關(guān)于虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　0 引言

　　近年來，我國煤礦應(yīng)急救援工作在減少礦山事故人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失、促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。在救援時(shí)，救援行動(dòng)的成功與否取決于救援隊(duì)員能否迅速、正確地決策并實(shí)施，而這些又取決于救援人員的素質(zhì)和他們平時(shí)訓(xùn)練水平。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種訓(xùn)練學(xué)習(xí)工具，可以模擬或再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，救護(hù)隊(duì)員可以通過進(jìn)入這個(gè)虛擬的環(huán)境，嘗試采取各種各樣的救援措施，從而獲得訓(xùn)練。把游戲引入訓(xùn)練過程中使訓(xùn)練具有趣味性和吸引力，從而激發(fā)了救護(hù)隊(duì)員的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練熱情，使隊(duì)員得到更好的訓(xùn)練。本文將介紹一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在第 2部分描述了一個(gè)虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，第 3部分就系統(tǒng)所用到的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，第4部分詳細(xì)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(zāi)事故救援訓(xùn)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(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要用于礦山救護(hù)隊(duì)員事故救援的訓(xùn)練。提出利用計(jì)算機(jī)技術(shù)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(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

　　1)頂板冒落、火災(zāi)、水災(zāi)、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(dòng)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(xùn)練系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將事故現(xiàn)場在計(jì)算機(jī)中真實(shí)再現(xiàn)。隊(duì)員可以像操縱一個(gè) PRG游戲一樣。可以置身于～個(gè)真實(shí)的煤礦中，可以身臨其境的去體驗(yàn)煤礦的各個(gè)環(huán)節(jié)和完成各種訓(xùn)練任務(wù)。主要訓(xùn)練救護(hù)隊(duì)員對突發(fā)事故的實(shí)時(shí)處理能力，如何救護(hù)，將損失降低到最低限度。救護(hù)隊(duì)員通過自己的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合訓(xùn)練指導(dǎo)系統(tǒng)給出的參考指導(dǎo)，從而做出正確救援判斷。圖 1所示為虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

　　2 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　2．1虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　1)建立 3D模型關(guān)鍵技術(shù)

　　煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對事故場景進(jìn)行再現(xiàn)。因此，在構(gòu)建 3D模型時(shí)，鑒于煤礦 自身的特殊性，因其地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備類型繁多等特殊條件，直接導(dǎo)致了礦 山模型的復(fù)雜性和多樣性，模型的這種特點(diǎn)直接導(dǎo)致了對模型實(shí)時(shí)漫游等操作的效果難以保證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用多細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)能較好地解決類似問題。為了增加整個(gè)場景的真實(shí)感和立體感，在建立建筑物等的模型時(shí)，采用紋理映射…技術(shù)來控制場景復(fù)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(gè)粒子在任一時(shí)刻都具有隨機(jī)的形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度等屬性，并隨時(shí)間推移發(fā)生位置、形態(tài)的變化。每個(gè)粒子的屬性及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)均由一組預(yù)先定義的隨機(jī)過程來說明。粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和消亡三個(gè)階段，這三個(gè)階段中粒子的各種屬性隨時(shí)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(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性。

　　在虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)，場景中的火焰、煙、水束、爆炸等物體邏輯結(jié)構(gòu)很難表達(dá)，很難用幾個(gè)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(xùn)練系統(tǒng)的虛擬效果更富有真實(shí)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(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體。這種虛擬場景的幾何復(fù)雜度使得碰撞檢測的計(jì)算復(fù)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(shí)時(shí)性相矛盾。因此需要一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(gòu)的靜態(tài)特征使它們很難處理動(dòng)態(tài)場景。對此用一種基于 BSP樹的快速算法來管理整個(gè)場景，一種半調(diào)整。這一算法主要是用于處理動(dòng)態(tài)物體的碰撞。它不需要完全重新構(gòu)建樹，可以通過部分調(diào)整使 BSP樹結(jié)構(gòu)達(dá)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(gòu)改變的代價(jià)。

　　3 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)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(zāi)、水災(zāi)、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(jī)運(yùn)動(dòng)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(jī)性大，更重要的是它的顏色、形狀甚至聲音時(shí)刻變化，使得對上述場景的模擬變得十分復(fù)雜。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用粒子系統(tǒng)算法應(yīng)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(kuò)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(shí)間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達(dá)到實(shí)時(shí)變化的效果。因此在應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬爆炸和燃燒等場景時(shí)要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制和變化。

　　粒子系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

　　扔始化粒子

　　當(dāng)程寧在執(zhí)行時(shí)

　　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(gè)闞值

　　設(shè)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(shí)間而時(shí)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(shí)爆炸混合物的顏色應(yīng)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(shí)間的推移，火焰的顏色應(yīng)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(shí)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(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要是采用人工智能技術(shù)對訓(xùn)練者給以指導(dǎo)的。

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

　　基本訓(xùn)練模塊。該模塊主要是完成對隊(duì)員的基本訓(xùn)練。該模塊負(fù)責(zé)記錄每個(gè)隊(duì)員的靜態(tài)信息：如隊(duì)員的職位，喜好害怕等信息，和每個(gè)隊(duì)員在訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)信息：如隊(duì)員已經(jīng)完成的任務(wù)，所獲得的經(jīng)驗(yàn)，獎(jiǎng)勵(lì)，懲罰，所消耗的體力，所剩余的生命力值等動(dòng)態(tài)信息。通過這些來反饋隊(duì)員的生理、心理狀態(tài)及受培訓(xùn)的程度，并將其設(shè)置相對應(yīng)的值。然后評估模塊通過…個(gè)最低評估標(biāo)準(zhǔn)來評判隊(duì)員的訓(xùn)練程度、隊(duì)員是否訓(xùn)練合格。對于合格的隊(duì)員表示攻關(guān)成功，隊(duì)員的各種分值相應(yīng)的增減，并可以進(jìn)入下一階段的訓(xùn)練中。在本系統(tǒng)中，根據(jù)煤礦每一種事故發(fā)生嚴(yán)重程度分為4個(gè)關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡多有評分系統(tǒng)，可以根據(jù)隊(duì)員闖關(guān)的表現(xiàn)情況進(jìn)行打分，使隊(duì)員在攻關(guān)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(guān)難度的增加，事故的嚴(yán)重程度越復(fù)雜，隊(duì)員都有可能因傷失生命而導(dǎo)致攻關(guān)進(jìn)程終止。

　　因此，隊(duì)員必須學(xué)會(huì)保存生命力，盡可能減少傷亡。專家知識模塊。該模塊包括訓(xùn)練者完成所有任務(wù)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家工作中提煉而成的。包括：避災(zāi)路線的確定；逃生線路的確定；選擇救援措施等。它為指導(dǎo)決策提供依據(jù)。

　　指導(dǎo)決策模塊。該模塊是救援訓(xùn)練系統(tǒng)中的核心模塊。它負(fù)責(zé)提供指導(dǎo)策略。如隊(duì)員在訓(xùn)練過程中的糾錯(cuò)提示、幫助提示、評估提示等等。它通過對當(dāng)前隊(duì)員所處的事故類型和事故嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，在專家知識決策庫的基礎(chǔ)上，給出最佳救援方案。當(dāng)然隊(duì)員既可以參照指導(dǎo)決策也可以依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)做出決策。

　　訓(xùn)練評估模塊。對訓(xùn)練結(jié)果的一個(gè)近似的客觀估計(jì)和評價(jià)，即訓(xùn)練效果。最低的評估要求是被訓(xùn)練的救護(hù)隊(duì)員的生命值大于零，即活著離開事故現(xiàn)場。對于救護(hù)隊(duì)員活著離開事故現(xiàn)場是通過借助訓(xùn)練時(shí)間長短、基本訓(xùn)練模塊的隊(duì)員的心理生理狀態(tài)等一些動(dòng)態(tài)信息以及專家知識模塊和決策指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)基于C／S結(jié)構(gòu)下的虛擬煤礦事故救援游戲式訓(xùn)練系統(tǒng)。用戶可以對整個(gè)場景虛擬瀏覽和自動(dòng)漫游，也可以對整個(gè)煤礦事故救援訓(xùn)練過程進(jìn)行交互控制。

　　應(yīng)用OpenGL的系統(tǒng)配置和Visual c++編譯器的設(shè)置：動(dòng)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(biāo)簽，在Object~Libaray Modules--欄 中增)JHGLU32 LIB、 0PENGL32．LIB這兩個(gè)文件。

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

　　4 結(jié)束語

　　虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練是對救援訓(xùn)練過程的仿真，目的在于使救護(hù)隊(duì)員在計(jì)算機(jī)提供的虛擬環(huán)境中熟練掌握救援技術(shù)。通過過程仿真，重現(xiàn)煤礦事故現(xiàn)場，表現(xiàn)給救護(hù)隊(duì)員一個(gè)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(xùn)練系統(tǒng)把游戲與教育練相結(jié)合，寓教于樂、寓訓(xùn)于樂，極大地提高了隊(duì)員的想象力，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果，使隊(duì)員在游戲中提高能力，在訓(xùn)練中體驗(yàn)快樂。