煤矿灾害救援虚拟演练系统研究

张新宇

(大同煤矿集团 同大科技研究院,山西 大同 037003)

煤矿灾害救援虚拟演练系统研究

张新宇

(大同煤矿集团 同大科技研究院,山西 大同 037003)

针对煤矿事故应急训练时成本高、耗时长、巷道训练的局限性及危险性特点,构建了一套完整的模拟真实煤矿灾害场景的三维救援虚拟演练系统。本次研究完成了系统的具体功能和详细脚本,设计了学习培训、训练、考核考试三种模式,对系统实现的方法进行了分析,为避免事故扩大奠定良好的基础。

煤矿灾害;应急救援;虚拟演练

近年来,随着煤矿安全技术水平和安全管理水平的提高,煤矿事故不断减少。但由于煤矿行业的特殊性,事故时有发生,尤其是煤矿爆炸及火灾等重特大事故给煤矿安全及整个社会造成了很大影响,因此应急救援非常重要。本次研究的煤矿灾害救援虚拟演练系统,应用了当前先进的虚拟现实技术,通过软、硬件相互结合,构建不同灾害条件下的事故现场,可以让救护人员更好地理解、分析各种复杂的救灾环境,以便在救灾过程中更准确地评价各种场景下的风险特性与危险程度,从而大幅提高救护队救灾能力。

系统可以完成以下几方面的用途:一进行煤矿灾害救援技术业务的学习、训练;二真实灾害的心理感受训练;三煤矿井巷布置及设施、煤矿应急救援知识的学习、培训。

1 煤矿灾害救援虚拟演练系统总体设计

煤矿灾害救援虚拟演练系统设计的主要功能,包括煤矿爆炸、火灾等主要灾害的救援过程的三维虚拟现实演示,供救护队员及相关人员学习培训使用。由训练人员进行自主操作练习,进行煤矿爆炸、煤矿火灾的应急救援演练,包括灾区侦察、抢救遇险遇难人员、灾区恢复等应急救援工作的练习[1]。应急救援队伍对救护人员进行考核考试,操作方式是由被考核人员进入考试模式,自主进行操作,系统记录被考核人员的操作情况,操作完成后,由演练系统根据被考核人员的实际操作情况,进行自动评分。根据对虚拟现实系统的研究,结合煤矿灾害救援实际,煤矿灾害救援虚拟演练系统主要包括以下几方面内容:1)以一个完整的典型矿井建立三维模型,实现煤矿灾害救援全过程的演练。2)形成灵活、先进的系统操控平台。3)规范的演练脚本设计。4)随机变化的环境状态和灾害点设置功能,保证演练的效果。5)方便实用的多种考核模式,使考核更准确,更有针对性。

2 煤矿灾害救援虚拟演练系统实现

设计开发煤矿灾害救援演练系统的根本目的是提高煤矿灾害救援的学习训练效果。为此,系统中的训练和考试以游戏模式进行操作。这样可以寓教于乐,消除学习训练者学习训练的压力,在轻松的交互式体验中掌握和提高煤矿灾害救援的 技能[2]。

根据系统的功能需要,参考国内外游戏及虚拟实现系统开发实践,本系统选用Unity 3D作为开发平台,实现煤矿灾害救援的学习、练习、考核考试等功能,三维巷道系统的建模通过3D MAX实现。

2.1煤矿灾害救援虚拟演练支持系统

根据演练系统软件功能及要求,设计了一套煤矿灾害救援虚拟仿真音视频系统,包括:投影机、双通道金属硬环幕、虚拟现实专业高端图形工作站、数字媒体播放硬件融合机、声道立体声环绕音响系统、专业虚拟现实交互控制设备-仿真模拟器、大屏幕虚拟现实监视器、中控机柜、专业偏振镜头、无线麦克、专业立体眼镜。虚拟现实展示系统、监视器仿真模拟器,见图1和图2。

图1 虚拟现实展示系统Fig.1 Virtual reality display system

2.2煤矿灾害救援虚拟三维井巷系统

选择一个典型的矿井,包括主副立井、井底车场、大巷、采区上山、回采工作面、一个掘进工作面、回风上山、总回风巷等。通过3D MAX进行三维建模,建立了矿井的虚拟三维井巷模型。所有的灾害救援虚拟演练都是基于此三维虚拟井巷模型进行[3]。

图2 监视器仿真模拟器Fig. 2 Monitor simulator

通过3D MAX三维建模建立的三维井巷模型效果非常逼真,能够很好的反应和感觉煤矿井下的真实场景, 巷道的总体结构,见图3,中央水泵房,见图4。

图3 巷道的总体结构Fig.3 The overall roadway structure

图4 中央水泵房Fig.4 Central pump station

通过虚拟三维矿井井巷系统,可以进入煤矿矿井内进行漫游,漫游功能包括:鼠标控制漫游、键盘控制漫游和按设定路线自动漫游 3 种漫游方式,漫游过程中可以真实感觉到煤矿矿井内的巷道、设施、设备、管线等。这样,在学习和受训人员足不出户的情况下,就能沉浸到煤矿矿井中,体会置身煤矿井下身临其境的感受。

2.3煤矿灾害救援虚拟学习子系统

该系统主要是进行煤矿灾害救援知识的学习,进入此部分后,系统即自动展示整个灾害救援的全过程,不需要人工进行操作。应急救援虚拟学习主要包括:事故汇报、事故接报、启动应急预案、救护队出动、灾区侦察、灾区处置等过程的正确方式的演示学习[4]。

为了保证学习的效果,采用了虚拟现实展示和真人规范操作视频演示相结合的模式。通过视频播放方式学习真实的规范操作,解决了复杂规范的具体操作往往限于技术条件和成本的问题难以实现或实现的不好等问题。如苏生器操作、人员生命体征检查、人工呼吸等操作如果采用虚拟现实手法实现,制作复杂、工作量大,而采用高清录像,通过真人操作就完全可以很好展现这些操作的规范正确的做法[5]。本系统对救灾过程中主要的操作进行了视频录制并插入虚拟现实场景的相应位置,在学习模式下设置了调用播放功能,可以在相应场景下观看摄像,这样就将虚拟的三维危险环境与规范、准确的操作方法结合在一起,起到更好的学习效果。

2.4煤矿灾害救援虚拟训练子系统

该系统主要是为了相关人员的应急救援练习,包括灾区侦察、抢救遇险遇难人员、灾区恢复等环节。练习者进入系统后自己进行操作,自己决定整个救援过程。在操作过程中采用了通用的练习模式,即操作正确才能进行下一步操作。练习过程中可以通过相关快捷键查看相关正确操作的提示或规定,整个操作过程系统会自动记录[6]。

系统也实现了灾害点及环境状态的随机变化功能,即每次训练时系统在一定设定范围内随机变化灾害点,同时,可以随机变化遇难人员、井下环境参数(如大气中瓦斯浓度、CO浓度、O2浓度,温度等),以达到仿真训练的目的[7]。

为此,系统设计了样本库,设置多种参数的样本库,系统在每次训练时随机选取某一种情况(因为各个参数之间有关联性,而灾变地点也有一定规律性,因此,不能随机生成,只能在案例库中随机选取),保证了训练情况的多样性[8]。

根据灾害救援训练脚本,实现了系统设定功能。选择进入练习模式界面,见图5;通过操作快捷键进行气体检查的界面,见图6;练习完毕练习得分界面,见图7。

图5 选择进入练习模式界面Fig.5 Interface of entering training mode with selection

图6 通过操作快捷键进行气体检查的界面Fig.6 Interface of gas inspection with hot keys

图7 练习完毕练习得分界面Fig.7 Interface of scoring after training

2.5煤矿灾害救援虚拟考核考试子系统

该系统主要用于对相关人员进行煤矿灾害救援知识的考核考试,包括对灾区侦察、抢救遇险遇难人员、灾区恢复等环节的考核考试[9]。

考核考试分两种模式:一种是自动考核模式,即由被考核者自己操作系统平台,根据不同的灾害场景进行相应的救援操作,系统根据被考核者的操作进行自动评分;另一种是真人操作人工考核模式,即由被考核者携带配备好真实的灾害应急救援装备,进行系统平台的场景中,由人工操作连续灾害场景,被考核人员针对出现的场景进行相应的应急救援真实操作,考核人员根据操作的正确性、规范性、熟练性等进行人工考核[10]。

为了保证自动考核模式的考试效果,系统把灾害救援过程中的相应操作设置了快捷键。被考核人员通过这些快捷键的操作即可在系统中启动相应的操作或处置。操作正确得分,操作错误不得分或扣除相应分数。

真人操作人工考核模式是由通过系统展现灾害场景,现场进行实际操作的考核模式。考核考试人员佩戴呼吸器等实际装备进入考场,人工操作灾害场景的变化,被考核人员根据展现的不同的灾害场景进行现场的操作,如检查巷道完好、检查环境气体、对遇险遇难人员进行生命状况检查、人工呼吸、苏生等。通过这种考核模式可以考核被考核人员具体操作的正确性、规范性、熟练程度等。

3 结束语

本系统系统采用Unity 3D技术作为开发平台,依据《煤矿安全规程》、《煤矿救护规程》和相关规定,参考先进的国际煤矿灾害救援理念,把煤矿灾害救援全过程的知识点融入演练系统平台,系统的真实感、沉浸感使得训练中能够接近灾害真实场景,增强了训练的真实性,提高了学习演练人员的灾害救援水平、技术素养以及应急救援队伍的实战能力,为煤矿灾害应急救援提供了良好的技术保障,为避免事故扩大奠定良好的基础。

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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

张新宇(1979-),男,山西大同人,大学本科,工程师,从事煤矿安全、煤矿信息化工作。

TD75

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(编辑:武晓平)