基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，救援行動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)一個真實(shí)的環(huán)境，救護(hù)隊(duì)員可以通過進(jìn)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(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 PRG游戲一樣?？梢灾蒙碛凇珎€真實(shí)的煤礦中，可以身臨其境的去體驗(yàn)煤礦的各個環(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，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。為了增加整個場景的真實(shí)感和立體感，在建立建筑物等的模型時，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。每個粒子在任一時刻都具有隨機(jī)的形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動方向和運(yùn)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(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(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運(yùn)動著的物體。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(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。

　　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)時間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達(dá)到實(shí)時變化的效果。因此在應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬爆炸和燃燒等場景時要進(jìn)行動態(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

　　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(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