礦山救援人員培訓中新技術的研究

程 家

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 引言

災難發(fā)生后的救援是否能成功很大程度取決于救援人員的能力。由于方式及技術方面的原因，以往的培訓效果差，導致在救援時不能很好地完成救援任務。提高培訓效果最有效的方法是在接近真實的狀況下訓練，但該方法需要投入大量的資源與人力，而且要做到真實模擬井下災害是不可能實現(xiàn)的。本文為此研究了一種能有效避免這些弊端的新型的礦山應急救援培訓系統(tǒng)。

2 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是采用以計算機技術為核心的多種技術（包括圖形學、仿真學、傳感技術、人工智能等多種技術）生成一個接近真實的虛擬環(huán)境且具有多種感知能力的計算機系統(tǒng)。使用者可以通過一些裝置來與虛擬世界中的物體進行交互，可以產(chǎn)生與在真實的環(huán)境中一樣的感覺。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由產(chǎn)生虛擬世界的計算機、物體模型的建立、立體聲的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的存放庫和管理的應用軟件系統(tǒng)、人與虛擬世界交流的輸入輸出設備、放置所有物體各方面信息的數(shù)據(jù)庫和用戶組成，如圖1所示。想象性、交互性、沉浸性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要特征。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)圖

3 礦山應急救援培訓系統(tǒng)關鍵技術研究

3.1 煤礦生產(chǎn)設備的建模

傳統(tǒng)中用 Multi Creactor、Maya或 OpenGL、DirectX或VRML等幾何造型技術進行幾何建模，缺點是構(gòu)建稍有點難度的模型模擬出來的結(jié)果與實物之間仍有很大差別。而圖像建模技術卻可以通過普通的相機獲取圖像，還可以通過圖像抽取表面紋理和光照信息來建立幾何模型，操作簡單，十分便捷。采用圖像建模技術除了可以滿足模型的高真實感的構(gòu)建礦井仿真系統(tǒng)的要求，還可以低成本、高效率的建模。

3.2 煤礦巷道的三維建模

（1）煤礦井巷是線性分布的，為使巷道模型更快的建立并且使每條巷道更易表述，將巷道分為巷道體和巷道節(jié)點。要建立三維模型，可以通過三維矢量的表面模型線框來建立。巷道是由一系列局部巷道組成。巷道主要由巷壁、巷頂面和巷底面組成。巷道斷面以矩形、拱形和梯形為主。巷道斷面形狀圖如圖2所示。

圖2 巷道斷面

（2）場景編輯器WYSIWYG的建模環(huán)境可以更便捷地建立模型，是特有的地形處理工具，使用者可以通過這些工具來對建立的虛擬世界進行控制。這些工具包括拱形面構(gòu)造工具、斜面構(gòu)造工具、巷道高度調(diào)整工具、轉(zhuǎn)角去除工具。這些工具主要靠下面幾種函數(shù)來建立：可以實現(xiàn)對指定的位置空間進行八叉樹遞歸遍歷的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），可以用來自動測定巷道高度的editheightxy（bool isfloor，int amount，block ＆ sel）和可以疊加相近的選擇的方形區(qū)域的數(shù)據(jù)。通過場景編輯器的處理，使用者視野的景象就會被處理成為有規(guī)則的場景，在點擊保存后，數(shù)據(jù)就會被按照一定方式存入文件中。

（3）巷道體的建模

① 巷道壁的建模主要通過loopselxy函數(shù)和slpoe函數(shù)，需要建立的巷道壁模型大體可以分成斜面型巷、豎直巷。斜面巷的斷面形狀為梯形斷面，斜面巷的建模需要首先確定水平切面范圍，之后通過slope函數(shù)進行墻體數(shù)據(jù)篩選，提出下三角體區(qū)域內(nèi)的正方形。豎直巷的斷面形狀包括矩形斷面和拱形斷面，但豎直巷的建模比斜面巷建模簡單，只需確定墻體的水平切面，就可通過編輯器快速生成三維巷壁。

② 巷頂?shù)慕０ㄆ叫邢镯數(shù)慕：凸靶蜗镯數(shù)慕?。場景建立時，編輯器會初始化天空盒，平行巷就自動建立了，只要改變巷道寬度就完成了。拱形巷頂建模需要進行預處理。巷道的主要構(gòu)成已經(jīng)建模完成，局部巷道就是這些巷道構(gòu)成部分有規(guī)律組合成的，連續(xù)的局部巷道就是巷道體。

3.3 虛擬人物的建模

人物模型的建立是通過3DS-MAX建模工具，先完成簡單的步驟，之后再進行復雜的程序。先對各個器官進行建模，最后再進行人物整體的建模。鼻子、眼睛、頭發(fā)和嘴巴需要更多的復雜的幾何來建立模型，而上體、頭、腿等這些部分建模時只需要用較少的幾何來建立就可以。最后進行修補和對穿著模型建立，這樣就做完了人物模型的建立。

4 礦山應急救援培訓系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實技術的應用

（1）設備儀器使用模擬

救援設備包括氧氣呼吸器、自動蘇生器、瓦斯檢定器等。將應急救援設備模型放在虛擬場景中，通過演示來讓參與的人直觀、全面地觀看設備和儀器的使用方法，掌握操作要領，之后要在特定的場景中讓參與人員操作救援儀器和設備，并進行考核，使學習人員更有效地掌握救援設備的作業(yè)位置、擺放方法、使用方法、使用注意事項、故障類型、事故后果及救援措施等，確保在實際救援中可以用到所學知識。

（2）一般技術操作模擬訓練

根據(jù)礦山應急救援訓練的相關規(guī)定要求，設置能真實模擬實際救援過程的場景，讓學員因地制宜在仿真場景中運用所學知識，使學員能熟練運用學到的知識，讓學員的環(huán)境適應能力和危機處置能力得到增強，更好地救助被困人員。

（3）模擬救災實戰(zhàn)訓練

在礦山生產(chǎn)中，常見的主要災害為瓦斯爆炸和水災，經(jīng)常會引發(fā)嚴重的事故，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。采用基于虛擬現(xiàn)實技術的礦山應急救援培訓系統(tǒng)可以對各種災害真實地進行模擬，可以對災害的主要發(fā)生原因、發(fā)生前的征兆、如何提前預防、救災方法和人員的救援方法向培訓人員演示。同時該系統(tǒng)也可以真實模擬各種井下災害事故發(fā)生后，學員相互配合的操作儀器設備和進行一般的技術操作來實現(xiàn)救援，并且可以讓救援指揮人員鍛煉其指揮下級和其救援整體布局的能力，最終使參與訓練的人員能學會在救援時如何更好的合作，提高整體救援能力。

5 結(jié)論

（1）礦山應急救援培訓系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實技術將人、機、環(huán)境以一種非常協(xié)調(diào)的方式虛擬地結(jié)合起來，避免了傳統(tǒng)培訓的缺陷，不需要大量的資源投入，使真實的模擬事故現(xiàn)場培訓成為可能，提高了培訓效果，對礦山救援人員培訓具有重要的意義和作用。

（2）礦山應急救援培訓系統(tǒng)中，主要通過基于圖像的建模技術來對設備進行建模，通過一種場景編輯器WYSIWYG進行三維巷道的建模，通過3DS-MAX建模技術來對虛擬人物進行建模。

（3）該系統(tǒng)可以真實地讓學員體驗到救援設備使用步驟和災害發(fā)生后的救援過程，能讓學員了解礦井災害的發(fā)生過程和原理及其他知識、體驗井下環(huán)境、熟練掌握救援技術和提高救援時的判斷能力，同時可以提高學員培訓學習的積極性，從而極大提高培訓效率。

（4）這種系統(tǒng)的研究開發(fā)對提高礦山應急救援培訓效果具有重要的作用，可以極大增強救援人員在面對災害時的救援能力。