煤矿火灾应急演练仿真培训系统研究*

李绍良 张 磊

（鄂尔多斯职业学院资源工程系）

煤矿定期开展事故应急演练是实现国家制订的煤矿安全生产标准化达标必备条件，也是煤矿安全生产应急预案中的基本要求，而开展火灾事故应急演练对于煤矿生产企业成本高、投入大。由于受到煤矿井下环境的复杂多变的影响，火灾事故演练安全风险比较高，大多煤矿企业火灾事故演练大多以走形式、完任务为主，无法达到事故演练的目的和效果。

虚拟现实技术［1-2］是在虚拟空间中仿真模拟真实场景，让体验者沉浸在虚拟环境中，实现与虚拟场景物体的交互操作，来仿真模拟真实世界中发生的事件，从而完成相应的体验和学习。使用虚拟现实技术对火灾事故演练过程进行仿真模拟，通过模拟煤矿井下火灾事故场景，学员在虚拟火灾场景中开展应急演练作业，可以大大降低火灾应急演练的风险和成本，打破时间空间的限制，反复演练，提高演练效率，减少了事故演练的安全隐患，加入游戏化设计，提高学员参与的热情和积极性。

本项目使用3Dmax三维建模软件对煤矿巷道环境及各类机电设备进行虚拟三维建模，巷道及设备模型导入Unity3D游戏引擎进行煤矿井下巷道虚拟场景搭建，使用粒子系统模拟真实火灾场景中的燃烧的火焰及烟雾，形成煤矿火灾事故虚拟仿真场景，使用C#编程语言对煤矿火灾事故演练的全流程进行逻辑交互开发，从而实现煤矿火灾应急演练仿真系统的构建。

1 仿真系统整体架构设计

1.1 功能设计

在分析了煤矿火灾事故应急预案关于事故演练流程的相关内容的基础上，设计了煤矿火灾事故应急演练仿真系统，从事故发生的现场作业人员角度出发，模拟火灾事故发生、事故情况上报、现场应急处置、应急避险逃生等事故演练的动态过程，该系统可实现如下功能。

（1）在虚拟煤矿场景中，实现对突发火灾事故的全过程模拟。通过Unity3D虚拟引擎搭建采煤工作面和掘进工作面虚拟煤矿工作场景，预设了发生火灾的火焰和烟气特效资源，设置虚拟场景下火灾发生的初始条件，一旦满足条件，即可触发释放火焰和烟气粒子特效，形成火灾场景。

（2）模拟火灾事故现场应急处置流程。煤矿井下火灾事故发生之后，需要现场工作人员进行现场应急处置，该系统能够模拟矿井火灾发生之后的现场处置流程，通过培训人员一系列应急操作，将火势进一步得到控制或者扑灭，实现模拟火灾事故应急处置的训练过程。

（3）模拟火灾事故应急逃生流程。煤矿火灾在工作人员现场应急处置之后，依然无法控制，火势越来越大，现场工作人员应立即进行应急逃生，该系统能够模拟培训人员在虚拟煤矿火灾场景中应急逃生的流程，使培训人员能够建立火灾避险意识和正确的火灾逃生方法。

（4）对火灾事故演练过程进行评估。培训人员在对火灾事故演练完成之后，对该学员的火灾事故演练过程进行评估打分，对火灾演练过程中操作错误的地方进行提示，并给出正确的操作建议和指导。

1.2 架构设计

根据煤矿火灾事故应急演练仿真系统的功能设计，形成煤矿火灾事故应急演练仿真系统的整体系统架构，包括矿井虚拟环境漫游模块、煤矿火灾烟气仿真模块、火灾事故应急处置模块、火灾事故应急避险模块、火灾事故演练评估模块，如图1所示。

2 系统硬件交互设备

2.1 VR万向跑步机

煤矿火灾事故应急演练仿真系统使用VR万向跑步机和VR头戴眼镜来实现在煤矿虚拟环境中行走及事件交互，VR万向跑步机是一种VR输入设备，可以把真实人体行走动作转化为虚拟空间中的行走位移，把有限的物理空间向无限的虚拟空间进行扩展，增强使用者在虚拟矿井环境的沉浸感、代入感。

2.2 VR头戴眼镜

VR头戴眼镜搭载2个OLED显示屏和2 880×1 600像素的先进显示系统，专为极致高端体验所设计，体验超清晰的文字、画面和画质。陀螺仪传感器、加速度计、激光定位传感器结合在一起，能在2个轴线方向上精确定位人员头部的旋转，精确度可以达到十分之一度，让体验者十分自然地观看虚拟环境。

3 软件系统关键技术

选取合适的仿真软件开发引擎至关重要，本软件系统选取3Dmax进行煤矿虚拟环境建模，然后把建好的三维模型导入Unity3D渲染引擎中，使用C#脚本语言进行交互逻辑开发，完成煤矿火灾应急演练流程的模拟仿真。

3.1 煤矿虚拟场景构建

煤矿虚拟场景的实现包括虚拟场景的建模和虚拟场景渲染2个方面，使用3Dmax软件对煤矿井下巷道场景进行建模，按照巷道的不同用途，把巷道分为梯形巷道、矩形巷道、半圆拱巷道，应用放样工具，使用样条线绘制几种巷道断面边缘图形，再绘制巷道中心延伸线，然后使用放样工具，把巷道断面的图形放样到巷道中心延伸线上，形成完整的煤矿巷道三维模型。煤矿各类设备使用复合对象建模、面片建模、放样建模等方法制作，效果如图2所示。

3.2 人员角色漫游构建

培训人员通过佩戴VR眼镜，需要选择特定人员角色进入虚拟场景，不同的人员角色具有不同的培训任务和交互场景，通过引用Unity3D引擎的人物角色组件，选择人员模型进行骨架绑定，并编辑人物的走、跑、跳等人物动画动作，最终在虚拟煤矿场景中，通过培训人员对人物角色进行漫游行走控制，实现在虚拟煤矿场景的漫游体验。

3.3 火灾事故仿真的粒子系统

粒子系统［3］是游戏物理、运动图形和计算机图形学中的一种技术，它使用许多微小的粒子、3D模型或其他图形对象来模拟雨、雪、霜、火焰、烟气等现象，这些现象使用传统的渲染技术很难重现。粒子系统的特效实现需要经历3个流程模块，如图3所示。

发射阶段：发射器通过生成率参数（每单位时间生成多少粒子）进行粒子发射，当使用网格对象作为发射器时，初始速度矢量通常设置为垂直于对象的各个面，使粒子看起来是直接从每个面“喷射”出来。

模拟阶段：创建的新粒子的数量根据生成率和更新间隔计算，并且每个粒子都根据发射器的位置和指定的生成区域，在3D空间的特定位置生成。每个粒子的参数（即速度、颜色等）都根据发射器的参数进行初始化，每次更新时，都会检查所有现有粒子是否已超过其寿命，如超出寿命，它们将从模拟中被移除。此外，粒子的位置和其他特性会基于物理模拟进行仿真运动。

渲染阶段：更新完成后，每个粒子都会被渲染，通常采用带纹理的广告牌四边形（即始终面向观察者的四边形）的形式。在小分辨率、有限处理能力的环境中，可以将粒子渲染为单个像素。

3.4 火焰及烟气特效仿真模拟实现

煤矿火灾事故火灾和烟气的仿真模拟应用Unity3D引擎的粒子系统，Unity使用组件实现粒子系统，将粒子系统放置在场景中涉及到添加预制的游戏对象（菜单：GameObject＞Effects＞ParticleSystem）或将组件添加到现有游戏对象（菜单：Component＞Effects＞Particle System）。由于组件非常复杂，因此Inspector分为多个可折叠子部分或模块，每个子部分或模块都包含一组相关属性。此外，可使用单独的Editor窗口（通过Inspector中的Open Window按钮访问）同时编辑一个或多个系统。

使用Unity3D粒子系统仿真煤矿火灾的火焰和烟气，可以很好地模拟出火焰的动态流动效果，火焰和烟气分别使用2个粒子系统：火焰使用黄色渐变贴图作为火焰的粒子系统渲染方式，并按照粒子发射之后的运动时间不同，赋予不同的粒子纹理贴图颜色，模拟出在火焰中心位置和周边位置不同的火焰形态和渲染效果；烟气粒子系统使用灰色渐变纹理贴图，渲染方式为按照粒子发射的时间来决定粒子贴图纹理的缩放大小，在粒子发射初期渲染烟气纹理较小，随着粒子运动一段时间，渲染的烟气纹理逐渐扩大，达到烟气扩散的渲染效果，如图4所示。在火焰和烟气粒子系统中加入点光源组件，光源颜色设置为火焰发出的橘黄色，模式为实时，并设置适当的光源强度，实现光影实时渲染特效，模拟火灾发生时的火光效果，光线的强弱随着火焰的摆动进行周期变化，从而模拟真实火灾发生时光照的变化，增强火灾场景的真实感和沉浸感。

3.5 火灾现场应急处置模拟

在煤矿火灾发生初期，由于火势较小，煤矿井下人员可以开展火灾初期的现场应急处置，进行火灾的扑救工作，把灾害控制在萌芽状态。火灾现场应急处置模拟包括以下几个流程模块：发现火情、事故上报、选择灭火方式、寻找灭火器材工具、火灾扑救等VR交互环节，具体交互流程如图5所示。通过VR虚拟仿真的方式，将各流程进行展示，学习者沉浸在煤矿环境中，与各应急流程进行交互，最终将交互结果反馈到场景中，达到火灾应急处置演练目的［4-5］。

3.6 火灾现场应急避险模拟

在煤矿火灾发生初期阶段，经过现场人员的实施应急处置措施，展开火灾扑救之后，火势依然没有得到有效控制，火灾继续向更大的范围蔓延，发展为中期火灾，火势无法控制时，这时井下工作人员不能继续盲目救火，有可能造成人员伤亡，需要紧急开展火灾避险自救工作。火灾现场应急避险模拟包含以下4个流程：火势判断、拉响火灾避险警报、佩戴自救器，避灾逃生等。

其中，火势判断环节需要培训人员根据火灾火苗的大小、火灾蔓延的范围来判断火势是否失控；拉响火灾避险警报环节需要培训人员找到火灾避险警报按钮，点击按钮触发警报；由于井下发生火灾容易产生一氧化碳等有毒有害气体，需要逃生人员佩戴自救器，要求培训人员在1min之内按照自救器佩戴流程进行正确佩戴；避灾逃生环节先要选择避灾路线，要求培训人员在系统给定的几种避灾路线中选择最合理的避灾路线，路线选择要考虑在进风巷道中的最短路线，按照选择的避灾路线进行避灾逃生，培训人员使用VR万向跑步机在虚拟矿井环境中行走，根据井下巷道标识牌来辨别巷道位置关系，判断行走路线是否与选择的逃生路线一致，并在规定的时间内完成火灾避险逃生（图6）。

3.7 综合考核评价

为了使培训人员能够巩固培训效果，设计了综合考核评价模块，该模块能够对培训人员在虚拟煤矿场景中操作过程进行记录，增加了操作顺序和操作时间的考核条件，在培训人员操作过程中，如果出现操作顺序错误，系统会按照操作出错的次数进行自动扣分；在系统界面上会显示操作时间和剩余时间，如果操作人员出现操作超时，系统会进行超时提醒，并按照超时的时长进行自动扣分，最后，培训考核结束，由综合考核评价模块对于培训人员的操作水平进行考核评价打分，对于操作失误的环节进行操作提醒，以便进一步改进操作方式，提高操作水平，从而提高培训效果。考核评价实现流程见图7。

4 结论

（1）通过该系统的开发和构建，形成比较完善的煤矿火灾应急演练虚拟仿真培训系统的技术体系，形成一整套煤矿火灾应急演练虚拟仿真建设技术实施方案。

（2）通过虚拟仿真的方式培训煤矿从业人员，提高了火灾应急演练培训的沉浸感、真实性。

（3）相比较传统煤矿火灾应急演练方式，使用虚拟仿真演练系统可以反复进行演练培训，降低了火灾演练培训的成本和演练的风险，提高煤矿火灾应急演练的效果，煤矿应急演练的虚拟化培训在煤矿生产企业中具有较强的推广应用价值。