基于虛擬仿真技術開發的安全培訓演練系統

劉曉丹，張東旭，趙英君 ，史銳

(1.中國煤炭科工集團 沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

0 引言

礦井開采是一項高危行業，井下客觀存在的危險源，井下作業人員違章指揮、作業，都會給井下工作人員帶來災難性的后果。據不完全統計，2020年上半年全國煤礦企業共發生安全事故37起，死亡65人。從統計數據可以看出，井下安全問題仍然突出，因此，做好井下工作人員的安全培訓，對于增強安全防范意識，提高安全技能及對各種突發事件的應對能力，杜絕違規作業，切實消除生產中可能存在的各種隱患，降低安全事故的發生，保障安全生產具有重要意義。針對傳統安全培訓方式存在無法調動培訓人員的積極性、主動性和培訓效果差的不足，本文基于虛擬仿真技術，設計開發了煤礦安全培訓演練系統。

1 系統介紹

中煤科工集團沈陽研究院有限公司引進國際先進三維仿真技術與軟、硬件平臺，搭載智能化立體顯示設備，開發出符合我國國情的煤礦安全培訓演練系統[1-3]。通過對事故的建模與仿真分析，將分析計算的過程數據作為描述事故發生、發展過程的理論依據，應用虛擬現實仿真工具研發該事故展示模塊，通過硬件平臺(360°環幕投影系統)，逼真地再現事故發生、發展過程，分析設備安全對事故性發生的影響，為礦山事故技術鑒定提供依據。仿真系統采用虛擬現實技術、360°環屏投影播放技術、投影系統直徑10 m，高4.5 m，12.1環繞立體聲技術、3D電影技術、計算機網絡協同處理技術、讓用戶佩戴專業立體眼鏡既可在任意角度下呈現井下立體畫面。立體顯示場景逼真，設備堅定穩固，為作業人員安全和技能培訓提供一流的“沉浸式”培訓環境。

系統平臺分為12通道投影機融合系統、視頻處理系統、音頻系統、計算機集群系統、UPS穩壓系統組成[4-5]。硬件平臺架構如圖1所示。

圖1 系統硬件平臺架構圖

2 系統關鍵技術

為逼真模擬事故發生、發展演變過程，全方位觀察事故發生過程中環境的變化和設備的破壞過程，分析事故發生的條件，硬件平臺采用360°環屏“沉浸式”投影系統，采用6通道主動立體投影方式，虛擬仿真系統采用高性能圖形工作站組成多通道集群渲染，每臺工作站對系統的一個界面進行渲染，滿足多路顯示面的立體顯示與同步。利用先進的圖形顯卡，基于DirectX11,實現各種先進圖形的特效。采用PBS(基于物理的著色)可以以一套友好的參數更加真實地實現金屬、塑料、木質、布料等各種材質。支持CAE集群計算、用戶多級授權管理、支持OPENGL和Directx圖形渲染協議、支持三維圖形交互軟件的高清遠程交互。此外系統還配置了中控系統，通過觸屏的管理界面進行系統的統一管理與信號切換，可支持多種受控設備。安全培訓演練的效果如圖2所示。

2.1 基于軟件的屏幕成像技術

系統由6臺主動立體投影機分別向6個方向投影，投影到一個高4 m、直徑10 m的環形屏幕上，從而形成了6個拼接帶。采用VIRTOOLS作為虛擬現實軟件平臺，依托中煤科工集團沈陽研究院有限公司硬件平臺研制了模塊的播放形式，投影機采用立體主動式投影機，亮度可達12500流明、對比度高，成像清晰，即使在黑暗的環境如井下也能夠完成影像投影。金屬機械式支撐骨架采用高強度鋼材料，能夠支撐較大重量，單體支撐效果好，造型美觀，可以對屏幕與相關設備起到強有力的支撐作用，還能夠對屏幕整體形狀進行定型。數據可視化處理在圖形處理能力上對于系統的要求非常苛刻，需要用專業級的圖形工作站。系統中圖形工作站采用64位高端圖形工作站，具有強大的信息處理功能，每一臺投影機對應一臺圖形工作站，實時進行三維圖像的計算輸出，是立體虛擬仿真技術實現的核心設備。

圖2 3D-VR煤礦事故仿真和安全培訓演練系統效果圖

2.2 屏幕拼接與幾何矯正技術

屏幕拼接采用硬件拼接技術，系統包含的6臺主動立體投影機中，每臺投影機負責投影角度60°，但實際投影角度達到80°，兩邊各余出10°進行拼接，此方法的拼接效果比較理想，避免重復調試。

幾何矯正原理：在投影機投影重疊的地帶會顯示多個方格，通過顯示橫豎多個方格時的效果進行挪、移、擠等操作實現屏幕的各個方格能夠均勻地投在弧形屏幕上。記錄各個方格的4個點的投影位置來實現幾何矯正。通過屏幕拼接與矯正，最終實現360°環屏無缺角投影，最終實現完美成像效果[6]。

拼接的主要流程：

1)通過VIRTOOLS軟件平臺向屏幕上投射均勻分布的網格線，受投影機角度和屏幕弧度的影響，一定會在2臺投影機交叉的屏幕帶(拼接帶)形成錯亂的重疊線。

2)通過VIRTOOLS軟件依次調節處在拼接帶重疊網格線的交點，使這些線在拼接帶能夠重合，使之形成較為理想的正方形。

3)記錄這些點的坐標，并記錄保存記錄文件。

4)在使用VIRTOOLS軟件播放模塊時，讀取這個記錄文件，并將相應的圖像顯示到相應的坐標點，從而達到屏幕拼接的效果。

通過屏幕拼接與矯正，最終實現360°環屏無缺角投影，最終實現完美成像效果[6]。

3 系統設計軟件與模型制作

3.1 設計軟件

運用Autodesk 3ds Max制作模型，運用Adobe Photoshop CS3制作材質貼圖。采用Edit Poly方法制作模型，保證正規四邊面，避免多面、破面、亂面等問題出現。采用Render to Texture技術，把場景中亮度等參數渲染到模型貼圖上，其目的就是在未來引擎中介紹不必要的實時渲染，提高軟件運行性能。

3.2 模型制作

系統中制作的模型主要包括人物模型、巷道模型、靜物模型、設備模型和四種災害發生時的動態模型等，系統中的模型都是用3ds Max制作而成，在模型分工之前，要確定模型定位標準，在零點附近；多邊形網格是構成3D對象的頂點、邊緣和面的集合。多邊形網格定義每個3D角色和對象的形狀和輪廓。大型表單是由較小的相互連接的平面(通常是三角形或矩形)構建而成的，它們像3D拼圖一樣契合在一起。多邊形網格中的每個頂點都存儲x、y和z坐標信息。然后，該多邊形的每個面都包含表面信息，渲染引擎將這些表面信息用于計算漫反射和陰影(以及其他信息)。多邊形網格可以用于幾乎所有對象的建模。

4 系統實現的功能

4.1 災害模擬

本培訓演練系統可以實現火災、水災、頂板事故、瓦斯爆炸四大類礦井災難的模擬：

1)礦井火災。有的煤炭由于自身的物理、化學性具有自燃性，與空氣接觸后能氧化生熱，如果散熱條件不好，就會產生自燃，一旦發生火災，工作場所狹小、電氣設備多、坑木等易燃物多，井下又有新鮮風，不像地面火災容易撲救。如果處理不當，就會蔓延發展，使滅火工作更加困難。同時井下工作人員集中，難于躲避和疏散，這些都會加重火災的損失，在系統中模擬的場景就是典型電氣設備火災過程，因右前方移動變電站電纜破損短接，短路電弧引燃浮煤，進而引燃周邊設備和易燃物品。在模擬場景中可以看到電氣設備外因火災發生發展的全過程及其對周邊的破壞嚴重后果。可以看到被燒毀的設備、破損的風筒以及過火后的巷道。通過這樣的模擬，可以增強培訓人員對機電設備引發的火災危害性的認識，也可以更加清晰和直觀地了解火災的發生發展過程。

2)礦井水災。礦井在新建和開采過程中，地表水和地下水通過過井口、巖溶地面塌陷或溶洞、斷層帶等通道涌入到礦井。隨著季節變化也會產生影響，像夏季受大氣降水補給明顯，6～9月份涌水量明顯增大。當涌水量超過正常排水能力時，就會發生礦井水災。一旦發生透水，不但會影響正常生產，有時也會造成人員傷亡和財產損失，淹沒礦井和采區，危害十分嚴重。在仿真系統中模擬大量的水沖破煤層，涌入到巷道中，水平面逐漸上升，很快將巷道、設備完全淹沒。通過透水事故的模擬，可以完全地展現井下透水事故的發生發展過程，使培訓人員學習預防此類事故的知識，提高自我防范意識。

3)頂板事故。在采煤過程中，由于破壞了原煤上層的壓力，破壞了原有地層的平衡狀態，使壓力分布不均勻，當煤巖體重量大于巷道頂板所承受重量最大值，則會出現頂板事故。頂板事故常發生巷道上下出口、煤壁線、放頂線、地質構造處以及采煤工作面附近。頂板事故發生后造成人員傷亡、設備埋壓損壞、生產終止等的事故，頂板事故有突發災難性，在處理事故過程中,如果措施不當還有繼發性。在仿真系統中會有模擬頂板冒落的場景，突然轟塌的頂板伴隨著巨響，灰塵揚起，巷道被堵死等災后場景。

4)爆炸事故。當井下存在一定濃度的瓦斯(瓦斯爆炸的界限是5%～16%)、高溫火源和充足的氧氣時，就會發生瓦斯爆炸，瓦斯爆炸產生的熱量，使周圍氣體溫度迅速升高，爆炸瞬間的溫度會達到1 800～2 600 ℃，這樣高的溫度，不僅會燒傷人員、燒壞設備及燒損煤炭資源，還可能引起井下火災和煤塵爆炸等次生事故，擴大災情,引發的帶式輸送機火災效果如圖3。通過對爆炸的模擬，可以真實、直觀地再現事故發生的嚴重后果，使培訓人員身臨其境感受瓦斯爆炸的威力，增強了解預防瓦斯爆炸工作的重要性。

圖3 帶式輸送機火災效果圖

4.2 協同演練

該系統以游戲的方式，完成多人協同配合，展開井下救援工作，直至任務結束后升井。該系統以盡可能逼真的手段模擬救援過程，使參與該過程的救援隊可以盡快熟練掌握救援工作和技巧，減少真實環境下救援工作中的損失，確保更多人員的安全。同時還可以在導演系統的大屏幕上實時看到所有救援隊員的表現，第一時間客觀地評價救援人員的工作質量和態度，在培訓和考核完成可以得到演練的評價報告[7-8]。

5 結論

360°礦井安全培訓演練系統自投運以來，進行了30余次系統培訓，培訓人數多達700余人，收到社會各界人士的贊譽與好評。通過仿真系統對事故的仿真模擬，可以提高培訓人員的自我安全意識和防范意識，以消除生產過程中的安全隱患，保障了人員及設備的安全，最終實現井下作業的安全生產。