關于虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　0 引言

　　近年來，我國煤礦應急救援工作在減少礦山事故人員傷亡和財產(chǎn)損失、促進礦山安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。在救援時，救援行動的成功與否取決于救援隊員能否迅速、正確地決策并實施，而這些又取決于救援人員的素質(zhì)和他們平時訓練水平。把虛擬現(xiàn)實技術作為一種訓練學習工具，可以模擬或再現(xiàn)一個真實的環(huán)境，救護隊員可以通過進入這個虛擬的環(huán)境，嘗試采取各種各樣的救援措施，從而獲得訓練。把游戲引入訓練過程中使訓練具有趣味性和吸引力，從而激發(fā)了救護隊員的學習和訓練熱情，使隊員得到更好的訓練。本文將介紹一個基于虛擬現(xiàn)實的煤礦事故救援訓練系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，在第 2部分描述了一個虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)總體結(jié)構，第 3部分就系統(tǒng)所用到的一些關鍵技術進行了探討，第4部分詳細描述了系統(tǒng)各模塊功能，并給出了瓦斯爆炸事故場景的模擬以及煤礦火災事故救援訓練場景的模擬，第 5部分給出結(jié)論。

　　l 虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)總體結(jié)構

　　虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)主要用于礦山救護隊員事故救援的訓練。提出利用計算機技術建立一套以交互方式模擬接警、調(diào)度、現(xiàn)場指揮全過程模擬訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括以下幾個方面內(nèi)容：

　　1)頂板冒落、火災、水災、瓦斯煤塵爆炸事故過程的模擬；

　　2)各種事故救援方案的編制；

　　3)各種事故救援方案效果的自動評估；

　　4)提供煤礦基本知識和完整的救援知識。

　　虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實技術，將事故現(xiàn)場在計算機中真實再現(xiàn)。隊員可以像操縱一個 PRG游戲一樣。可以置身于～個真實的煤礦中，可以身臨其境的去體驗煤礦的各個環(huán)節(jié)和完成各種訓練任務。主要訓練救護隊員對突發(fā)事故的實時處理能力，如何救護，將損失降低到最低限度。救護隊員通過自己的經(jīng)驗并結(jié)合訓練指導系統(tǒng)給出的參考指導，從而做出正確救援判斷。圖 1所示為虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)總體結(jié)構。

　　2 虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)關鍵技術

　　2．1虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)關鍵技術

　　1)建立 3D模型關鍵技術

　　煤礦事故救援訓練系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實技術對事故場景進行再現(xiàn)。因此，在構建 3D模型時，鑒于煤礦 自身的特殊性，因其地質(zhì)構造條件復雜、機械設備類型繁多等特殊條件，直接導致了礦 山模型的復雜性和多樣性，模型的這種特點直接導致了對模型實時漫游等操作的效果難以保證。實驗發(fā)現(xiàn)，運用多細節(jié)層次模型技術能較好地解決類似問題。為了增加整個場景的真實感和立體感，在建立建筑物等的模型時，采用紋理映射…技術來控制場景復雜度、加速圖形繪制速度。

　　2)粒子系統(tǒng)建模

　　粒子系統(tǒng)方法就是將大量的粒子圖元集合在一起，通過其屬性的變化表現(xiàn)物體的物理特性。每個粒子在任一時刻都具有隨機的形狀、大小、顏色、透明度、運動方向和運動速度等屬性，并隨時間推移發(fā)生位置、形態(tài)的變化。每個粒子的屬性及動力學性質(zhì)均由一組預先定義的隨機過程來說明。粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過產(chǎn)生、運動和消亡三個階段，這三個階段中粒子的各種屬性隨時問的推移發(fā)生各種變化，從而充分體現(xiàn)出不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機性。

　　在虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)，場景中的火焰、煙、水束、爆炸等物體邏輯結(jié)構很難表達，很難用幾個圖元表示。而粒子系統(tǒng)適用于這類物體。

　　3)碰撞檢測

　　為了使煤礦事故救援訓練系統(tǒng)的虛擬效果更富有真實感，碰撞檢測是必須要的。針對煤礦虛擬場景有著成千上萬個運動著的物體。這種虛擬場景的幾何復雜度使得碰撞檢測的計算復雜度人大提高。然而精確的碰撞檢測又與人們對系統(tǒng)的實時性相矛盾。因此需要一種數(shù)據(jù)結(jié)構對場景有效管理，二元空間分割樹(BSP樹)是一種對場景有效管理方法。

　　然而由于這種空問數(shù)據(jù)結(jié)構的靜態(tài)特征使它們很難處理動態(tài)場景。對此用一種基于 BSP樹的快速算法來管理整個場景，一種半調(diào)整。這一算法主要是用于處理動態(tài)物體的碰撞。它不需要完全重新構建樹，可以通過部分調(diào)整使 BSP樹結(jié)構達到最合適的平衡狀態(tài)和保持最高的特性。 可以用一種調(diào)度算法來評估 BSP樹開始失衡的地方，用一些策略來選擇改變分割平面，從而降低更新帶來的樹結(jié)構改變的代價。

　　3 虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)

　　3．1事故場景模擬系統(tǒng)

　　在煤礦事故模擬系統(tǒng)中主要包括：頂板冒落、火災、水災、瓦斯煤塵爆炸情形的模擬。限于篇幅，本文以瓦斯爆炸模擬為例。

　　由于瓦斯爆炸、燃燒、煙霧場景足由無數(shù)小顆粒隨機運動而產(chǎn)生的，不僅外觀形狀極不規(guī)則，沒有固定的形狀，隨機性大，更重要的是它的顏色、形狀甚至聲音時刻變化，使得對上述場景的模擬變得十分復雜。經(jīng)過實驗證明，比較成功的模擬方法足粒子系統(tǒng)算法。

　　爆炸的產(chǎn)生是通過定義粒子的數(shù)量，對新生粒子賦予初始狀態(tài)值并在系統(tǒng)中產(chǎn)生這些粒子來實現(xiàn)的。應用粒子系統(tǒng)算法應定義粒子的主要屬性有：生命周期，粒子數(shù)，粒子源的形狀、粒子的大小、粒子的擴散速度，粒子的顏色。爆炸、燃燒以及煙霧的模擬場景根據(jù)時間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達到實時變化的效果。因此在應用粒子系統(tǒng)模擬爆炸和燃燒等場景時要進行動態(tài)的控制和變化。

　　粒子系統(tǒng)運行流程如下：

　　扔始化粒子

　　當程寧在執(zhí)行時

　　婦袋粒子沒有消亡

　　根據(jù)粒子的速受更贛粒子的位置

　　根據(jù)粒子的擁速度更新粒予的遮瘦

　　修改粒子的能量

　　如染粒予的能量小于某個闞值

　　設置粒子狀態(tài)為酒亡

　　鋤裂粒子擊中場景物l奉或其他粒子

　　修改粒子的短霆、J,1、速受和能量

　　顯示粒了

　　程宇結(jié)束

　在爆炸的過程中，爆炸產(chǎn)生的煙霧的顏色是隨著時間而時刻變化的。因此對爆炸混合物顏色的處理是十分重要的。根據(jù)常識，爆炸開始時爆炸混合物的顏色應該以霧狀的銀白色為主，隨后變?yōu)殚冱S色，最后紅色成為主要顏色。隨著時間的推移，火焰的顏色應該逐漸變黃、變灰，最后變黑。圖2所示為瓦斯爆炸顏色的漸變過程。剛剛開始時以銀白色為主，隨后變?yōu)殚冱S色，最后紅色成為主要顏色。

　　3．2虛擬煤礦事故救援訓練系統(tǒng)設計

　　救援訓練系統(tǒng)主要是采用人工智能技術對訓練者給以指導的。

　　虛擬煤礦事故救援系統(tǒng)包括：基本訓練模塊，專家知識模塊，指導決策模塊和訓練評估模塊。其各個部分功能定義如下：

　　基本訓練模塊。該模塊主要是完成對隊員的基本訓練。該模塊負責記錄每個隊員的靜態(tài)信息：如隊員的職位，喜好害怕等信息，和每個隊員在訓練過程中的動態(tài)信息：如隊員已經(jīng)完成的任務，所獲得的經(jīng)驗，獎勵，懲罰，所消耗的體力，所剩余的生命力值等動態(tài)信息。通過這些來反饋隊員的生理、心理狀態(tài)及受培訓的程度，并將其設置相對應的值。然后評估模塊通過…個最低評估標準來評判隊員的訓練程度、隊員是否訓練合格。對于合格的隊員表示攻關成功，隊員的各種分值相應的增減，并可以進入下一階段的訓練中。在本系統(tǒng)中，根據(jù)煤礦每一種事故發(fā)生嚴重程度分為4個關卡，每個關卡多有評分系統(tǒng)，可以根據(jù)隊員闖關的表現(xiàn)情況進行打分，使隊員在攻關的艱難過程中，磨練斗志，培養(yǎng)技能，提高自己的能力。隨著攻關難度的增加，事故的嚴重程度越復雜，隊員都有可能因傷失生命而導致攻關進程終止。

　　因此，隊員必須學會保存生命力，盡可能減少傷亡。專家知識模塊。該模塊包括訓練者完成所有任務所必須掌握的基本知識庫和專家決策知識庫。專家決策知識庫內(nèi)容主要是從處理煤礦事故有豐富實踐經(jīng)驗的專家工作中提煉而成的。包括：避災路線的確定；逃生線路的確定；選擇救援措施等。它為指導決策提供依據(jù)。

　　指導決策模塊。該模塊是救援訓練系統(tǒng)中的核心模塊。它負責提供指導策略。如隊員在訓練過程中的糾錯提示、幫助提示、評估提示等等。它通過對當前隊員所處的事故類型和事故嚴重程度進行分析，在專家知識決策庫的基礎上，給出最佳救援方案。當然隊員既可以參照指導決策也可以依據(jù)自己的經(jīng)驗做出決策。

　　訓練評估模塊。對訓練結(jié)果的一個近似的客觀估計和評價，即訓練效果。最低的評估要求是被訓練的救護隊員的生命值大于零，即活著離開事故現(xiàn)場。對于救護隊員活著離開事故現(xiàn)場是通過借助訓練時間長短、基本訓練模塊的隊員的心理生理狀態(tài)等一些動態(tài)信息以及專家知識模塊和決策指導模塊的最佳逃生或救援路線結(jié)合得出綜合評估結(jié)果。

　　本文是：t,~OpenGL與Vc++相結(jié)合在Windows平 臺上實現(xiàn)基于C／S結(jié)構下的虛擬煤礦事故救援游戲式訓練系統(tǒng)。用戶可以對整個場景虛擬瀏覽和自動漫游，也可以對整個煤礦事故救援訓練過程進行交互控制。

　　應用OpenGL的系統(tǒng)配置和Visual c++編譯器的設置：動態(tài)鏈接庫 ：GLU32 DLL、OPENGL32 DLL (放 到C：＼WINDOWS目錄＼system32) 頭文件：GL．H、GLAUX．H、GLU．H (放到 C：WrogramFileskM icrosoft Visual Studio＼VC98klnclude＼GL) 庫文件 ：GLAUX LIB、GLU32．LIB、OPENGL32．LIB(放~ljC：Wrogram FileskMicrosoft Visual Studio＼VC98~IB) 打開菜單Project＼Settmgs，在彈出的對話框中選擇Link標簽，在Object~Libaray Modules--欄 中增)JHGLU32 LIB、 0PENGL32．LIB這兩個文件。

用戶在場景中用替身(Avatar)表示，在進入游戲訓練時，用戶可 以選擇一個空閑的Player作為 自己的替身，在每一個場景需要選擇相應的裝備，執(zhí)行相應的操作，并獲得相應的積分何扣分，完成訓練的目的。圖3所示是對煤礦火災事故救援訓練場景的模擬過程：發(fā)現(xiàn)火災一接警調(diào)度一滅火過程。首先是被訓練隊員發(fā)現(xiàn)火災，并向上級報告火災情況(發(fā)生地點、氣體、溫度、通風設施、巷道破壞情況等)。然后根據(jù)指揮，開展救援行動。

　　4 結(jié)束語

　　虛擬煤礦事故救援訓練是對救援訓練過程的仿真，目的在于使救護隊員在計算機提供的虛擬環(huán)境中熟練掌握救援技術。通過過程仿真，重現(xiàn)煤礦事故現(xiàn)場，表現(xiàn)給救護隊員一個逼真的三維視景環(huán)境，猶如身臨其境，沉浸在煤礦事故的虛擬環(huán)境中。而且虛擬煤礦救援訓練系統(tǒng)把游戲與教育練相結(jié)合，寓教于樂、寓訓于樂，極大地提高了隊員的想象力，激發(fā)學員的學習興趣，強化學習效果，使隊員在游戲中提高能力，在訓練中體驗快樂。