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(zāi)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(shù)方面的原因，以往的培訓(xùn)效果差，導(dǎo)致在救援時(shí)不能很好地完成救援任務(wù)。提高培訓(xùn)效果最有效的方法是在接近真實(shí)的狀況下訓(xùn)練，但該方法需要投入大量的資源與人力，而且要做到真實(shí)模擬井下災(zāi)害是不可能實(shí)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(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的多種技術(shù)（包括圖形學(xué)、仿真學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能等多種技術(shù)）生成一個(gè)接近真實(shí)的虛擬環(huán)境且具有多種感知能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。使用者可以通過(guò)一些裝置來(lái)與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，可以產(chǎn)生與在真實(shí)的環(huán)境中一樣的感覺(jué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由產(chǎn)生虛擬世界的計(jì)算機(jī)、物體模型的建立、立體聲的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的存放庫(kù)和管理的應(yīng)用軟件系統(tǒng)、人與虛擬世界交流的輸入輸出設(shè)備、放置所有物體各方面信息的數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)系統(tǒng)的主要特征。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)圖

3 礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 煤礦生產(chǎn)設(shè)備的建模

傳統(tǒng)中用 Multi Creactor、Maya或 OpenGL、DirectX或VRML等幾何造型技術(shù)進(jìn)行幾何建模，缺點(diǎn)是構(gòu)建稍有點(diǎn)難度的模型模擬出來(lái)的結(jié)果與實(shí)物之間仍有很大差別。而圖像建模技術(shù)卻可以通過(guò)普通的相機(jī)獲取圖像，還可以通過(guò)圖像抽取表面紋理和光照信息來(lái)建立幾何模型，操作簡(jiǎn)單，十分便捷。采用圖像建模技術(shù)除了可以滿足模型的高真實(shí)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(diǎn)。要建立三維模型，可以通過(guò)三維矢量的表面模型線框來(lái)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(chǎng)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(guò)這些工具來(lái)對(duì)建立的虛擬世界進(jìn)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(lái)建立：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的位置空間進(jìn)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(lái)自動(dòng)測(cè)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(guò)場(chǎng)景編輯器的處理，使用者視野的景象就會(huì)被處理成為有規(guī)則的場(chǎng)景，在點(diǎn)擊保存后，數(shù)據(jù)就會(huì)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(guò)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(guò)slope函數(shù)進(jìn)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(jiǎn)單，只需確定墻體的水平切面，就可通過(guò)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?。?chǎng)景建立時(shí)，編輯器會(huì)初始化天空盒，平行巷就自動(dòng)建立了，只要改變巷道寬度就完成了。拱形巷頂建模需要進(jìn)行預(yù)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(guò)3DS-MAX建模工具，先完成簡(jiǎn)單的步驟，之后再進(jìn)行復(fù)雜的程序。先對(duì)各個(gè)器官進(jìn)行建模，最后再進(jìn)行人物整體的建模。鼻子、眼睛、頭發(fā)和嘴巴需要更多的復(fù)雜的幾何來(lái)建立模型，而上體、頭、腿等這些部分建模時(shí)只需要用較少的幾何來(lái)建立就可以。最后進(jìn)行修補(bǔ)和對(duì)穿著模型建立，這樣就做完了人物模型的建立。

4 礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

（1）設(shè)備儀器使用模擬

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

（2）一般技術(shù)操作模擬訓(xùn)練

根據(jù)礦山應(yīng)急救援訓(xùn)練的相關(guān)規(guī)定要求，設(shè)置能真實(shí)模擬實(shí)際救援過(guò)程的場(chǎng)景，讓學(xué)員因地制宜在仿真場(chǎng)景中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，使學(xué)員能熟練運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)，讓學(xué)員的環(huán)境適應(yīng)能力和危機(jī)處置能力得到增強(qiáng)，更好地救助被困人員。

（3）模擬救災(zāi)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

在礦山生產(chǎn)中，常見(jiàn)的主要災(zāi)害為瓦斯爆炸和水災(zāi)，經(jīng)常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)可以對(duì)各種災(zāi)害真實(shí)地進(jìn)行模擬，可以對(duì)災(zāi)害的主要發(fā)生原因、發(fā)生前的征兆、如何提前預(yù)防、救災(zāi)方法和人員的救援方法向培訓(xùn)人員演示。同時(shí)該系統(tǒng)也可以真實(shí)模擬各種井下災(zāi)害事故發(fā)生后，學(xué)員相互配合的操作儀器設(shè)備和進(jìn)行一般的技術(shù)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)救援，并且可以讓救援指揮人員鍛煉其指揮下級(jí)和其救援整體布局的能力，最終使參與訓(xùn)練的人員能學(xué)會(huì)在救援時(shí)如何更好的合作，提高整體救援能力。

5 結(jié)論

（1）礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將人、機(jī)、環(huán)境以一種非常協(xié)調(diào)的方式虛擬地結(jié)合起來(lái)，避免了傳統(tǒng)培訓(xùn)的缺陷，不需要大量的資源投入，使真實(shí)的模擬事故現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)成為可能，提高了培訓(xùn)效果，對(duì)礦山救援人員培訓(xùn)具有重要的意義和作用。

（2）礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)中，主要通過(guò)基于圖像的建模技術(shù)來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，通過(guò)一種場(chǎng)景編輯器WYSIWYG進(jìn)行三維巷道的建模，通過(guò)3DS-MAX建模技術(shù)來(lái)對(duì)虛擬人物進(jìn)行建模。

（3）該系統(tǒng)可以真實(shí)地讓學(xué)員體驗(yàn)到救援設(shè)備使用步驟和災(zāi)害發(fā)生后的救援過(guò)程，能讓學(xué)員了解礦井災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程和原理及其他知識(shí)、體驗(yàn)井下環(huán)境、熟練掌握救援技術(shù)和提高救援時(shí)的判斷能力，同時(shí)可以提高學(xué)員培訓(xùn)學(xué)習(xí)的積極性，從而極大提高培訓(xùn)效率。

（4）這種系統(tǒng)的研究開發(fā)對(duì)提高礦山應(yīng)急救援培訓(xùn)效果具有重要的作用，可以極大增強(qiáng)救援人員在面對(duì)災(zāi)害時(shí)的救援能力。