虚拟现实技术在煤矿应急培训中的应用

摘 要：本文通过利用3D建模技术、碰撞检测技术以及交互式行为控制等虚拟现实技术，实现一个可交互、逼真进行虚拟仿真的煤矿应急培训系统，克服了目前煤矿中使用的传统应急管理培训模式存在的周期较长、效果不佳以及费用较高等问题。真实模拟煤矿现场安全生产作业的环境，学员在确保安全的基础前提下完成了各类应急管理培训，节约了培训的费用并大大缩短了培训的时间，明显提升了培训的效果，为促进煤矿安全生产发展提供了有力的支持。

关键词：虚拟现实;应急培训;碰撞检测;交互行为控制

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）08-0016-03

Application of Virtual Reality Technology in Coal Mine Emergency Training

ZHANG Jisuo

（China Coal northwest Energy Co.， Ltd.，Ordos Inner Mongolia 017200）

Abstract： In this paper， by using  3D modeling technology， collision detection technology， interactive behavior control and other virtual reality technology， a virtual simulation coal mine emergency training system can be realized interactively and realistically， which overcomes the problems of long period， poor effect and high cost existing in the traditional emergency management training mode currently used in coal mines. The actual simulation of coal mine safety production environment， students in the premise of ensuring safety， completed all kinds of emergency management training， saved the cost of training and greatly shortened the training time， significantly improved the training effect， and provided strong support for promoting the development of coal mine safety production.

Keywords： virtual reality; emergency training;collision detection;interactive behavior control

煤礦安全生产是煤矿生存发展的关键因素，涉及广大煤矿职工的生命和财产安全，所有煤矿必须履行安全生产责任制，制定应急培训体系。一方面主要采用了新技术和新设备等以增加安全生产的软硬件投资等方式，提高了安全可靠性和保障程度;另外一方面开展各种类型的应急培训，提升了职工的安全意识，提高应急响应能力，确保了煤矿企业的安全和生产。

本培训系统通过综合应用3D仿真技术、安全科学技术、虚拟现实技术、三维造型技术以及可视化技术等构建了一个虚拟的煤矿安全应急培训环境，提升了煤矿应急培训的效果[1]。

1 培训现状及发展趋势

现阶段，对煤矿工人应急培训采用理论讲述培训、手册培训以及视频培训等方式，培训周期长、学员现场感差，学习过程枯燥无味，效率低。虽然采用了具备一定表现力的多媒体训练技术，具备了声音、图像以及动漫等方式，但是这种人机对话的特点却没有充分地体现出来。因此，需要一种将实践和理论相结合，能让学员置身其境的专业培训体系，可以进行互相操作和理论上的考核。

基于虚拟现实技术的交互式煤矿应急培训系统具有模型逼真和身临其境等突出特征，可以如实仿真出一个煤矿现场的作业环境，学员可以借助交互式设备，高质量地完成所需要的培训内容，避免在井下进行培训时发生危险事故，提高了培训的效率，降低了培训成本，并自动地完成了考核。

2 开发软件介绍

2.1 建模软件

场景中的三维模型采用3D Studio Max和实时三维建模软件MultiGen Creator相结合的模型构建方法创建。

2.1.1 3D Studio Max。3D Studio Max游戏是由Autodesk公司专门自主设计研发的一种具有三维游戏模型设计制作和各种游戏动画特效渲染制作功能的游戏软件，广泛应用于各种电子游戏、影视制作、工业技术设计及建筑工程设计可视化等各个方面。

2.1.2 MultiGen Creator。该产品系列建模软件同时具有多边形地形建模、矢量地形建模以及能够精准设计各种类型大面积三维地形的3大特点，拥有多种专门的建模选项和应用插件，高效地设计生产了一个基于实时三维的地形数据库，能和其他各种类型的专业实时三维仿真技术软件产品进行有效紧密结合。在模拟视景仿真、模拟技术培训、交互式电子游戏、信息工程技术应用以及科学信息可视化等各种现代化实时三维仿真技术应用领域中，已经达到领先的技术水平[2]。

2.2 三维引擎

OGRE引擎可以提供基于OpenGL面向对象的软件框架，同时还可以提供许多额外的附加功能模块用于加速图形的实际应用和开发。它是一款高效、跨平台以及源代码开放的三维图像视频游戏引擎。在对比分析多个三维图形引擎的优缺点后，本次操作系统最终决定选择以3D电子游戏研究开发引擎OGRE作为基础平台，将其设计成虚拟现实场景的图形引擎，进行二次开发从而实现交互式的功能[3]。

3 虚拟现实关键技术

3.1 三维建模

在虚拟现实中，三维模型直接制约着系统的逼真性。本系统中涉及设备建模、井下环境仿真以及人物仿真建模等模型。

3.1.1 设备建模。井下大型设备的模型（采煤机、液压支架、连采机以及刮板运输机等）构造相当复杂。在进行建模时，先要收集有关设备的图片、外形大小以及机构的运动参数等相关技术信息。建立一个机械设备和装置复杂的模型，然后再利用建模技术生成一个简单的模型，在构造大场景时远景采用了简单模性，近景则是使用了复杂模型，以此方式来有效地解决各种大场景制作过程中的数据瓶颈。采煤机模型如图1所示。

3.1.2 井下环境仿真。井下工作环境是有尺度的巷道空间，应按照尺寸参数来构建巷道的三维模型。工作面及巷道建模完成后，将液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机及顺槽皮带等设备模型按照尺寸的要求布置到工作面及巷道中，然后再按标准化的要求将高压电缆和液管等连接上，再加上一些附属的装备，一套仿真的工作面及巷道就完成了。环境仿真还包括爆炸、燃烧、冒顶、喷雾以及透水等环境特效。

为了让井下虚拟操作场景变得更真实，更好地提供了一种视觉上的冲击效果，采用目前先进的反应堆物理模块和反应堆动力学技术，更真实自然地直观反映了每起事故。照明技术历来都被认为是三维虚拟仿真技术发展过程中的重中之重，由于三维和自然环境中的各种物体性质差异，使得在自然环境中对照明效果的分析和表达困难增多，以往一直采用普通标准光照明的方法，其表达能力往往无法做到令人满意。本环境采用小规模体积光照明技术来提高各种光斑特效的分析和表达范围。井下环境仿真如图2所示。

3.1.3 人物仿真模型。本系统有多个人物造型，需要使人物形象多样化，采用蒙皮技术构建人物模型。人物的动作直接影响系统的逼真性，难度和工作量都比较大。为了高质量、高效率完成人物动画制作，建立人物动作库，可以将人物动作存入数据库，方便调用。

3.2 碰撞检测技术

虚拟现实中碰撞精确性和实时性是碰撞监测技术研究的关键技术，精确地对其进行碰撞检测大大增强了虚拟环境的视觉真实性与视觉沉浸感[4]。通过性能比较，本文最终选用OBB包围盒算法构建混合碰撞检测算法[5]。

3.3 交互控制技术

交互控制技术是采用了一套具有良好系统指令集自定义和编程文档的系统建模仿真接口标准和OpenGL工具，开发一个基于软件底层的大型通用软件仿真系统模型的通用综合性系统集成仿真框架。学员与虚拟环境下的设备进行交互，既可以直接使用外部的移动设备，也可以直接利用鼠标和键盘等输入设备实现交互。通过对OpenGL应用程序的运动控制，完成了在三维图中物体的反向移动、旋转以及放缩[6，7]。

4 基于虚拟现实技术的交互式煤矿应急培训系统

4.1 系统简介

该软件系统的开发语言主要采用VC++和OpenGL两种开发工具，数据库设计采用Orcale，并且以3D游戏开发引擎OGRE软件作为主要的基础开发平台，可以进行漫游、控制以及协作等多种功能。用图形、3D动画以及声音等多媒体方式再现了煤矿井下标准化作业的真实情况，将煤矿标准化的作业流程与安全规程以一种互动式的形态体现了出来。系统根据OpenGL中的相应函数记录了学员在进行实操和演练过程中的各种运动轨迹途径、活动行为以及任务完成期限等相关信息，然后与数据库中事先保存的评估标准值进行对比、分析，对学员的运动和操作过程给出一个客观且科学的评价分析，得出考核结論。

4.2 系统主要功能

本系统包含应急救援学习、应急实操演练以及评价考核3个功能模块。

4.2.1 应急救援学习。通过三维仿真的方式，再现矿井各类灾害事故现场的整体情况，包括顶板冒落、瓦斯爆炸、水害以及火灾等各种事故现场。模拟启动相应应急预案，将应急预案进行三维动画展示，详细说明整个应急救援的响应及处理过程、要求及注意事项。

4.2.2 应急实操演练。系统能够以不同的角色登录，以第一人称的角度进行实操演练学习，完成该角色在应急救援中应该进行的所有操作。在演练过程中系统应能够为学员提供多种虚拟操作与场景交互，使得学员在一个虚拟的场景中都能够具有更大的自由度与发挥空间。同时，还可以通过设置计时限制及顶板再次冒落或煤尘瓦斯二次爆炸等危险事故的存在情况来考验学员对于突发事件处理能力。

4.2.3 考核评价。系统将学员在现场实操和演练过程中的所有运动轨迹、路径、动作行为以及完成期限等相关信息与正确操作方法进行了比对、分析，对于学员在操作过程中给出一个客观且科学的综合分析评价，得出了考核结论和需要改进建议。

5 结论

本文主要运用虚拟现实技术，设计了一个模拟仿真和人机交互的企业应急救援培训教学系统。在培训过程中，学员置身虚拟现场作业的仿真环境中，身临其境解决了以往培训的枯燥性，提升了培训效果。下一步继续研究3D建模技术，采用三维激光扫描仪进行设备和环境建模，提高建模效率。同时，探索增强现实技术在应急培训中的应用，使人机交互更加智能化。

参考文献：

[1]沈学利，张纪锁.虚拟仿真在煤矿安全培训教育中的应用[J].计算机系统应用，2010（11）：176-179.

[2]LEWIS M，JACOBSON J.Game Engines in Scientific Research[].Communications of the ACM，2002（1）：27-31.

[3]徐良军，章建，蒋毅，等.基于虚拟现实技术的电力安监仿真培训系统[J].计算机系统应用，2010（11）：162-165.

[4]李智勇.基于虚拟现实技术的油船安全操作与培训系统的研发[D].厦门：集美大学，2015：16.

[5]HEN X L，ZHANG J S.Research of Collision Detection Algorithm Based on Particle Swarm Optimization[C]//International Conference on Computer Design & Applications.IEEE.2010.

[6]马昱阳.基于虚拟现实技术的数字化矿井应用系统研究[D].西安：西安工业大学，2015：20.

[7]章怡.虚拟现实技术在杭州供电公司电力系统中的应用[D].保定：华北电力大学，2015：16-17.