煤礦災害救援虛擬演練系統研究

張新宇

(大同煤礦集團 同大科技研究院,山西 大同 037003)

煤礦災害救援虛擬演練系統研究

張新宇

(大同煤礦集團 同大科技研究院,山西 大同 037003)

針對煤礦事故應急訓練時成本高、耗時長、巷道訓練的局限性及危險性特點,構建了一套完整的模擬真實煤礦災害場景的三維救援虛擬演練系統。本次研究完成了系統的具體功能和詳細腳本,設計了學習培訓、訓練、考核考試三種模式,對系統實現的方法進行了分析,為避免事故擴大奠定良好的基礎。

煤礦災害;應急救援;虛擬演練

近年來,隨著煤礦安全技術水平和安全管理水平的提高,煤礦事故不斷減少。但由于煤礦行業的特殊性,事故時有發生,尤其是煤礦爆炸及火災等重特大事故給煤礦安全及整個社會造成了很大影響,因此應急救援非常重要。本次研究的煤礦災害救援虛擬演練系統,應用了當前先進的虛擬現實技術,通過軟、硬件相互結合,構建不同災害條件下的事故現場,可以讓救護人員更好地理解、分析各種復雜的救災環境,以便在救災過程中更準確地評價各種場景下的風險特性與危險程度,從而大幅提高救護隊救災能力。

系統可以完成以下幾方面的用途:一進行煤礦災害救援技術業務的學習、訓練;二真實災害的心理感受訓練;三煤礦井巷布置及設施、煤礦應急救援知識的學習、培訓。

1 煤礦災害救援虛擬演練系統總體設計

煤礦災害救援虛擬演練系統設計的主要功能,包括煤礦爆炸、火災等主要災害的救援過程的三維虛擬現實演示,供救護隊員及相關人員學習培訓使用。由訓練人員進行自主操作練習,進行煤礦爆炸、煤礦火災的應急救援演練,包括災區偵察、搶救遇險遇難人員、災區恢復等應急救援工作的練習[1]。應急救援隊伍對救護人員進行考核考試,操作方式是由被考核人員進入考試模式,自主進行操作,系統記錄被考核人員的操作情況,操作完成后,由演練系統根據被考核人員的實際操作情況,進行自動評分。根據對虛擬現實系統的研究,結合煤礦災害救援實際,煤礦災害救援虛擬演練系統主要包括以下幾方面內容:1)以一個完整的典型礦井建立三維模型,實現煤礦災害救援全過程的演練。2)形成靈活、先進的系統操控平臺。3)規范的演練腳本設計。4)隨機變化的環境狀態和災害點設置功能,保證演練的效果。5)方便實用的多種考核模式,使考核更準確,更有針對性。

2 煤礦災害救援虛擬演練系統實現

設計開發煤礦災害救援演練系統的根本目的是提高煤礦災害救援的學習訓練效果。為此,系統中的訓練和考試以游戲模式進行操作。這樣可以寓教于樂,消除學習訓練者學習訓練的壓力,在輕松的交互式體驗中掌握和提高煤礦災害救援的 技能[2]。

根據系統的功能需要,參考國內外游戲及虛擬實現系統開發實踐,本系統選用Unity 3D作為開發平臺,實現煤礦災害救援的學習、練習、考核考試等功能,三維巷道系統的建模通過3D MAX實現。

2.1煤礦災害救援虛擬演練支持系統

根據演練系統軟件功能及要求,設計了一套煤礦災害救援虛擬仿真音視頻系統,包括:投影機、雙通道金屬硬環幕、虛擬現實專業高端圖形工作站、數字媒體播放硬件融合機、聲道立體聲環繞音響系統、專業虛擬現實交互控制設備-仿真模擬器、大屏幕虛擬現實監視器、中控機柜、專業偏振鏡頭、無線麥克、專業立體眼鏡。虛擬現實展示系統、監視器仿真模擬器,見圖1和圖2。

圖1 虛擬現實展示系統Fig.1 Virtual reality display system

2.2煤礦災害救援虛擬三維井巷系統

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

圖2 監視器仿真模擬器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,能夠很好的反應和感覺煤礦井下的真實場景, 巷道的總體結構,見圖3,中央水泵房,見圖4。

圖3 巷道的總體結構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,可以進入煤礦礦井內進行漫游,漫游功能包括:鼠標控制漫游、鍵盤控制漫游和按設定路線自動漫游 3 種漫游方式,漫游過程中可以真實感覺到煤礦礦井內的巷道、設施、設備、管線等。這樣,在學習和受訓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煤礦災害救援虛擬學習子系統

該系統主要是進行煤礦災害救援知識的學習,進入此部分后,系統即自動展示整個災害救援的全過程,不需要人工進行操作。應急救援虛擬學習主要包括:事故匯報、事故接報、啟動應急預案、救護隊出動、災區偵察、災區處置等過程的正確方式的演示學習[4]。

為了保證學習的效果,采用了虛擬現實展示和真人規范操作視頻演示相結合的模式。通過視頻播放方式學習真實的規范操作,解決了復雜規范的具體操作往往限于技術條件和成本的問題難以實現或實現的不好等問題。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實手法實現,制作復雜、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這些操作的規范正確的做法[5]。本系統對救災過程中主要的操作進行了視頻錄制并插入虛擬現實場景的相應位置,在學習模式下設置了調用播放功能,可以在相應場景下觀看攝像,這樣就將虛擬的三維危險環境與規范、準確的操作方法結合在一起,起到更好的學習效果。

2.4煤礦災害救援虛擬訓練子系統

該系統主要是為了相關人員的應急救援練習,包括災區偵察、搶救遇險遇難人員、災區恢復等環節。練習者進入系統后自己進行操作,自己決定整個救援過程。在操作過程中采用了通用的練習模式,即操作正確才能進行下一步操作。練習過程中可以通過相關快捷鍵查看相關正確操作的提示或規定,整個操作過程系統會自動記錄[6]。

系統也實現了災害點及環境狀態的隨機變化功能,即每次訓練時系統在一定設定范圍內隨機變化災害點,同時,可以隨機變化遇難人員、井下環境參數(如大氣中瓦斯濃度、CO濃度、O2濃度,溫度等),以達到仿真訓練的目的[7]。

為此,系統設計了樣本庫,設置多種參數的樣本庫,系統在每次訓練時隨機選取某一種情況(因為各個參數之間有關聯性,而災變地點也有一定規律性,因此,不能隨機生成,只能在案例庫中隨機選取),保證了訓練情況的多樣性[8]。

根據災害救援訓練腳本,實現了系統設定功能。選擇進入練習模式界面,見圖5;通過操作快捷鍵進行氣體檢查的界面,見圖6;練習完畢練習得分界面,見圖7。

圖5 選擇進入練習模式界面Fig.5 Interface of entering training mode with selection

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

圖7 練習完畢練習得分界面Fig.7 Interface of scoring after training

2.5煤礦災害救援虛擬考核考試子系統

該系統主要用于對相關人員進行煤礦災害救援知識的考核考試,包括對災區偵察、搶救遇險遇難人員、災區恢復等環節的考核考試[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平臺,根據不同的災害場景進行相應的救援操作,系統根據被考核者的操作進行自動評分;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害應急救援裝備,進行系統平臺的場景中,由人工操作連續災害場景,被考核人員針對出現的場景進行相應的應急救援真實操作,考核人員根據操作的正確性、規范性、熟練性等進行人工考核[10]。

為了保證自動考核模式的考試效果,系統把災害救援過程中的相應操作設置了快捷鍵。被考核人員通過這些快捷鍵的操作即可在系統中啟動相應的操作或處置。操作正確得分,操作錯誤不得分或扣除相應分數。

真人操作人工考核模式是由通過系統展現災害場景,現場進行實際操作的考核模式。考核考試人員佩戴呼吸器等實際裝備進入考場,人工操作災害場景的變化,被考核人員根據展現的不同的災害場景進行現場的操作,如檢查巷道完好、檢查環境氣體、對遇險遇難人員進行生命狀況檢查、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、規范性、熟練程度等。

3 結束語

本系統系統采用Unity 3D技術作為開發平臺,依據《煤礦安全規程》、《煤礦救護規程》和相關規定,參考先進的國際煤礦災害救援理念,把煤礦災害救援全過程的知識點融入演練系統平臺,系統的真實感、沉浸感使得訓練中能夠接近災害真實場景,增強了訓練的真實性,提高了學習演練人員的災害救援水平、技術素養以及應急救援隊伍的實戰能力,為煤礦災害應急救援提供了良好的技術保障,為避免事故擴大奠定良好的基礎。

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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,大學本科,工程師,從事煤礦安全、煤礦信息化工作。

TD75

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(編輯:武曉平)