巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统构建*

张飞燕，温佳宇，韩 颖

(1.河南理工大学 a.安全科学与工程学院；b.能源科学与工程学院，焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，焦作 454003；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，焦作 454003)

“爆破安全”、“爆破工程”均为我校安全工程、土木工程专业的核心课程，主要讲述爆破理论基础、工业炸药、起爆技术、岩石爆破理论、矿山与地下工程爆破技术及安全、爆破危害与安全防控、爆破安全管理等内容[1,2]。巷道掘进爆破安全实验是上述课程的主要实验内容之一，实验教学过程中存在以下问题：①实验危险性高。爆破实验安全要求高，实验涉及到的雷管、炸药等均为国家严格管控的高危险性爆破器材，实验环境极端复杂且过程不可逆。②实验条件不可及。GA990—2012《爆破作业单位资质条件和管理要求》[3]规定：爆破作业按照要求实施资质管理，“非营业性条件要求”国内各高校均不具备。③爆破有害效应多。井下爆破产生的有毒有害气体、粉尘、爆破振动、爆破冲击波等危害，不仅会造成大气环境及地下水资源污染、巷道围岩损伤、工人炮烟中毒等，而且一定程度上还会诱发瓦斯爆炸、煤尘爆炸等次生灾害。基于以上现实问题，探索新型、有效的实验教学手段迫在眉睫。

近年来，教育部连续出台了一系列政策，大力支持与推动虚拟仿真实验教学项目研究。教育部高等教育司在其发布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94号)中明确指出：虚拟仿真实验教学的任务是构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目[4]；《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》(教高函〔2018〕5号)中指出：国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[5]。

在此背景下，各高校虚拟仿真实验教学项目建设工作开展得如火如荼[6-11]。笔者借助虚拟仿真、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建了巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台并已上线运行[12,13]，让学生能够在高度仿真的虚拟环境中开展爆破实验、模拟真实实验过程，实现了巷道掘进爆破方案设计、爆破施工、爆破危害监测与分析三个方面的实验教学内容；但美中不足的是，该平台尚未涉及井巷掘进爆破事故的处理，即事故应急救援。为此，本文以井巷掘进爆破过程中的典型事故—炮烟中毒为例，构建炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统，以期对巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台加以拓展与延伸。

1 虚拟仿真系统模块设置

基于煤矿真实掘进巷道，依据《煤矿安全规程》相关规定[14]，结合煤矿事故应急救援要求与内容[15]，参考爆破事故应急救援预案[16]，虚拟仿真系统模块设置为两部分：工人自救互救模块、救援人员救援模块，如图1所示。

图 1 虚拟仿真系统模块设置Fig. 1 Module setup of virtual simulation system

1.1 主场景模块

主场景是系统的初始界面，可进行角色选择操作。根据系统模块设置，人物角色分为两类：工人、救援人员；不同角色将进入不同的任务场景。

1.2 工人自救互救模块

工人自救互救模块主要包括以下内容：工人选择下井装备、佩戴自救器后进入掘进巷道、协助炮烟中毒人员佩戴自救器并搀扶其撤离灾区、向地面调度室报警等。

该模块设置思路如下：

(1)在主场景模块，选择人物角色为工人。

(2)进入工人自救互救模块后，首先选择下井装备。

(3)工人穿戴好下井装备后，按提示向掘进巷道行进。

(4)发现炮烟中毒工人，及时检查中毒人员身体状况，并协助尚有活动能力的轻度中毒人员撤离工作地点。

(5)人员撤至安全地点后，利用井下调度电话，向地面调度室报警，请求救援。

1.3 救援人员救援模块

救援人员救援模块主要包括以下内容：救援人员选择救援设备、到达事故地点将炮烟中毒者抬至新鲜风流处、进行人工呼吸等。

该模块设置思路如下：

(1)救援人员下井前，首先选择生命探测仪、正压氧气呼吸器、急救包、通讯设备等救援装备。

(2)根据提示箭头到达事故发生地点。

(3)检查重度中毒人员的呼吸、心跳等情况后，用担架将其抬至新鲜风流处。

(4)对重度中毒人员进行人工呼吸急救。

(5)重度中毒人员恢复意识，救援成功。

2 巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统构建

巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统采用3D Max软件建模，采用Unity 3D软件、按主场景模块→工人自救互救模块(worker场景)→救援人员救援模块(rescuer场景)顺序依次进行系统开发，使用W、A、S、D四键控制角色移动。根据真实巷道规格与尺寸，按1∶1比例构建的煤矿掘进巷道模型如图2所示。

2.1 主场景开发

系统主场景由3D物体与UI界面组合构成，其界面如图3所示。点击worker按键进入工人自救互救模块，点击rescuer按键进入救援人员救援模块，点击Exit则退出系统。主场景运行时，两人物角色处于奔跑状态。

图 2 掘进巷道模型Fig. 2 Roadway model

图 3 系统主场景界面Fig. 3 Main scene interface

2.2 工人自救互救模块开发

根据设置思路，工人自救互救模块开发步骤如下：

(1)过场动画

该模块共设置6个UI界面、5个相机。进入该模块后，首先播放一段过场动画，展示炮烟产生与工人中毒倒地的过程[17]，如图4所示。工人炮烟中毒程度设置为两种：①重度中毒，工人直接倒地、丧失活动能力；②轻度中毒，工人具有活动能力，在搀扶下可进行撤离。

图 4 过场动画Fig. 4 Cutscenes

(2)下井装备选择界面

过场动画播放完毕后，系统自动进入下井装备选择界面，如图5所示。在此界面中，用户需通过鼠标点击UI界面装备按钮，选择下井装备—矿灯与自救器后，向掘进巷道行进；工人若未穿戴下井装备，后续操作将无法进行。通过该种设计方式，强化用户下井前必须佩戴矿灯与自救器的安全意识。

图 5 下井装备选择界面Fig. 5 Equipment selection interface before entering the coal mine

(3)工人自救互救界面

进入掘进巷道后，工人在倒地工友附近站立2秒，即可触发撤离按钮，如图6所示。点击“搀扶撤离”按钮，工人将协助轻度炮烟中毒人员佩戴自救器并协助其撤离事故地点，如图7所示。

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

图 7 搀扶撤离界面Fig. 7 Assist evacuation interface

(4)报警界面

协助轻度中毒人员撤至安全地点后，工人到井下调度电话旁停留2秒，即可触发报警界面，如图8所示。点击“报警”按钮，工人将向地面调度室报警，请求救援。

图 8 报警界面Fig. 8 Alarm interface

(5)任务完成界面

前述任务全部完成后，将显示任务完成界面，如图9所示。在此界面中，用户可以选择重新进行任务，也可选择返回主场景。

图 9 任务完成界面Fig. 9 Mission completed interface

2.3 救援人员救援模块开发

(1)救援装备选择界面

救援装备选择界面如图10所示。在此界面中，设置有救援装备背包，主要包括生命探测仪、正压氧气呼吸器、急救包、通讯设备；其中，正压氧气呼吸器、急救包点选即完成穿戴，生命探测仪与通讯设备则在电脑屏幕中央360°旋转展示。救援人员必须配备全部救援装备后，方可进行后续操作。

图 10 救援装备选择界面Fig. 10 Rescue equipment selection interface

(2)抬出中毒人员界面

救援人员到达炮烟中毒事故现场后，在重度中毒人员附近站立2秒，系统便会弹出“请将中毒者抬到有新鲜风流的地方，并立即展开急救”的提示框，如图11所示。点击“前往进风巷”按钮，将播放抬出中毒人员的动画，如图12所示。

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

(3)人员急救界面

重度中毒人员被抬至进风巷后，系统激活相应摄像机，进入人员急救界面。根据UI提示，点选揭开衣服、检查脉搏、人工呼吸三步急救，每步均有相应动画演示，如图13所示。

图 12 抬出中毒人员界面Fig. 12 The inerface of carrying out the poisoned person

图 13 人员急救界面Fig. 13 First aid interface

(4)救援成功界面

人员急救步骤完成后，将进入救援成功界面，并提示“工人苏醒，请立即送往就近医院进行治疗”，如图所示。在此界面中，用户可以选择重新进行救援任务，也可选择返回主场景。见图14。

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

2.4 系统完善

系统完善主要包括添加背景声音、人员脚步声音以及操作提示按钮等，用以提升用户体验与沉浸感。此外，在系统任一界面，均在左下角设置有操作提示按钮，点击即可弹出相应操作说明；在右下角设置有返回按钮，点击将退出当前界面，并返回主场景。

3 结语

本文借助虚拟仿真、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，采用3D Max软件建模及Unity 3D软件开发等手段，构建了巷道掘进爆破炮烟中毒应急救援虚拟仿真系统，实现了掘进爆破炮烟中毒事故演示、工人自救互救及救援人员救援两大环节实操。该系统是巷道掘进爆破安全虚拟仿真实验教学平台的拓展与延伸，既可用于安全工程、土木工程专业本科生及研究生实验教学，也可用于矿山开采、工程爆破等领域相关专业技术人员的培训教学。