煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究*

李紹良 張 磊

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院資源工程系）

煤礦定期開(kāi)展事故應(yīng)急演練是實(shí)現(xiàn)國(guó)家制訂的煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)必備條件，也是煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案中的基本要求，而開(kāi)展火災(zāi)事故應(yīng)急演練對(duì)于煤礦生產(chǎn)企業(yè)成本高、投入大。由于受到煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜多變的影響，火災(zāi)事故演練安全風(fēng)險(xiǎn)比較高，大多煤礦企業(yè)火災(zāi)事故演練大多以走形式、完任務(wù)為主，無(wú)法達(dá)到事故演練的目的和效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［1-2］是在虛擬空間中仿真模擬真實(shí)場(chǎng)景，讓體驗(yàn)者沉浸在虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)與虛擬場(chǎng)景物體的交互操作，來(lái)仿真模擬真實(shí)世界中發(fā)生的事件，從而完成相應(yīng)的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)火災(zāi)事故演練過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)模擬煤礦井下火災(zāi)事故場(chǎng)景，學(xué)員在虛擬火災(zāi)場(chǎng)景中開(kāi)展應(yīng)急演練作業(yè)，可以大大降低火災(zāi)應(yīng)急演練的風(fēng)險(xiǎn)和成本，打破時(shí)間空間的限制，反復(fù)演練，提高演練效率，減少了事故演練的安全隱患，加入游戲化設(shè)計(jì)，提高學(xué)員參與的熱情和積極性。

本項(xiàng)目使用3Dmax三維建模軟件對(duì)煤礦巷道環(huán)境及各類(lèi)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行虛擬三維建模，巷道及設(shè)備模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D游戲引擎進(jìn)行煤礦井下巷道虛擬場(chǎng)景搭建，使用粒子系統(tǒng)模擬真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景中的燃燒的火焰及煙霧，形成煤礦火災(zāi)事故虛擬仿真場(chǎng)景，使用C#編程語(yǔ)言對(duì)煤礦火災(zāi)事故演練的全流程進(jìn)行邏輯交互開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

在分析了煤礦火災(zāi)事故應(yīng)急預(yù)案關(guān)于事故演練流程的相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了煤礦火災(zāi)事故應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)，從事故發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員角度出發(fā)，模擬火災(zāi)事故發(fā)生、事故情況上報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置、應(yīng)急避險(xiǎn)逃生等事故演練的動(dòng)態(tài)過(guò)程，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）在虛擬煤礦場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)火災(zāi)事故的全過(guò)程模擬。通過(guò)Unity3D虛擬引擎搭建采煤工作面和掘進(jìn)工作面虛擬煤礦工作場(chǎng)景，預(yù)設(shè)了發(fā)生火災(zāi)的火焰和煙氣特效資源，設(shè)置虛擬場(chǎng)景下火災(zāi)發(fā)生的初始條件，一旦滿(mǎn)足條件，即可觸發(fā)釋放火焰和煙氣粒子特效，形成火災(zāi)場(chǎng)景。

（2）模擬火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置流程。煤礦井下火災(zāi)事故發(fā)生之后，需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置，該系統(tǒng)能夠模擬礦井火災(zāi)發(fā)生之后的現(xiàn)場(chǎng)處置流程，通過(guò)培訓(xùn)人員一系列應(yīng)急操作，將火勢(shì)進(jìn)一步得到控制或者撲滅，實(shí)現(xiàn)模擬火災(zāi)事故應(yīng)急處置的訓(xùn)練過(guò)程。

（3）模擬火災(zāi)事故應(yīng)急逃生流程。煤礦火災(zāi)在工作人員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置之后，依然無(wú)法控制，火勢(shì)越來(lái)越大，現(xiàn)場(chǎng)工作人員應(yīng)立即進(jìn)行應(yīng)急逃生，該系統(tǒng)能夠模擬培訓(xùn)人員在虛擬煤礦火災(zāi)場(chǎng)景中應(yīng)急逃生的流程，使培訓(xùn)人員能夠建立火災(zāi)避險(xiǎn)意識(shí)和正確的火災(zāi)逃生方法。

（4）對(duì)火災(zāi)事故演練過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。培訓(xùn)人員在對(duì)火災(zāi)事故演練完成之后，對(duì)該學(xué)員的火災(zāi)事故演練過(guò)程進(jìn)行評(píng)估打分，對(duì)火災(zāi)演練過(guò)程中操作錯(cuò)誤的地方進(jìn)行提示，并給出正確的操作建議和指導(dǎo)。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦火災(zāi)事故應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，形成煤礦火災(zāi)事故應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)，包括礦井虛擬環(huán)境漫游模塊、煤礦火災(zāi)煙氣仿真模塊、火災(zāi)事故應(yīng)急處置模塊、火災(zāi)事故應(yīng)急避險(xiǎn)模塊、火災(zāi)事故演練評(píng)估模塊，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件交互設(shè)備

2.1 VR萬(wàn)向跑步機(jī)

煤礦火災(zāi)事故應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)使用VR萬(wàn)向跑步機(jī)和VR頭戴眼鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)在煤礦虛擬環(huán)境中行走及事件交互，VR萬(wàn)向跑步機(jī)是一種VR輸入設(shè)備，可以把真實(shí)人體行走動(dòng)作轉(zhuǎn)化為虛擬空間中的行走位移，把有限的物理空間向無(wú)限的虛擬空間進(jìn)行擴(kuò)展，增強(qiáng)使用者在虛擬礦井環(huán)境的沉浸感、代入感。

2.2 VR頭戴眼鏡

VR頭戴眼鏡搭載2個(gè)OLED顯示屏和2 880×1 600像素的先進(jìn)顯示系統(tǒng)，專(zhuān)為極致高端體驗(yàn)所設(shè)計(jì)，體驗(yàn)超清晰的文字、畫(huà)面和畫(huà)質(zhì)。陀螺儀傳感器、加速度計(jì)、激光定位傳感器結(jié)合在一起，能在2個(gè)軸線方向上精確定位人員頭部的旋轉(zhuǎn)，精確度可以達(dá)到十分之一度，讓體驗(yàn)者十分自然地觀看虛擬環(huán)境。

3 軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

選取合適的仿真軟件開(kāi)發(fā)引擎至關(guān)重要，本軟件系統(tǒng)選取3Dmax進(jìn)行煤礦虛擬環(huán)境建模，然后把建好的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D渲染引擎中，使用C#腳本語(yǔ)言進(jìn)行交互邏輯開(kāi)發(fā)，完成煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練流程的模擬仿真。

3.1 煤礦虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

煤礦虛擬場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)包括虛擬場(chǎng)景的建模和虛擬場(chǎng)景渲染2個(gè)方面，使用3Dmax軟件對(duì)煤礦井下巷道場(chǎng)景進(jìn)行建模，按照巷道的不同用途，把巷道分為梯形巷道、矩形巷道、半圓拱巷道，應(yīng)用放樣工具，使用樣條線繪制幾種巷道斷面邊緣圖形，再繪制巷道中心延伸線，然后使用放樣工具，把巷道斷面的圖形放樣到巷道中心延伸線上，形成完整的煤礦巷道三維模型。煤礦各類(lèi)設(shè)備使用復(fù)合對(duì)象建模、面片建模、放樣建模等方法制作，效果如圖2所示。

3.2 人員角色漫游構(gòu)建

培訓(xùn)人員通過(guò)佩戴VR眼鏡，需要選擇特定人員角色進(jìn)入虛擬場(chǎng)景，不同的人員角色具有不同的培訓(xùn)任務(wù)和交互場(chǎng)景，通過(guò)引用Unity3D引擎的人物角色組件，選擇人員模型進(jìn)行骨架綁定，并編輯人物的走、跑、跳等人物動(dòng)畫(huà)動(dòng)作，最終在虛擬煤礦場(chǎng)景中，通過(guò)培訓(xùn)人員對(duì)人物角色進(jìn)行漫游行走控制，實(shí)現(xiàn)在虛擬煤礦場(chǎng)景的漫游體驗(yàn)。

3.3 火災(zāi)事故仿真的粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)［3］是游戲物理、運(yùn)動(dòng)圖形和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一種技術(shù)，它使用許多微小的粒子、3D模型或其他圖形對(duì)象來(lái)模擬雨、雪、霜、火焰、煙氣等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象使用傳統(tǒng)的渲染技術(shù)很難重現(xiàn)。粒子系統(tǒng)的特效實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)歷3個(gè)流程模塊，如圖3所示。

發(fā)射階段：發(fā)射器通過(guò)生成率參數(shù)（每單位時(shí)間生成多少粒子）進(jìn)行粒子發(fā)射，當(dāng)使用網(wǎng)格對(duì)象作為發(fā)射器時(shí)，初始速度矢量通常設(shè)置為垂直于對(duì)象的各個(gè)面，使粒子看起來(lái)是直接從每個(gè)面“噴射”出來(lái)。

模擬階段：創(chuàng)建的新粒子的數(shù)量根據(jù)生成率和更新間隔計(jì)算，并且每個(gè)粒子都根據(jù)發(fā)射器的位置和指定的生成區(qū)域，在3D空間的特定位置生成。每個(gè)粒子的參數(shù)（即速度、顏色等）都根據(jù)發(fā)射器的參數(shù)進(jìn)行初始化，每次更新時(shí)，都會(huì)檢查所有現(xiàn)有粒子是否已超過(guò)其壽命，如超出壽命，它們將從模擬中被移除。此外，粒子的位置和其他特性會(huì)基于物理模擬進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)。

渲染階段：更新完成后，每個(gè)粒子都會(huì)被渲染，通常采用帶紋理的廣告牌四邊形（即始終面向觀察者的四邊形）的形式。在小分辨率、有限處理能力的環(huán)境中，可以將粒子渲染為單個(gè)像素。

3.4 火焰及煙氣特效仿真模擬實(shí)現(xiàn)

煤礦火災(zāi)事故火災(zāi)和煙氣的仿真模擬應(yīng)用Unity3D引擎的粒子系統(tǒng)，Unity使用組件實(shí)現(xiàn)粒子系統(tǒng)，將粒子系統(tǒng)放置在場(chǎng)景中涉及到添加預(yù)制的游戲?qū)ο螅ú藛危篏ameObject＞Effects＞ParticleSystem）或?qū)⒔M件添加到現(xiàn)有游戲?qū)ο螅ú藛危篊omponent＞Effects＞Particle System）。由于組件非常復(fù)雜，因此Inspector分為多個(gè)可折疊子部分或模塊，每個(gè)子部分或模塊都包含一組相關(guān)屬性。此外，可使用單獨(dú)的Editor窗口（通過(guò)Inspector中的Open Window按鈕訪問(wèn)）同時(shí)編輯一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)。

使用Unity3D粒子系統(tǒng)仿真煤礦火災(zāi)的火焰和煙氣，可以很好地模擬出火焰的動(dòng)態(tài)流動(dòng)效果，火焰和煙氣分別使用2個(gè)粒子系統(tǒng)：火焰使用黃色漸變貼圖作為火焰的粒子系統(tǒng)渲染方式，并按照粒子發(fā)射之后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同，賦予不同的粒子紋理貼圖顏色，模擬出在火焰中心位置和周邊位置不同的火焰形態(tài)和渲染效果；煙氣粒子系統(tǒng)使用灰色漸變紋理貼圖，渲染方式為按照粒子發(fā)射的時(shí)間來(lái)決定粒子貼圖紋理的縮放大小，在粒子發(fā)射初期渲染煙氣紋理較小，隨著粒子運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，渲染的煙氣紋理逐漸擴(kuò)大，達(dá)到煙氣擴(kuò)散的渲染效果，如圖4所示。在火焰和煙氣粒子系統(tǒng)中加入點(diǎn)光源組件，光源顏色設(shè)置為火焰發(fā)出的橘黃色，模式為實(shí)時(shí)，并設(shè)置適當(dāng)?shù)墓庠磸?qiáng)度，實(shí)現(xiàn)光影實(shí)時(shí)渲染特效，模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的火光效果，光線的強(qiáng)弱隨著火焰的擺動(dòng)進(jìn)行周期變化，從而模擬真實(shí)火災(zāi)發(fā)生時(shí)光照的變化，增強(qiáng)火災(zāi)場(chǎng)景的真實(shí)感和沉浸感。

3.5 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置模擬

在煤礦火災(zāi)發(fā)生初期，由于火勢(shì)較小，煤礦井下人員可以開(kāi)展火災(zāi)初期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置，進(jìn)行火災(zāi)的撲救工作，把災(zāi)害控制在萌芽狀態(tài)?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置模擬包括以下幾個(gè)流程模塊：發(fā)現(xiàn)火情、事故上報(bào)、選擇滅火方式、尋找滅火器材工具、火災(zāi)撲救等VR交互環(huán)節(jié)，具體交互流程如圖5所示。通過(guò)VR虛擬仿真的方式，將各流程進(jìn)行展示，學(xué)習(xí)者沉浸在煤礦環(huán)境中，與各應(yīng)急流程進(jìn)行交互，最終將交互結(jié)果反饋到場(chǎng)景中，達(dá)到火災(zāi)應(yīng)急處置演練目的［4-5］。

3.6 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急避險(xiǎn)模擬

在煤礦火災(zāi)發(fā)生初期階段，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)施應(yīng)急處置措施，展開(kāi)火災(zāi)撲救之后，火勢(shì)依然沒(méi)有得到有效控制，火災(zāi)繼續(xù)向更大的范圍蔓延，發(fā)展為中期火災(zāi)，火勢(shì)無(wú)法控制時(shí)，這時(shí)井下工作人員不能繼續(xù)盲目救火，有可能造成人員傷亡，需要緊急開(kāi)展火災(zāi)避險(xiǎn)自救工作?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急避險(xiǎn)模擬包含以下4個(gè)流程：火勢(shì)判斷、拉響火災(zāi)避險(xiǎn)警報(bào)、佩戴自救器，避災(zāi)逃生等。

其中，火勢(shì)判斷環(huán)節(jié)需要培訓(xùn)人員根據(jù)火災(zāi)火苗的大小、火災(zāi)蔓延的范圍來(lái)判斷火勢(shì)是否失控；拉響火災(zāi)避險(xiǎn)警報(bào)環(huán)節(jié)需要培訓(xùn)人員找到火災(zāi)避險(xiǎn)警報(bào)按鈕，點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)警報(bào)；由于井下發(fā)生火災(zāi)容易產(chǎn)生一氧化碳等有毒有害氣體，需要逃生人員佩戴自救器，要求培訓(xùn)人員在1min之內(nèi)按照自救器佩戴流程進(jìn)行正確佩戴；避災(zāi)逃生環(huán)節(jié)先要選擇避災(zāi)路線，要求培訓(xùn)人員在系統(tǒng)給定的幾種避災(zāi)路線中選擇最合理的避災(zāi)路線，路線選擇要考慮在進(jìn)風(fēng)巷道中的最短路線，按照選擇的避災(zāi)路線進(jìn)行避災(zāi)逃生，培訓(xùn)人員使用VR萬(wàn)向跑步機(jī)在虛擬礦井環(huán)境中行走，根據(jù)井下巷道標(biāo)識(shí)牌來(lái)辨別巷道位置關(guān)系，判斷行走路線是否與選擇的逃生路線一致，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成火災(zāi)避險(xiǎn)逃生（圖6）。

3.7 綜合考核評(píng)價(jià)

為了使培訓(xùn)人員能夠鞏固培訓(xùn)效果，設(shè)計(jì)了綜合考核評(píng)價(jià)模塊，該模塊能夠?qū)ε嘤?xùn)人員在虛擬煤礦場(chǎng)景中操作過(guò)程進(jìn)行記錄，增加了操作順序和操作時(shí)間的考核條件，在培訓(xùn)人員操作過(guò)程中，如果出現(xiàn)操作順序錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)按照操作出錯(cuò)的次數(shù)進(jìn)行自動(dòng)扣分；在系統(tǒng)界面上會(huì)顯示操作時(shí)間和剩余時(shí)間，如果操作人員出現(xiàn)操作超時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行超時(shí)提醒，并按照超時(shí)的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)扣分，最后，培訓(xùn)考核結(jié)束，由綜合考核評(píng)價(jià)模塊對(duì)于培訓(xùn)人員的操作水平進(jìn)行考核評(píng)價(jià)打分，對(duì)于操作失誤的環(huán)節(jié)進(jìn)行操作提醒，以便進(jìn)一步改進(jìn)操作方式，提高操作水平，從而提高培訓(xùn)效果。考核評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖7。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和構(gòu)建，形成比較完善的煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的技術(shù)體系，形成一整套煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練虛擬仿真建設(shè)技術(shù)實(shí)施方案。

（2）通過(guò)虛擬仿真的方式培訓(xùn)煤礦從業(yè)人員，提高了火災(zāi)應(yīng)急演練培訓(xùn)的沉浸感、真實(shí)性。

（3）相比較傳統(tǒng)煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練方式，使用虛擬仿真演練系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行演練培訓(xùn)，降低了火災(zāi)演練培訓(xùn)的成本和演練的風(fēng)險(xiǎn)，提高煤礦火災(zāi)應(yīng)急演練的效果，煤礦應(yīng)急演練的虛擬化培訓(xùn)在煤礦生產(chǎn)企業(yè)中具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。