虛擬現實技術在煤礦應急培訓中的應用

摘 要：本文通過利用3D建模技術、碰撞檢測技術以及交互式行為控制等虛擬現實技術，實現一個可交互、逼真進行虛擬仿真的煤礦應急培訓系統，克服了目前煤礦中使用的傳統應急管理培訓模式存在的周期較長、效果不佳以及費用較高等問題。真實模擬煤礦現場安全生產作業的環境，學員在確保安全的基礎前提下完成了各類應急管理培訓，節約了培訓的費用并大大縮短了培訓的時間，明顯提升了培訓的效果，為促進煤礦安全生產發展提供了有力的支持。

關鍵詞：虛擬現實;應急培訓;碰撞檢測;交互行為控制

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0016-03

Application of Virtual Reality Technology in Coal Mine Emergency Training

ZHANG Jisuo

（China Coal northwest Energy Co.， Ltd.，Ordos Inner Mongolia 017200）

Abstract： In this paper， by using? 3D modeling technology， collision detection technology， interactive behavior control and other virtual reality technology， a virtual simulation coal mine emergency training system can be realized interactively and realistically， which overcomes the problems of long period， poor effect and high cost existing in the traditional emergency management training mode currently used in coal mines. The actual simulation of coal mine safety production environment， students in the premise of ensuring safety， completed all kinds of emergency management training， saved the cost of training and greatly shortened the training time， significantly improved the training effect， and provided strong support for promoting the development of coal mine safety production.

Keywords： virtual reality; emergency training;collision detection;interactive behavior control

煤礦安全生產是煤礦生存發展的關鍵因素，涉及廣大煤礦職工的生命和財產安全，所有煤礦必須履行安全生產責任制，制定應急培訓體系。一方面主要采用了新技術和新設備等以增加安全生產的軟硬件投資等方式，提高了安全可靠性和保障程度;另外一方面開展各種類型的應急培訓，提升了職工的安全意識，提高應急響應能力，確保了煤礦企業的安全和生產。

本培訓系統通過綜合應用3D仿真技術、安全科學技術、虛擬現實技術、三維造型技術以及可視化技術等構建了一個虛擬的煤礦安全應急培訓環境，提升了煤礦應急培訓的效果[1]。

1 培訓現狀及發展趨勢

現階段，對煤礦工人應急培訓采用理論講述培訓、手冊培訓以及視頻培訓等方式，培訓周期長、學員現場感差，學習過程枯燥無味，效率低。雖然采用了具備一定表現力的多媒體訓練技術，具備了聲音、圖像以及動漫等方式，但是這種人機對話的特點卻沒有充分地體現出來。因此，需要一種將實踐和理論相結合，能讓學員置身其境的專業培訓體系，可以進行互相操作和理論上的考核。

基于虛擬現實技術的交互式煤礦應急培訓系統具有模型逼真和身臨其境等突出特征，可以如實仿真出一個煤礦現場的作業環境，學員可以借助交互式設備，高質量地完成所需要的培訓內容，避免在井下進行培訓時發生危險事故，提高了培訓的效率，降低了培訓成本，并自動地完成了考核。

2 開發軟件介紹

2.1 建模軟件

場景中的三維模型采用3D Studio Max和實時三維建模軟件MultiGen Creator相結合的模型構建方法創建。

2.1.1 3D Studio Max。3D Studio Max游戲是由Autodesk公司專門自主設計研發的一種具有三維游戲模型設計制作和各種游戲動畫特效渲染制作功能的游戲軟件，廣泛應用于各種電子游戲、影視制作、工業技術設計及建筑工程設計可視化等各個方面。

2.1.2 MultiGen Creator。該產品系列建模軟件同時具有多邊形地形建模、矢量地形建模以及能夠精準設計各種類型大面積三維地形的3大特點，擁有多種專門的建模選項和應用插件，高效地設計生產了一個基于實時三維的地形數據庫，能和其他各種類型的專業實時三維仿真技術軟件產品進行有效緊密結合。在模擬視景仿真、模擬技術培訓、交互式電子游戲、信息工程技術應用以及科學信息可視化等各種現代化實時三維仿真技術應用領域中，已經達到領先的技術水平[2]。

2.2 三維引擎

OGRE引擎可以提供基于OpenGL面向對象的軟件框架，同時還可以提供許多額外的附加功能模塊用于加速圖形的實際應用和開發。它是一款高效、跨平臺以及源代碼開放的三維圖像視頻游戲引擎。在對比分析多個三維圖形引擎的優缺點后，本次操作系統最終決定選擇以3D電子游戲研究開發引擎OGRE作為基礎平臺，將其設計成虛擬現實場景的圖形引擎，進行二次開發從而實現交互式的功能[3]。

3 虛擬現實關鍵技術

3.1 三維建模

在虛擬現實中，三維模型直接制約著系統的逼真性。本系統中涉及設備建模、井下環境仿真以及人物仿真建模等模型。

3.1.1 設備建模。井下大型設備的模型（采煤機、液壓支架、連采機以及刮板運輸機等）構造相當復雜。在進行建模時，先要收集有關設備的圖片、外形大小以及機構的運動參數等相關技術信息。建立一個機械設備和裝置復雜的模型，然后再利用建模技術生成一個簡單的模型，在構造大場景時遠景采用了簡單模性，近景則是使用了復雜模型，以此方式來有效地解決各種大場景制作過程中的數據瓶頸。采煤機模型如圖1所示。

3.1.2 井下環境仿真。井下工作環境是有尺度的巷道空間，應按照尺寸參數來構建巷道的三維模型。工作面及巷道建模完成后，將液壓支架、采煤機、刮板運輸機、轉載機及順槽皮帶等設備模型按照尺寸的要求布置到工作面及巷道中，然后再按標準化的要求將高壓電纜和液管等連接上，再加上一些附屬的裝備，一套仿真的工作面及巷道就完成了。環境仿真還包括爆炸、燃燒、冒頂、噴霧以及透水等環境特效。

為了讓井下虛擬操作場景變得更真實，更好地提供了一種視覺上的沖擊效果，采用目前先進的反應堆物理模塊和反應堆動力學技術，更真實自然地直觀反映了每起事故。照明技術歷來都被認為是三維虛擬仿真技術發展過程中的重中之重，由于三維和自然環境中的各種物體性質差異，使得在自然環境中對照明效果的分析和表達困難增多，以往一直采用普通標準光照明的方法，其表達能力往往無法做到令人滿意。本環境采用小規模體積光照明技術來提高各種光斑特效的分析和表達范圍。井下環境仿真如圖2所示。

3.1.3 人物仿真模型。本系統有多個人物造型，需要使人物形象多樣化，采用蒙皮技術構建人物模型。人物的動作直接影響系統的逼真性，難度和工作量都比較大。為了高質量、高效率完成人物動畫制作，建立人物動作庫，可以將人物動作存入數據庫，方便調用。

3.2 碰撞檢測技術

虛擬現實中碰撞精確性和實時性是碰撞監測技術研究的關鍵技術，精確地對其進行碰撞檢測大大增強了虛擬環境的視覺真實性與視覺沉浸感[4]。通過性能比較，本文最終選用OBB包圍盒算法構建混合碰撞檢測算法[5]。

3.3 交互控制技術

交互控制技術是采用了一套具有良好系統指令集自定義和編程文檔的系統建模仿真接口標準和OpenGL工具，開發一個基于軟件底層的大型通用軟件仿真系統模型的通用綜合性系統集成仿真框架。學員與虛擬環境下的設備進行交互，既可以直接使用外部的移動設備，也可以直接利用鼠標和鍵盤等輸入設備實現交互。通過對OpenGL應用程序的運動控制，完成了在三維圖中物體的反向移動、旋轉以及放縮[6，7]。

4 基于虛擬現實技術的交互式煤礦應急培訓系統

4.1 系統簡介

該軟件系統的開發語言主要采用VC++和OpenGL兩種開發工具，數據庫設計采用Orcale，并且以3D游戲開發引擎OGRE軟件作為主要的基礎開發平臺，可以進行漫游、控制以及協作等多種功能。用圖形、3D動畫以及聲音等多媒體方式再現了煤礦井下標準化作業的真實情況，將煤礦標準化的作業流程與安全規程以一種互動式的形態體現了出來。系統根據OpenGL中的相應函數記錄了學員在進行實操和演練過程中的各種運動軌跡途徑、活動行為以及任務完成期限等相關信息，然后與數據庫中事先保存的評估標準值進行對比、分析，對學員的運動和操作過程給出一個客觀且科學的評價分析，得出考核結論。

4.2 系統主要功能

本系統包含應急救援學習、應急實操演練以及評價考核3個功能模塊。

4.2.1 應急救援學習。通過三維仿真的方式，再現礦井各類災害事故現場的整體情況，包括頂板冒落、瓦斯爆炸、水害以及火災等各種事故現場。模擬啟動相應應急預案，將應急預案進行三維動畫展示，詳細說明整個應急救援的響應及處理過程、要求及注意事項。

4.2.2 應急實操演練。系統能夠以不同的角色登錄，以第一人稱的角度進行實操演練學習，完成該角色在應急救援中應該進行的所有操作。在演練過程中系統應能夠為學員提供多種虛擬操作與場景交互，使得學員在一個虛擬的場景中都能夠具有更大的自由度與發揮空間。同時，還可以通過設置計時限制及頂板再次冒落或煤塵瓦斯二次爆炸等危險事故的存在情況來考驗學員對于突發事件處理能力。

4.2.3 考核評價。系統將學員在現場實操和演練過程中的所有運動軌跡、路徑、動作行為以及完成期限等相關信息與正確操作方法進行了比對、分析，對于學員在操作過程中給出一個客觀且科學的綜合分析評價，得出了考核結論和需要改進建議。

5 結論

本文主要運用虛擬現實技術，設計了一個模擬仿真和人機交互的企業應急救援培訓教學系統。在培訓過程中，學員置身虛擬現場作業的仿真環境中，身臨其境解決了以往培訓的枯燥性，提升了培訓效果。下一步繼續研究3D建模技術，采用三維激光掃描儀進行設備和環境建模，提高建模效率。同時，探索增強現實技術在應急培訓中的應用，使人機交互更加智能化。

參考文獻：

[1]沈學利，張紀鎖.虛擬仿真在煤礦安全培訓教育中的應用[J].計算機系統應用，2010（11）：176-179.

[2]LEWIS M，JACOBSON J.Game Engines in Scientific Research[].Communications of the ACM，2002（1）：27-31.

[3]徐良軍，章建，蔣毅，等.基于虛擬現實技術的電力安監仿真培訓系統[J].計算機系統應用，2010（11）：162-165.

[4]李智勇.基于虛擬現實技術的油船安全操作與培訓系統的研發[D].廈門：集美大學，2015：16.

[5]HEN X L，ZHANG J S.Research of Collision Detection Algorithm Based on Particle Swarm Optimization[C]//International Conference on Computer Design & Applications.IEEE.2010.

[6]馬昱陽.基于虛擬現實技術的數字化礦井應用系統研究[D].西安：西安工業大學，2015：20.

[7]章怡.虛擬現實技術在杭州供電公司電力系統中的應用[D].保定：華北電力大學，2015：16-17.