，使巷道看起來(lái)更加真實(shí)，見(jiàn)圖2。

圖2 模擬巷道Fig.2 Simulative roadway

1.2 設(shè)備多邊形建模

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的設(shè)備模型，可以建立大致的立體形狀，通過(guò)放縮、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行粗略調(diào)整，再經(jīng)過(guò)多邊形的點(diǎn)層級(jí)、線層級(jí)和多邊形層級(jí)進(jìn)行位置改動(dòng)及各種修改器(放樣、FFD、擠出等)精細(xì)加工，構(gòu)建更逼真的模型，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 鉆孔機(jī)Fig.3 Drilling machine

圖4 電耙Fig.4 Scraper

1.3 人物建模

本系統(tǒng)主要采用Unity3D引擎中的第一人稱控制器，大部分時(shí)間不需要人物角色出現(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游與交互，但也會(huì)有輔助人物角色的出現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)上有豐富的人物模型資源，形態(tài)各異，可選取合適的模型加以修改，得到想要的模型效果。可以使用Skin骨骼蒙皮系統(tǒng)進(jìn)行骨骼蒙皮、材質(zhì)信息的添加以及紋理貼圖設(shè)置，人物模型見(jiàn)圖5。

圖5 礦工角色Fig.5 Miner character

2 Unity3D模擬

Unity3D作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有眾多的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單列舉如下：

(1)可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)操作，適用范圍廣，平臺(tái)的相關(guān)功能基本可以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不了的也可以通過(guò)插件來(lái)完成。

(2)腳本語(yǔ)言支持C#和Javascript，既可以選擇功能強(qiáng)大資源豐富的C#語(yǔ)言，也可以選擇相對(duì)簡(jiǎn)單，容易上手的Javascritp。

(3)Unity可以進(jìn)行粒子光效編輯，其本身就是個(gè)功能十分強(qiáng)大的粒子編輯器，自帶的粒子系統(tǒng)[10]可以輕松模擬火焰、爆炸、煙霧等特效。

(4)擁有豐富的插件，可以實(shí)現(xiàn)各種功能，比如一些shader特效、物體破碎特效、場(chǎng)景變形特效等。且自帶第一人稱控制器，可以很方便的完成場(chǎng)景漫游與交互。

(5)跨平臺(tái)能力強(qiáng)，移植便捷，3D圖形性能出眾[11]。項(xiàng)目完成后可以根據(jù)對(duì)應(yīng)平臺(tái)找出選項(xiàng)導(dǎo)出相應(yīng)的資源。

(6)自帶天空盒、材質(zhì)貼圖、地形編輯器等，可以方便的構(gòu)造各種環(huán)境。

2.1 第一人稱控制器

第一人稱控制器可以通過(guò)導(dǎo)入U(xiǎn)nity自帶的資源包來(lái)獲取，主要包含3個(gè)部分，分別是主攝像機(jī)、膠囊體和一個(gè)碰撞器，見(jiàn)圖6。自身攜帶3個(gè)腳本，可通過(guò)鼠標(biāo)指向控制視角方向，WASD控制移動(dòng)，面板設(shè)置移動(dòng)速度、跳躍高度等參數(shù)輕松地實(shí)現(xiàn)第一人稱視角漫游的效果。

圖6 第一人稱控制器Fig.6 First person controller

以第一人稱視角進(jìn)行操作有很多優(yōu)點(diǎn)，首先第一人稱視角貼合實(shí)際，可以產(chǎn)生相對(duì)強(qiáng)烈的沉浸感，讓人有身臨其境的感覺(jué)；其次，第一人稱視角能夠方便配合外部硬件設(shè)備，比如VR頭盔、球幕等營(yíng)造更加真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而達(dá)到較好的培訓(xùn)效果；第一人稱視角還省去了主角人物模型制作與動(dòng)畫(huà)效果，簡(jiǎn)化制作過(guò)程。

2.2 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人物與環(huán)境，人物與人物交互的關(guān)鍵性技術(shù)，是使得場(chǎng)景和活動(dòng)更加逼真的重要手段[12]。要使人物與模型中的物體碰撞時(shí)不發(fā)生穿透的現(xiàn)象，以及到達(dá)指定區(qū)域出現(xiàn)特定的操作與提示的效果，碰撞檢測(cè)必不可少。

Unity3D碰撞檢測(cè)類型主要有3種，分別是基本碰撞檢測(cè)、觸發(fā)器碰撞檢測(cè)和光線投射。基本碰撞檢測(cè)能夠滿足基本的碰撞檢測(cè)要求，但是必須要求2個(gè)物體的碰撞器接觸后才能觸發(fā)指令，局限性較大；光線投射可以避免這個(gè)問(wèn)題，但是有面向方向的要求，不適合人物自由自動(dòng)進(jìn)行交互的要求。本文選取觸發(fā)器碰撞檢測(cè)。

觸發(fā)器碰撞檢測(cè)需要設(shè)置2個(gè)觸發(fā)器，可以自由設(shè)置觸發(fā)器的大小，將需要被檢測(cè)碰撞的物體包含于一個(gè)觸發(fā)器中，將另一個(gè)觸發(fā)器附于具體需要執(zhí)行指令的物體，當(dāng)角色到達(dá)第一個(gè)觸發(fā)器范圍，即可觸發(fā)相應(yīng)的腳本，完成操作。觸發(fā)器檢測(cè)不受朝向和人物與物體碰撞的限制，而且腳本不需要附在第一人稱控制器上，這樣有利于后期程序運(yùn)行的流暢性。對(duì)應(yīng)的Javascript腳本為：

function OnTriggerEnter(col:Collider){

if(xxx.gameObject.tag=="xxx"){ 如果觸碰的物體標(biāo)簽為 “xxx”

具體腳本視情況而定;}}

2.3 粒子系統(tǒng)

運(yùn)用Unity3D自帶的粒子系統(tǒng)，可以很好地模擬各類事故如火災(zāi)、爆炸、冒頂片幫的發(fā)生、擴(kuò)散、抑制的全過(guò)程。通過(guò)導(dǎo)入U(xiǎn)nity自帶的粒子資源包，可以模擬各種情節(jié)效果，如火焰、煙霧、淹水，動(dòng)畫(huà)效果逼真，導(dǎo)入簡(jiǎn)便。以火災(zāi)為例，粒子系統(tǒng)效果見(jiàn)圖7，可以將Fire粒子系統(tǒng)添加到著火的場(chǎng)所，同時(shí)建立腳本文件附到Fire粒子系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)當(dāng)粒子系統(tǒng)觸碰到消防設(shè)備時(shí)幾秒后停止發(fā)射，模擬火災(zāi)被消滅的效果[13]。

核心腳本為：

function OnParticleCollision{

if(collision.collider.tag==“fire extinguisher”) 如果觸碰的物體標(biāo)簽是“fire extinguisher”

yield WaitForSeconds(10); 等待10 s

particleEmitter.emit=false; 停止發(fā)射粒子

}

圖7 Unity3D火焰粒子系統(tǒng)Fig.7 Unity3D fire particle system

3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建

本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要用于礦井漫游與應(yīng)急培訓(xùn)。礦井漫游能夠有效地幫助學(xué)員了解井下結(jié)構(gòu)；各個(gè)部分的位置、功能以及發(fā)生事故時(shí)正確的逃生路線等。應(yīng)急培訓(xùn)主要是為了使礦工能夠在發(fā)生各類事故時(shí)，不要驚慌失措，采取正確果斷的措施自救或救助他人，減輕事故后果，保障人身安全。

3.1 主要內(nèi)容與整體構(gòu)架

本文所要構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)主要目的是用于非煤礦山開(kāi)采員工的安全培訓(xùn)。規(guī)章制度類培訓(xùn)教育用虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)意義不是很大，而對(duì)井下環(huán)境的熟悉和面對(duì)現(xiàn)實(shí)各種場(chǎng)景的正確反應(yīng)與操作直接關(guān)系到操作工人的安全與健康。因此本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要以對(duì)井下環(huán)境認(rèn)識(shí)與各種場(chǎng)景的合理應(yīng)對(duì)措施為主要教育內(nèi)容。目前設(shè)計(jì)安排的模塊有：礦井漫游模塊和應(yīng)急培訓(xùn)模塊。系統(tǒng)運(yùn)行的整體框架見(jiàn)圖8，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行框架Fig.8 System operation frame

3.2 礦井漫游模塊

礦井漫游模塊主要用于工作人員對(duì)井下環(huán)境的認(rèn)識(shí)與熟悉。運(yùn)用3dsMax對(duì)礦井具體構(gòu)造、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、作業(yè)場(chǎng)所、各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備的位置和運(yùn)作等進(jìn)行建模顯示，結(jié)合Unity3D實(shí)現(xiàn)各個(gè)角度進(jìn)行仔細(xì)觀察，學(xué)員可以通過(guò)身臨其境的體驗(yàn)快速熟悉礦山系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)[14]。在漫游的過(guò)程中可以添加文字說(shuō)明和語(yǔ)音講解，讓學(xué)員學(xué)習(xí)逃生路線、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的位置與操作等知識(shí)，有利于保障發(fā)生事故時(shí)井下工作人員的人身安全。該模塊主要分為學(xué)習(xí)模式和練習(xí)模式2個(gè)部分。選擇學(xué)習(xí)模式時(shí)，學(xué)員可選擇礦井內(nèi)任意區(qū)域進(jìn)漫游，對(duì)井下環(huán)境有全面而真實(shí)的了解，當(dāng)漫游完畢，返回選擇其他區(qū)域的漫游。

表1 系統(tǒng)功能Table 1 System function chart

練習(xí)模式主要考察學(xué)員對(duì)井下環(huán)境的掌握情況，系統(tǒng)隨機(jī)選定一個(gè)區(qū)域，學(xué)員在該區(qū)域內(nèi)到達(dá)設(shè)計(jì)好的信息點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)試，完成相應(yīng)任務(wù)。如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完成，則跳轉(zhuǎn)到學(xué)習(xí)模式，進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)了解。漫游場(chǎng)景見(jiàn)圖9。

圖9 井下漫游場(chǎng)景Fig.9 Roaming scene under mine

3.3 應(yīng)急培訓(xùn)模塊

應(yīng)急培訓(xùn)模塊設(shè)計(jì)的整體構(gòu)架主要包括學(xué)習(xí)模式和練習(xí)模式2個(gè)部分。學(xué)習(xí)模式是以學(xué)員視角為主視角，自動(dòng)在構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，到達(dá)指定位置時(shí)面對(duì)出現(xiàn)的場(chǎng)景，進(jìn)行正確的應(yīng)對(duì)，并在界面上以文

字和真人發(fā)音的形式輔助說(shuō)明，加深學(xué)員的印象，學(xué)習(xí)正確的操作與應(yīng)對(duì)措施。練習(xí)模式就是由學(xué)員自己操作，以第一人稱視角進(jìn)行走動(dòng)，利用觸發(fā)式碰撞器和場(chǎng)景中特定物品產(chǎn)生交互，引導(dǎo)學(xué)員做出正確判斷，出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)判定不合格，跳轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)模式。三維仿真的系統(tǒng)可以直觀展現(xiàn)井下發(fā)生事故的場(chǎng)景，學(xué)員感受真實(shí)深刻，可以提高培訓(xùn)質(zhì)量[15]。目前設(shè)計(jì)的場(chǎng)景有：炮煙中毒事故、冒頂片幫事故、火災(zāi)爆炸事故、透水淹井事故、觸電事故等。

3.4 應(yīng)急培訓(xùn)情景設(shè)計(jì)

交互式安全培訓(xùn)模式主要有2條線組成。首先是交互部分，學(xué)員通過(guò)自己操縱第一人稱視角的角色對(duì)構(gòu)建的場(chǎng)景進(jìn)行探索，與設(shè)計(jì)好的物體或人物進(jìn)行交互；另一部分是由一系列的情節(jié)安排來(lái)設(shè)定情景。任何安全培訓(xùn)都有培訓(xùn)的目的和所要達(dá)到的效果，這就需要通過(guò)合理的主線使學(xué)員在進(jìn)行操作的同時(shí)，學(xué)到必要的知識(shí)。所以，在情景設(shè)計(jì)之前，需要先對(duì)故事進(jìn)行構(gòu)思，設(shè)定故事的框架。先確定學(xué)員需要完成哪些操作，學(xué)習(xí)哪些知識(shí)，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的場(chǎng)景，需要出現(xiàn)的人物，當(dāng)學(xué)員處于某一場(chǎng)景中時(shí)應(yīng)該做的操作以及給出對(duì)應(yīng)的交互反應(yīng)。用簡(jiǎn)單易懂的方式讓學(xué)員學(xué)到最實(shí)用的知識(shí)和技能，并留下深刻印象，以至于在真實(shí)場(chǎng)景中遇到類似的情況能做出正確的反應(yīng)，保證自身安全。以炮煙中毒場(chǎng)景為例，情景設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 炮煙中毒情節(jié)設(shè)計(jì)Fig.10 The plot design of blasting fume poisoning

3.5 進(jìn)程和成就設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)當(dāng)是一個(gè)完整流暢的過(guò)程，需要設(shè)計(jì)好操作的進(jìn)程。從開(kāi)始菜單以后，每一級(jí)都應(yīng)設(shè)有返回上一級(jí)的功能，方便學(xué)員自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。在練習(xí)模式下，順利完成任務(wù)時(shí)應(yīng)記錄下來(lái)存檔，表明學(xué)員通過(guò)該階段考核，直至學(xué)員通過(guò)所有訓(xùn)練才算通過(guò)。

為了鼓勵(lì)學(xué)員認(rèn)真完成學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，有效的激勵(lì)措施必不可少。對(duì)于完成所有練習(xí)的學(xué)員，系統(tǒng)將進(jìn)行記錄并公示在開(kāi)始界面，按照學(xué)員練習(xí)的完成進(jìn)度進(jìn)行排名列出榜單，同時(shí)對(duì)排名靠前的學(xué)員給予一定的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)和表?yè)P(yáng)，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力。

4 結(jié)論

1)相比于傳統(tǒng)安全培訓(xùn)的方式，該系統(tǒng)具有較好的沉浸性與交互性，場(chǎng)景逼真，員工有較高的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)員以第一人稱視角在虛擬礦井中漫游，能夠較好地熟悉井下環(huán)境。

2)克服井下復(fù)雜環(huán)境的限制，通過(guò)應(yīng)急模擬培訓(xùn)掌握應(yīng)對(duì)各種事故時(shí)的正確處置措施，配合實(shí)際應(yīng)急操作訓(xùn)練，能夠給員工留下更深刻的印象，有助于增加事故應(yīng)對(duì)能力。

3)學(xué)員通過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)與練習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)以較小的成本與時(shí)間達(dá)到良好的教育培訓(xùn)效果，有較高的實(shí)用性。

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