基于虛擬煤礦事故救援訓練系統設計與實現

　0 引言

　　近年來，我國煤礦應急救援工作在減少礦山事故人員傷亡和財產損失、促進礦山安全生產方面發揮了重要作用。在救援時，救援行動的成功與否取決于救援隊員能否迅速、正確地決策并實施，而這些又取決于救援人員的素質和他們平時訓練水平。把虛擬現實技術作為一種訓練學習工具，可以模擬或再現一個真實的環境，救護隊員可以通過進入這個虛擬的環境，嘗試采取各種各樣的救援措施，從而獲得訓練。把游戲引入訓練過程中使訓練具有趣味性和吸引力，從而激發了救護隊員的學習和訓練熱情，使隊員得到更好的訓練。本文將介紹一個基于虛擬現實的煤礦事故救援訓練系統設計與實現，在第 2部分描述了一個虛擬煤礦事故救援訓練系統總體結構，第 3部分就系統所用到的一些關鍵技術進行了探討，第4部分詳細描述了系統各模塊功能，并給出了瓦斯爆炸事故場景的模擬以及煤礦火災事故救援訓練場景的模擬，第 5部分給出結論。

　　l 虛擬煤礦事故救援訓練系統總體結構

　　虛擬煤礦事故救援訓練系統主要用于礦山救護隊員事故救援的訓練。提出利用計算機技術建立一套以交互方式模擬接警、調度、現場指揮全過程模擬訓練系統。該系統主要包括以下幾個方面內容：

　　1)頂板冒落、火災、水災、瓦斯煤塵爆炸事故過程的模擬；

　　2)各種事故救援方案的編制；

　　3)各種事故救援方案效果的自動評估；

　　4)提供煤礦基本知識和完整的救援知識。

　　虛擬煤礦事故救援訓練系統借助虛擬現實技術，將事故現場在計算機中真實再現。隊員可以像操縱一個 PRG游戲一樣。可以置身于～個真實的煤礦中，可以身臨其境的去體驗煤礦的各個環節和完成各種訓練任務。主要訓練救護隊員對突發事故的實時處理能力，如何救護，將損失降低到最低限度。救護隊員通過自己的經驗并結合訓練指導系統給出的參考指導，從而做出正確救援判斷。圖 1所示為虛擬煤礦事故救援訓練系統總體結構。

　　2 虛擬煤礦事故救援訓練系統關鍵技術

　　2．1虛擬煤礦事故救援訓練系統關鍵技術

　　1)建立 3D模型關鍵技術

　　煤礦事故救援訓練系統主要采用虛擬現實技術對事故場景進行再現。因此，在構建 3D模型時，鑒于煤礦 自身的特殊性，因其地質構造條件復雜、機械設備類型繁多等特殊條件，直接導致了礦 山模型的復雜性和多樣性，模型的這種特點直接導致了對模型實時漫游等操作的效果難以保證。實驗發現，運用多細節層次模型技術能較好地解決類似問題。為了增加整個場景的真實感和立體感，在建立建筑物等的模型時，采用紋理映射…技術來控制場景復雜度、加速圖形繪制速度。

　　2)粒子系統建模

　　粒子系統方法就是將大量的粒子圖元集合在一起，通過其屬性的變化表現物體的物理特性。每個粒子在任一時刻都具有隨機的形狀、大小、顏色、透明度、運動方向和運動速度等屬性，并隨時間推移發生位置、形態的變化。每個粒子的屬性及動力學性質均由一組預先定義的隨機過程來說明。粒子在系統中要經過產生、運動和消亡三個階段，這三個階段中粒子的各種屬性隨時問的推移發生各種變化，從而充分體現出不規則物體的動態性和隨機性。

　　在虛擬煤礦事故救援訓練系統，場景中的火焰、煙、水束、爆炸等物體邏輯結構很難表達，很難用幾個圖元表示。而粒子系統適用于這類物體。

　　3)碰撞檢測

　　為了使煤礦事故救援訓練系統的虛擬效果更富有真實感，碰撞檢測是必須要的。針對煤礦虛擬場景有著成千上萬個運動著的物體。這種虛擬場景的幾何復雜度使得碰撞檢測的計算復雜度人大提高。然而精確的碰撞檢測又與人們對系統的實時性相矛盾。因此需要一種數據結構對場景有效管理，二元空間分割樹(BSP樹)是一種對場景有效管理方法。

　　然而由于這種空問數據結構的靜態特征使它們很難處理動態場景。對此用一種基于 BSP樹的快速算法來管理整個場景，一種半調整。這一算法主要是用于處理動態物體的碰撞。它不需要完全重新構建樹，可以通過部分調整使 BSP樹結構達到最合適的平衡狀態和保持最高的特性。 可以用一種調度算法來評估 BSP樹開始失衡的地方，用一些策略來選擇改變分割平面，從而降低更新帶來的樹結構改變的代價。

　　3 虛擬煤礦事故救援訓練系統

　　3．1事故場景模擬系統

　　在煤礦事故模擬系統中主要包括：頂板冒落、火災、水災、瓦斯煤塵爆炸情形的模擬。限于篇幅，本文以瓦斯爆炸模擬為例。

　　由于瓦斯爆炸、燃燒、煙霧場景足由無數小顆粒隨機運動而產生的，不僅外觀形狀極不規則，沒有固定的形狀，隨機性大，更重要的是它的顏色、形狀甚至聲音時刻變化，使得對上述場景的模擬變得十分復雜。經過實驗證明，比較成功的模擬方法足粒子系統算法。

　　爆炸的產生是通過定義粒子的數量，對新生粒子賦予初始狀態值并在系統中產生這些粒子來實現的。應用粒子系統算法應定義粒子的主要屬性有：生命周期，粒子數，粒子源的形狀、粒子的大小、粒子的擴散速度，粒子的顏色。爆炸、燃燒以及煙霧的模擬場景根據時間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達到實時變化的效果。因此在應用粒子系統模擬爆炸和燃燒等場景時要進行動態的控制和變化。

　　粒子系統運行流程如下：

　　扔始化粒子

　　當程寧在執行時

　　婦袋粒子沒有消亡

　　根據粒子的速受更贛粒子的位置

　　根據粒子的擁速度更新粒予的遮瘦

　　修改粒子的能量

　　如染粒予的能量小于某個闞值

　　設置粒子狀態為酒亡

　　鋤裂粒子擊中場景物l奉或其他粒子

　　修改粒子的短霆、J,1、速受和能量

　　顯示粒了