張新宇

(大同煤礦集團(tuán) 同大科技研究院,山西 大同 037003)

煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng)研究

張新宇

(大同煤礦集團(tuán) 同大科技研究院,山西 大同 037003)

針對煤礦事故應(yīng)急訓(xùn)練時成本高、耗時長、巷道訓(xùn)練的局限性及危險性特點,構(gòu)建了一套完整的模擬真實煤礦災(zāi)害場景的三維救援虛擬演練系統(tǒng)。本次研究完成了系統(tǒng)的具體功能和詳細(xì)腳本,設(shè)計了學(xué)習(xí)培訓(xùn)、訓(xùn)練、考核考試三種模式,對系統(tǒng)實現(xiàn)的方法進(jìn)行了分析,為避免事故擴(kuò)大奠定良好的基礎(chǔ)。

煤礦災(zāi)害;應(yīng)急救援;虛擬演練

近年來,隨著煤礦安全技術(shù)水平和安全管理水平的提高,煤礦事故不斷減少。但由于煤礦行業(yè)的特殊性,事故時有發(fā)生,尤其是煤礦爆炸及火災(zāi)等重特大事故給煤礦安全及整個社會造成了很大影響,因此應(yīng)急救援非常重要。本次研究的煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng),應(yīng)用了當(dāng)前先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù),通過軟、硬件相互結(jié)合,構(gòu)建不同災(zāi)害條件下的事故現(xiàn)場,可以讓救護(hù)人員更好地理解、分析各種復(fù)雜的救災(zāi)環(huán)境,以便在救災(zāi)過程中更準(zhǔn)確地評價各種場景下的風(fēng)險特性與危險程度,從而大幅提高救護(hù)隊救災(zāi)能力。

系統(tǒng)可以完成以下幾方面的用途:一進(jìn)行煤礦災(zāi)害救援技術(shù)業(yè)務(wù)的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練;二真實災(zāi)害的心理感受訓(xùn)練;三煤礦井巷布置及設(shè)施、煤礦應(yīng)急救援知識的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)。

1 煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng)設(shè)計的主要功能,包括煤礦爆炸、火災(zāi)等主要災(zāi)害的救援過程的三維虛擬現(xiàn)實演示,供救護(hù)隊員及相關(guān)人員學(xué)習(xí)培訓(xùn)使用。由訓(xùn)練人員進(jìn)行自主操作練習(xí),進(jìn)行煤礦爆炸、煤礦火災(zāi)的應(yīng)急救援演練,包括災(zāi)區(qū)偵察、搶救遇險遇難人員、災(zāi)區(qū)恢復(fù)等應(yīng)急救援工作的練習(xí)[1]。應(yīng)急救援隊伍對救護(hù)人員進(jìn)行考核考試,操作方式是由被考核人員進(jìn)入考試模式,自主進(jìn)行操作,系統(tǒng)記錄被考核人員的操作情況,操作完成后,由演練系統(tǒng)根據(jù)被考核人員的實際操作情況,進(jìn)行自動評分。根據(jù)對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究,結(jié)合煤礦災(zāi)害救援實際,煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng)主要包括以下幾方面內(nèi)容:1)以一個完整的典型礦井建立三維模型,實現(xiàn)煤礦災(zāi)害救援全過程的演練。2)形成靈活、先進(jìn)的系統(tǒng)操控平臺。3)規(guī)范的演練腳本設(shè)計。4)隨機(jī)變化的環(huán)境狀態(tài)和災(zāi)害點設(shè)置功能,保證演練的效果。5)方便實用的多種考核模式,使考核更準(zhǔn)確,更有針對性。

2 煤礦災(zāi)害救援虛擬演練系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計開發(fā)煤礦災(zāi)害救援演練系統(tǒng)的根本目的是提高煤礦災(zāi)害救援的學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果。為此,系統(tǒng)中的訓(xùn)練和考試以游戲模式進(jìn)行操作。這樣可以寓教于樂,消除學(xué)習(xí)訓(xùn)練者學(xué)習(xí)訓(xùn)練的壓力,在輕松的交互式體驗中掌握和提高煤礦災(zāi)害救援的 技能[2]。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需要,參考國內(nèi)外游戲及虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)實踐,本系統(tǒng)選用Unity 3D作為開發(fā)平臺,實現(xiàn)煤礦災(zāi)害救援的學(xué)習(xí)、練習(xí)、考核考試等功能,三維巷道系統(tǒng)的建模通過3D MAX實現(xiàn)。

2.1煤礦災(zāi)害救援虛擬演練支持系統(tǒng)

根據(jù)演練系統(tǒng)軟件功能及要求,設(shè)計了一套煤礦災(zāi)害救援虛擬仿真音視頻系統(tǒng),包括:投影機(jī)、雙通道金屬硬環(huán)幕、虛擬現(xiàn)實專業(yè)高端圖形工作站、數(shù)字媒體播放硬件融合機(jī)、聲道立體聲環(huán)繞音響系統(tǒng)、專業(yè)虛擬現(xiàn)實交互控制設(shè)備-仿真模擬器、大屏幕虛擬現(xiàn)實監(jiān)視器、中控機(jī)柜、專業(yè)偏振鏡頭、無線麥克、專業(yè)立體眼鏡。虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)、監(jiān)視器仿真模擬器,見圖1和圖2。

圖1 虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)Fig.1 Virtual reality display system

2.2煤礦災(zāi)害救援虛擬三維井巷系統(tǒng)

選擇一個典型的礦井,包括主副立井、井底車場、大巷、采區(qū)上山、回采工作面、一個掘進(jìn)工作面、回風(fēng)上山、總回風(fēng)巷等。通過3D MAX進(jìn)行三維建模,建立了礦井的虛擬三維井巷模型。所有的災(zāi)害救援虛擬演練都是基于此三維虛擬井巷模型進(jìn)行[3]。

圖2 監(jiān)視器仿真模擬器Fig. 2 Monitor simulator

通過3D MAX三維建模建立的三維井巷模型效果非常逼真,能夠很好的反應(yīng)和感覺煤礦井下的真實場景, 巷道的總體結(jié)構(gòu),見圖3,中央水泵房,見圖4。

圖3 巷道的總體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall roadway structure

圖4 中央水泵房Fig.4 Central pump station

通過虛擬三維礦井井巷系統(tǒng),可以進(jìn)入煤礦礦井內(nèi)進(jìn)行漫游,漫游功能包括:鼠標(biāo)控制漫游、鍵盤控制漫游和按設(shè)定路線自動漫游 3 種漫游方式,漫游過程中可以真實感覺到煤礦礦井內(nèi)的巷道、設(shè)施、設(shè)備、管線等。這樣,在學(xué)習(xí)和受訓(xùn)人員足不出戶的情況下,就能沉浸到煤礦礦井中,體會置身煤礦井下身臨其境的感受。

2.3煤礦災(zāi)害救援虛擬學(xué)習(xí)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是進(jìn)行煤礦災(zāi)害救援知識的學(xué)習(xí),進(jìn)入此部分后,系統(tǒng)即自動展示整個災(zāi)害救援的全過程,不需要人工進(jìn)行操作。應(yīng)急救援虛擬學(xué)習(xí)主要包括:事故匯報、事故接報、啟動應(yīng)急預(yù)案、救護(hù)隊出動、災(zāi)區(qū)偵察、災(zāi)區(qū)處置等過程的正確方式的演示學(xué)習(xí)[4]。

為了保證學(xué)習(xí)的效果,采用了虛擬現(xiàn)實展示和真人規(guī)范操作視頻演示相結(jié)合的模式。通過視頻播放方式學(xué)習(xí)真實的規(guī)范操作,解決了復(fù)雜規(guī)范的具體操作往往限于技術(shù)條件和成本的問題難以實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)的不好等問題。如蘇生器操作、人員生命體征檢查、人工呼吸等操作如果采用虛擬現(xiàn)實手法實現(xiàn),制作復(fù)雜、工作量大,而采用高清錄像,通過真人操作就完全可以很好展現(xiàn)這些操作的規(guī)范正確的做法[5]。本系統(tǒng)對救災(zāi)過程中主要的操作進(jìn)行了視頻錄制并插入虛擬現(xiàn)實場景的相應(yīng)位置,在學(xué)習(xí)模式下設(shè)置了調(diào)用播放功能,可以在相應(yīng)場景下觀看攝像,這樣就將虛擬的三維危險環(huán)境與規(guī)范、準(zhǔn)確的操作方法結(jié)合在一起,起到更好的學(xué)習(xí)效果。

2.4煤礦災(zāi)害救援虛擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是為了相關(guān)人員的應(yīng)急救援練習(xí),包括災(zāi)區(qū)偵察、搶救遇險遇難人員、災(zāi)區(qū)恢復(fù)等環(huán)節(jié)。練習(xí)者進(jìn)入系統(tǒng)后自己進(jìn)行操作,自己決定整個救援過程。在操作過程中采用了通用的練習(xí)模式,即操作正確才能進(jìn)行下一步操作。練習(xí)過程中可以通過相關(guān)快捷鍵查看相關(guān)正確操作的提示或規(guī)定,整個操作過程系統(tǒng)會自動記錄[6]。

系統(tǒng)也實現(xiàn)了災(zāi)害點及環(huán)境狀態(tài)的隨機(jī)變化功能,即每次訓(xùn)練時系統(tǒng)在一定設(shè)定范圍內(nèi)隨機(jī)變化災(zāi)害點,同時,可以隨機(jī)變化遇難人員、井下環(huán)境參數(shù)(如大氣中瓦斯?jié)舛?、CO濃度、O2濃度,溫度等),以達(dá)到仿真訓(xùn)練的目的[7]。

為此,系統(tǒng)設(shè)計了樣本庫,設(shè)置多種參數(shù)的樣本庫,系統(tǒng)在每次訓(xùn)練時隨機(jī)選取某一種情況(因為各個參數(shù)之間有關(guān)聯(lián)性,而災(zāi)變地點也有一定規(guī)律性,因此,不能隨機(jī)生成,只能在案例庫中隨機(jī)選取),保證了訓(xùn)練情況的多樣性[8]。

根據(jù)災(zāi)害救援訓(xùn)練腳本,實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)定功能。選擇進(jìn)入練習(xí)模式界面,見圖5;通過操作快捷鍵進(jìn)行氣體檢查的界面,見圖6;練習(xí)完畢練習(xí)得分界面,見圖7。

圖5 選擇進(jìn)入練習(xí)模式界面Fig.5 Interface of entering training mode with selection

圖6 通過操作快捷鍵進(jìn)行氣體檢查的界面Fig.6 Interface of gas inspection with hot keys

圖7 練習(xí)完畢練習(xí)得分界面Fig.7 Interface of scoring after training

2.5煤礦災(zāi)害救援虛擬考核考試子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于對相關(guān)人員進(jìn)行煤礦災(zāi)害救援知識的考核考試,包括對災(zāi)區(qū)偵察、搶救遇險遇難人員、災(zāi)區(qū)恢復(fù)等環(huán)節(jié)的考核考試[9]。

考核考試分兩種模式:一種是自動考核模式,即由被考核者自己操作系統(tǒng)平臺,根據(jù)不同的災(zāi)害場景進(jìn)行相應(yīng)的救援操作,系統(tǒng)根據(jù)被考核者的操作進(jìn)行自動評分;另一種是真人操作人工考核模式,即由被考核者攜帶配備好真實的災(zāi)害應(yīng)急救援裝備,進(jìn)行系統(tǒng)平臺的場景中,由人工操作連續(xù)災(zāi)害場景,被考核人員針對出現(xiàn)的場景進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急救援真實操作,考核人員根據(jù)操作的正確性、規(guī)范性、熟練性等進(jìn)行人工考核[10]。

為了保證自動考核模式的考試效果,系統(tǒng)把災(zāi)害救援過程中的相應(yīng)操作設(shè)置了快捷鍵。被考核人員通過這些快捷鍵的操作即可在系統(tǒng)中啟動相應(yīng)的操作或處置。操作正確得分,操作錯誤不得分或扣除相應(yīng)分?jǐn)?shù)。

真人操作人工考核模式是由通過系統(tǒng)展現(xiàn)災(zāi)害場景,現(xiàn)場進(jìn)行實際操作的考核模式?？己丝荚嚾藛T佩戴呼吸器等實際裝備進(jìn)入考場,人工操作災(zāi)害場景的變化,被考核人員根據(jù)展現(xiàn)的不同的災(zāi)害場景進(jìn)行現(xiàn)場的操作,如檢查巷道完好、檢查環(huán)境氣體、對遇險遇難人員進(jìn)行生命狀況檢查、人工呼吸、蘇生等。通過這種考核模式可以考核被考核人員具體操作的正確性、規(guī)范性、熟練程度等。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)系統(tǒng)采用Unity 3D技術(shù)作為開發(fā)平臺,依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦救護(hù)規(guī)程》和相關(guān)規(guī)定,參考先進(jìn)的國際煤礦災(zāi)害救援理念,把煤礦災(zāi)害救援全過程的知識點融入演練系統(tǒng)平臺,系統(tǒng)的真實感、沉浸感使得訓(xùn)練中能夠接近災(zāi)害真實場景,增強(qiáng)了訓(xùn)練的真實性,提高了學(xué)習(xí)演練人員的災(zāi)害救援水平、技術(shù)素養(yǎng)以及應(yīng)急救援隊伍的實戰(zhàn)能力,為煤礦災(zāi)害應(yīng)急救援提供了良好的技術(shù)保障,為避免事故擴(kuò)大奠定良好的基礎(chǔ)。

[1] 高蕊,蔣仲安,董楓,等.礦井災(zāi)害可視化應(yīng)急救援系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].煤炭工程,2007(4):108-110.

GAO Rui,JIANG Zhong’an, DONG Feng,etal.Research and Application of Mine Disaster Visualized Emergency Rescue System[J].Coal Engineering,2007(4):108-110.

[2] 劉永立,楊虎.煤礦火災(zāi)應(yīng)急救援演練虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013(6):22-25.

LIU Yongli,YANG Hu.Study on Virtual Reality System for Mine Fire Emergency Rescue Training[J].Mining Safety &Environmental Protection,2013(6):22-25.

[3] 程衛(wèi)民.礦井煤炭自燃的綜合防治技術(shù)及其實踐[J]. 西北煤炭,2007(3):17-22.

CHENG Weimin.Comprehensive Prevention Technology and Practice of Coal Self-igniting in Mine[J].Northwest Coal,2007(3):17-22.

[4] 趙志剛,張瑞新,郭慶勇,等. 煤礦災(zāi)害事故預(yù)案演練信息系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].煤礦開采,2007,12(2):78-79.

ZHAO Zhigang,ZHANG Ruixin,GUO Qingyong,etal.Research and Application of Colliery Disaster Previous Drilling Information System[J].Coal Mining,2007,12(2):78-79.

[5] 董楓,蔣仲安,高蕊.地理信息系統(tǒng)在礦井災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,34(3):43-46.

DONG Feng,JIANG Zhong’an,GAO Rui.Application of GIS in Emergency Rescue of Mine Disaster [J].Mining Safety and Environmental Protection,2007,34(3):43-46.

[6] 岳寧芳. 煤礦重大災(zāi)害事故應(yīng)急能力評估指標(biāo)體系的構(gòu)建[J].煤炭技術(shù),2009,28(2):3-5.

YUE Ningfang.Establish Assessing Index System for the Emergency Rescue of Serious Disasters and Accidents in the Coal Mining Enterprises[J].Coal Technology,2009,28(2):3-5.

[7] 宋曉華,羅德安.基于GIS的煤礦災(zāi)害預(yù)警救援系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程,2011(S1):303-305.

SONG Xiaohua, LUO Dean.Design of Colliery Disaster Warning Rescue System Based on GIS[J].Computer Engineering,2011(S1):303-305.

[8] 李健威,蔡峰.煤礦井下應(yīng)急救援與交通指揮系統(tǒng)的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(2):84-88.

LI Jianwei,CAI Feng.Study on Mine Underground Emergency Rescue and Traffic Commanding System[J].Coal Science and Technology,2011,39(2):84-88.

[9] 毛政利,閆繼濤.煤礦災(zāi)害事故中信息獲取的關(guān)鍵問題及其對策[J].煤礦安全,2009,40(7):118-120.

MAO Zhengli,YAN Jitao.The Key Problem of Information Acquisition in Coal Mine Disaster Accidents and Countermeasures[J].Coal Mine Safety,2009,40(7):118-120.

[10] 李培煊,強(qiáng)蕊.基于WiFi的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(4):139-143.

LI Peixuan,QIANG Rui.Emergency Rescue Wireless Communication System in Mine Based on the WiFi[J].Journal of Safety Science and Technology,2011,7(4):139-143.

VirtualTrainingSystemofEmergencyRescueforMineDisasters

ZHANGXinyu
(TongdaInstituteofScienceandTechnology,DatongCoalMineGroup,Datong037003,China)

Emergency rescue training for mine disasters is costly, time-consuming, and dangerous. A complete 3D virtual training system simulating real mine disaster scenes is established. The study completed the design of specific functions and detailed scripts of the system. Three modes were designed, including learning, training, and testing. The implementation of the system is analyzed, which could lay a solid foundation to avoid accidents in mines.

mine disaster; emergency rescue; virtual training

1672-5050(2017)03-0067-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.019

2017-05-22

張新宇(1979-),男,山西大同人,大學(xué)本科,工程師,從事煤礦安全、煤礦信息化工作。

TD75

A

(編輯:武曉平)