巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統(tǒng)構建*

張飛燕，溫佳宇，韓 穎

(1.河南理工大學 a.安全科學與工程學院；b.能源科學與工程學院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作 454003)

“爆破安全”、“爆破工程”均為我校安全工程、土木工程專業(yè)的核心課程，主要講述爆破理論基礎、工業(yè)炸藥、起爆技術、巖石爆破理論、礦山與地下工程爆破技術及安全、爆破危害與安全防控、爆破安全管理等內容[1,2]。巷道掘進爆破安全實驗是上述課程的主要實驗內容之一，實驗教學過程中存在以下問題：①實驗危險性高。爆破實驗安全要求高，實驗涉及到的雷管、炸藥等均為國家嚴格管控的高危險性爆破器材，實驗環(huán)境極端復雜且過程不可逆。②實驗條件不可及。GA990—2012《爆破作業(yè)單位資質條件和管理要求》[3]規(guī)定：爆破作業(yè)按照要求實施資質管理，“非營業(yè)性條件要求”國內各高校均不具備。③爆破有害效應多。井下爆破產(chǎn)生的有毒有害氣體、粉塵、爆破振動、爆破沖擊波等危害，不僅會造成大氣環(huán)境及地下水資源污染、巷道圍巖損傷、工人炮煙中毒等，而且一定程度上還會誘發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等次生災害。基于以上現(xiàn)實問題，探索新型、有效的實驗教學手段迫在眉睫。

近年來，教育部連續(xù)出臺了一系列政策，大力支持與推動虛擬仿真實驗教學項目研究。教育部高等教育司在其發(fā)布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94號)中明確指出：虛擬仿真實驗教學的任務是構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[4]；《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》(教高函〔2018〕5號)中指出：國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[5]。

在此背景下，各高校虛擬仿真實驗教學項目建設工作開展得如火如荼[6-11]。筆者借助虛擬仿真、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，構建了巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺并已上線運行[12,13]，讓學生能夠在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展爆破實驗、模擬真實實驗過程，實現(xiàn)了巷道掘進爆破方案設計、爆破施工、爆破危害監(jiān)測與分析三個方面的實驗教學內容；但美中不足的是，該平臺尚未涉及井巷掘進爆破事故的處理，即事故應急救援。為此，本文以井巷掘進爆破過程中的典型事故—炮煙中毒為例，構建炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統(tǒng)，以期對巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺加以拓展與延伸。

1 虛擬仿真系統(tǒng)模塊設置

基于煤礦真實掘進巷道，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關規(guī)定[14]，結合煤礦事故應急救援要求與內容[15]，參考爆破事故應急救援預案[16]，虛擬仿真系統(tǒng)模塊設置為兩部分：工人自救互救模塊、救援人員救援模塊，如圖1所示。

圖 1 虛擬仿真系統(tǒng)模塊設置Fig. 1 Module setup of virtual simulation system

1.1 主場景模塊

主場景是系統(tǒng)的初始界面，可進行角色選擇操作。根據(jù)系統(tǒng)模塊設置，人物角色分為兩類：工人、救援人員；不同角色將進入不同的任務場景。

1.2 工人自救互救模塊

工人自救互救模塊主要包括以下內容：工人選擇下井裝備、佩戴自救器后進入掘進巷道、協(xié)助炮煙中毒人員佩戴自救器并攙扶其撤離災區(qū)、向地面調度室報警等。

該模塊設置思路如下：

(1)在主場景模塊，選擇人物角色為工人。

(2)進入工人自救互救模塊后，首先選擇下井裝備。

(3)工人穿戴好下井裝備后，按提示向掘進巷道行進。

(4)發(fā)現(xiàn)炮煙中毒工人，及時檢查中毒人員身體狀況，并協(xié)助尚有活動能力的輕度中毒人員撤離工作地點。

(5)人員撤至安全地點后，利用井下調度電話，向地面調度室報警，請求救援。

1.3 救援人員救援模塊

救援人員救援模塊主要包括以下內容：救援人員選擇救援設備、到達事故地點將炮煙中毒者抬至新鮮風流處、進行人工呼吸等。

該模塊設置思路如下：

(1)救援人員下井前，首先選擇生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設備等救援裝備。

(2)根據(jù)提示箭頭到達事故發(fā)生地點。

(3)檢查重度中毒人員的呼吸、心跳等情況后，用擔架將其抬至新鮮風流處。

(4)對重度中毒人員進行人工呼吸急救。

(5)重度中毒人員恢復意識，救援成功。

2 巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統(tǒng)構建

巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統(tǒng)采用3D Max軟件建模，采用Unity 3D軟件、按主場景模塊→工人自救互救模塊(worker場景)→救援人員救援模塊(rescuer場景)順序依次進行系統(tǒng)開發(fā)，使用W、A、S、D四鍵控制角色移動。根據(jù)真實巷道規(guī)格與尺寸，按1∶1比例構建的煤礦掘進巷道模型如圖2所示。

2.1 主場景開發(fā)

系統(tǒng)主場景由3D物體與UI界面組合構成，其界面如圖3所示。點擊worker按鍵進入工人自救互救模塊，點擊rescuer按鍵進入救援人員救援模塊，點擊Exit則退出系統(tǒng)。主場景運行時，兩人物角色處于奔跑狀態(tài)。

圖 2 掘進巷道模型Fig. 2 Roadway model

圖 3 系統(tǒng)主場景界面Fig. 3 Main scene interface

2.2 工人自救互救模塊開發(fā)

根據(jù)設置思路，工人自救互救模塊開發(fā)步驟如下：

(1)過場動畫

該模塊共設置6個UI界面、5個相機。進入該模塊后，首先播放一段過場動畫，展示炮煙產(chǎn)生與工人中毒倒地的過程[17]，如圖4所示。工人炮煙中毒程度設置為兩種：①重度中毒，工人直接倒地、喪失活動能力；②輕度中毒，工人具有活動能力，在攙扶下可進行撤離。

圖 4 過場動畫Fig. 4 Cutscenes

(2)下井裝備選擇界面

過場動畫播放完畢后，系統(tǒng)自動進入下井裝備選擇界面，如圖5所示。在此界面中，用戶需通過鼠標點擊UI界面裝備按鈕，選擇下井裝備—礦燈與自救器后，向掘進巷道行進；工人若未穿戴下井裝備，后續(xù)操作將無法進行。通過該種設計方式，強化用戶下井前必須佩戴礦燈與自救器的安全意識。

圖 5 下井裝備選擇界面Fig. 5 Equipment selection interface before entering the coal mine

(3)工人自救互救界面

進入掘進巷道后，工人在倒地工友附近站立2秒，即可觸發(fā)撤離按鈕，如圖6所示。點擊“攙扶撤離”按鈕，工人將協(xié)助輕度炮煙中毒人員佩戴自救器并協(xié)助其撤離事故地點，如圖7所示。

圖 6 工人自救互救起始界面Fig. 6 The starting interface of workers′ self-rescue and mutual rescue

圖 7 攙扶撤離界面Fig. 7 Assist evacuation interface

(4)報警界面

協(xié)助輕度中毒人員撤至安全地點后，工人到井下調度電話旁停留2秒，即可觸發(fā)報警界面，如圖8所示。點擊“報警”按鈕，工人將向地面調度室報警，請求救援。

圖 8 報警界面Fig. 8 Alarm interface

(5)任務完成界面

前述任務全部完成后，將顯示任務完成界面，如圖9所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進行任務，也可選擇返回主場景。

圖 9 任務完成界面Fig. 9 Mission completed interface

2.3 救援人員救援模塊開發(fā)

(1)救援裝備選擇界面

救援裝備選擇界面如圖10所示。在此界面中，設置有救援裝備背包，主要包括生命探測儀、正壓氧氣呼吸器、急救包、通訊設備；其中，正壓氧氣呼吸器、急救包點選即完成穿戴，生命探測儀與通訊設備則在電腦屏幕中央360°旋轉展示。救援人員必須配備全部救援裝備后，方可進行后續(xù)操作。

圖 10 救援裝備選擇界面Fig. 10 Rescue equipment selection interface

(2)抬出中毒人員界面

救援人員到達炮煙中毒事故現(xiàn)場后，在重度中毒人員附近站立2秒，系統(tǒng)便會彈出“請將中毒者抬到有新鮮風流的地方，并立即展開急救”的提示框，如圖11所示。點擊“前往進風巷”按鈕，將播放抬出中毒人員的動畫，如圖12所示。

圖 11 救援提醒界面Fig. 11 Rescue reminder inerface

(3)人員急救界面

重度中毒人員被抬至進風巷后，系統(tǒng)激活相應攝像機，進入人員急救界面。根據(jù)UI提示，點選揭開衣服、檢查脈搏、人工呼吸三步急救，每步均有相應動畫演示，如圖13所示。

圖 12 抬出中毒人員界面Fig. 12 The inerface of carrying out the poisoned person

圖 13 人員急救界面Fig. 13 First aid interface

(4)救援成功界面

人員急救步驟完成后，將進入救援成功界面，并提示“工人蘇醒，請立即送往就近醫(yī)院進行治療”，如圖所示。在此界面中，用戶可以選擇重新進行救援任務，也可選擇返回主場景。見圖14。

圖 14 救援成功界面Fig. 14 Rescue success interface

2.4 系統(tǒng)完善

系統(tǒng)完善主要包括添加背景聲音、人員腳步聲音以及操作提示按鈕等，用以提升用戶體驗與沉浸感。此外，在系統(tǒng)任一界面，均在左下角設置有操作提示按鈕，點擊即可彈出相應操作說明；在右下角設置有返回按鈕，點擊將退出當前界面，并返回主場景。

3 結語

本文借助虛擬仿真、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，采用3D Max軟件建模及Unity 3D軟件開發(fā)等手段，構建了巷道掘進爆破炮煙中毒應急救援虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進爆破炮煙中毒事故演示、工人自救互救及救援人員救援兩大環(huán)節(jié)實操。該系統(tǒng)是巷道掘進爆破安全虛擬仿真實驗教學平臺的拓展與延伸，既可用于安全工程、土木工程專業(yè)本科生及研究生實驗教學，也可用于礦山開采、工程爆破等領域相關專業(yè)技術人員的培訓教學。