巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統構建*

張飛燕，溫佳宇，韓 穎

(1.河南理工大學 a.安全科學與工程學院；b.能源科學與工程學院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，焦作 454003)

“爆破安全”、“爆破工程”均為我校安全工程、土木工程專業的核心課程，主要講述爆破理論基礎、工業炸藥、起爆技術、巖石爆破理論、礦山與地下工程爆破技術及安全、爆破危害與安全防控、爆破安全管理等內容[1,2]。巷道掘進爆破安全實驗是上述課程的主要實驗內容之一，實驗教學過程中存在以下問題：①實驗危險性高。爆破實驗安全要求高，實驗涉及到的雷管、炸藥等均為國家嚴格管控的高危險性爆破器材，實驗環境極端復雜且過程不可逆。②實驗條件不可及。GA990—2012《爆破作業單位資質條件和管理要求》[3]規定：爆破作業按照要求實施資質管理，“非營業性條件要求”國內各高校均不具備。③爆破有害效應多。井下爆破產生的有毒有害氣體、粉塵、爆破振動、爆破沖擊波等危害，不僅會造成大氣環境及地下水資源污染、巷道圍巖損傷、工人炮煙中毒等，而且一定程度上還會誘發瓦斯爆炸、煤塵爆炸等次生災害。基于以上現實問題，探索新型、有效的實驗教學手段迫在眉睫。

近年來，教育部連續出臺了一系列政策，大力支持與推動虛擬仿真實驗教學項目研究。教育部高等教育司在其發布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94號)中明確指出：虛擬仿真實驗教學的任務是構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目[4]；《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函〔2018〕5號)中指出：國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[5]。

在此背景下，各高校虛擬仿真實驗教學項目建設工作開展得如火如荼[6-11]。筆者借助虛擬仿真、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建了巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺并已上線運行[12,13]，讓學生能夠在高度仿真的虛擬環境中開展爆破實驗、模擬真實實驗過程，實現了巷道掘進爆破方案設計、爆破施工、爆破危害監測與分析三個方面的實驗教學內容；但美中不足的是，該平臺尚未涉及井巷掘進爆破事故的處理，即事故應急救援。為此，本文以井巷掘進爆破過程中的典型事故—炮煙中毒為例，構建炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統，以期對巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺加以拓展與延伸。

1 虛擬仿真系統模塊設置

基于煤礦真實掘進巷道，依據《煤礦安全規程》相關規定[14]，結合煤礦事故應急救援要求與內容[15]，參考爆破事故應急救援預案[16]，虛擬仿真系統模塊設置為兩部分：工人自救互救模塊、救援人員救援模塊，如圖1所示。

圖 1 虛擬仿真系統模塊設置Fig. 1 Module setup of virtual simulation system

1.1 主場景模塊

主場景是系統的初始界面，可進行角色選擇操作。根據系統模塊設置，人物角色分為兩類：工人、救援人員；不同角色將進入不同的任務場景。

1.2 工人自救互救模塊

工人自救互救模塊主要包括以下內容：工人選擇下井裝備、佩戴自救器后進入掘進巷道、協助炮煙中毒人員佩戴自救器并攙扶其撤離災區、向地面調度室報警等。

該模塊設置思路如下：

(1)在主場景模塊，選擇人物角色為工人。

(2)進入工人自救互救模塊后，首先選擇下井裝備。

(3)工人穿戴好下井裝備后，按提示向掘進巷道行進。

(4)發現炮煙中毒工人，及時檢查中毒人員身體狀況，并協助尚有活動能力的輕度中毒人員撤離工作地點。

(5)人員撤至安全地點后，利用井下調度電話，向地面調度室報警，請求救援。

1.3 救援人員救援模塊

救援人員救援模塊主要包括以下內容：救援人員選擇救援設備、到達事故地點將炮煙中毒者抬至新鮮風流處、進行人工呼吸等。

該模塊設置思路如下：

(1)救援人員下井前，首先選擇生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設備等救援裝備。

(2)根據提示箭頭到達事故發生地點。

(3)檢查重度中毒人員的呼吸、心跳等情況后，用擔架將其抬至新鮮風流處。

(4)對重度中毒人員進行人工呼吸急救。

(5)重度中毒人員恢復意識，救援成功。

2 巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統構建

巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統采用3D Max軟件建模，采用Unity 3D軟件、按主場景模塊→工人自救互救模塊(worker場景)→救援人員救援模塊(rescuer場景)順序依次進行系統開發，使用W、A、S、D四鍵控制角色移動。根據真實巷道規格與尺寸，按1∶1比例構建的煤礦掘進巷道模型如圖2所示。

2.1 主場景開發

系統主場景由3D物體與UI界面組合構成，其界面如圖3所示。點擊worker按鍵進入工人自救互救模塊，點擊rescuer按鍵進入救援人員救援模塊，點擊Exit則退出系統。主場景運行時，兩人物角色處于奔跑狀態。

圖 2 掘進巷道模型Fig. 2 Roadway model

圖 3 系統主場景界面Fig. 3 Main scene interface

2.2 工人自救互救模塊開發

根據設置思路，工人自救互救模塊開發步驟如下：

(1)過場動畫

該模塊共設置6個UI界面、5個相機。進入該模塊后，首先播放一段過場動畫，展示炮煙產生與工人中毒倒地的過程[17]，如圖4所示。工人炮煙中毒程度設置為兩種：①重度中毒，工人直接倒地、喪失活動能力；②輕度中毒，工人具有活動能力，在攙扶下可進行撤離。

圖 4 過場動畫Fig. 4 Cutscenes

(2)下井裝備選擇界面

過場動畫播放完畢后，系統自動進入下井裝備選擇界面，如圖5所示。在此界面中，用戶需通過鼠標點擊UI界面裝備按鈕，選擇下井裝備—礦燈與自救器后，向掘進巷道行進；工人若未穿戴下井裝備，后續操作將無法進行。通過該種設計方式，強化用戶下井前必須佩戴礦燈與自救器的安全意識。

圖 5 下井裝備選擇界面Fig. 5 Equipment selection interface before entering the coal mine

(3)工人自救互救界面

進入掘進巷道后，工人在倒地工友附近站立2秒，即可觸發撤離按鈕，如圖6所示。點擊“攙扶撤離”按鈕，工人將協助輕度炮煙中毒人員佩戴自救器并協助其撤離事故地點，如圖7所示。

圖 6 工人自救互救起始界面Fig. 6 The starting interface of workers′ self-rescue and mutual rescue

圖 7 攙扶撤離界面Fig. 7 Assist evacuation interface

(4)報警界面

協助輕度中毒人員撤至安全地點后，工人到井下調度電話旁停留2秒，即可觸發報警界面，如圖8所示。點擊“報警”按鈕，工人將向地面調度室報警，請求救援。

圖 8 報警界面Fig. 8 Alarm interface

(5)任務完成界面

前述任務全部完成后，將顯示任務完成界面，如圖9所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進行任務，也可選擇返回主場景。

圖 9 任務完成界面Fig. 9 Mission completed interface

2.3 救援人員救援模塊開發

(1)救援裝備選擇界面

救援裝備選擇界面如圖10所示。在此界面中，設置有救援裝備背包，主要包括生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設備；其中，正壓氧氣呼吸器、急救包點選即完成穿戴，生命探測儀與通訊設備則在電腦屏幕中央360°旋轉展示。救援人員必須配備全部救援裝備后，方可進行后續操作。

圖 10 救援裝備選擇界面Fig. 10 Rescue equipment selection interface

(2)抬出中毒人員界面

救援人員到達炮煙中毒事故現場后，在重度中毒人員附近站立2秒，系統便會彈出“請將中毒者抬到有新鮮風流的地方，并立即展開急救”的提示框，如圖11所示。點擊“前往進風巷”按鈕，將播放抬出中毒人員的動畫，如圖12所示。

圖 11 救援提醒界面Fig. 11 Rescue reminder inerface

(3)人員急救界面

重度中毒人員被抬至進風巷后，系統激活相應攝像機，進入人員急救界面。根據UI提示，點選揭開衣服、檢查脈搏、人工呼吸三步急救，每步均有相應動畫演示，如圖13所示。

圖 12 抬出中毒人員界面Fig. 12 The inerface of carrying out the poisoned person

圖 13 人員急救界面Fig. 13 First aid interface

(4)救援成功界面

人員急救步驟完成后，將進入救援成功界面，并提示“工人蘇醒，請立即送往就近醫院進行治療”，如圖所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進行救援任務，也可選擇返回主場景。見圖14。

圖 14 救援成功界面Fig. 14 Rescue success interface

2.4 系統完善

系統完善主要包括添加背景聲音、人員腳步聲音以及操作提示按鈕等，用以提升用戶體驗與沉浸感。此外，在系統任一界面，均在左下角設置有操作提示按鈕，點擊即可彈出相應操作說明；在右下角設置有返回按鈕，點擊將退出當前界面，并返回主場景。

3 結語

本文借助虛擬仿真、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，采用3D Max軟件建模及Unity 3D軟件開發等手段，構建了巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統，實現了掘進爆破炮煙中毒事故演示、工人自救互救及救援人員救援兩大環節實操。該系統是巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺的拓展與延伸，既可用于安全工程、土木工程專業本科生及研究生實驗教學，也可用于礦山開采、工程爆破等領域相關專業技術人員的培訓教學。