關(guān)于虛擬煤礦事故救援訓練系統設計與實(shí)現

　0 引言

　　近年來(lái)，我國煤礦應急救援工作在減少礦山事故人員傷亡和財產(chǎn)損失、促進(jìn)礦山安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。在救援時(shí)，救援行動(dòng)的成功與否取決于救援隊員能否迅速、正確地決策并實(shí)施，而這些又取決于救援人員的素質(zhì)和他們平時(shí)訓練水平。把虛擬現實(shí)技術(shù)作為一種訓練學(xué)習工具，可以模擬或再現一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，救護隊員可以通過(guò)進(jìn)入這個(gè)虛擬的環(huán)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(guò)程中使訓練具有趣味性和吸引力，從而激發(fā)了救護隊員的學(xué)習和訓練熱情，使隊員得到更好的訓練。本文將介紹一個(gè)基于虛擬現實(shí)的煤礦事故救援訓練系統設計與實(shí)現，在第 2部分描述了一個(gè)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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(chǎng)景的模擬以及煤礦火災事故救援訓練場(chǎng)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(shù)建立一套以交互方式模擬接警、調度、現場(chǎng)指揮全過(guò)程模擬訓練系統。該系統主要包括以下幾個(gè)方面內容：

　　1)頂板冒落、火災、水災、瓦斯煤塵爆炸事故過(guò)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(dòng)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(shí)技術(shù)，將事故現場(chǎng)在計算機中真實(shí)再現。隊員可以像操縱一個(gè) PRG游戲一樣?？梢灾蒙碛凇珎€(gè)真實(shí)的煤礦中，可以身臨其境的去體驗煤礦的各個(gè)環(huán)節和完成各種訓練任務(wù)。主要訓練救護隊員對突發(fā)事故的實(shí)時(shí)處理能力，如何救護，將損失降低到最低限度。救護隊員通過(guò)自己的經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)

　　2．1虛擬煤礦事故救援訓練系統關(guān)鍵技術(shù)

　　1)建立 3D模型關(guān)鍵技術(shù)

　　煤礦事故救援訓練系統主要采用虛擬現實(shí)技術(shù)對事故場(chǎng)景進(jìn)行再現。因此，在構建 3D模型時(shí)，鑒于煤礦 自身的特殊性，因其地質(zhì)構造條件復雜、機械設備類(lèi)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(diǎn)直接導致了對模型實(shí)時(shí)漫游等操作的效果難以保證。實(shí)驗發(fā)現，運用多細節層次模型技術(shù)能較好地解決類(lèi)似問(wèn)題。為了增加整個(gè)場(chǎng)景的真實(shí)感和立體感，在建立建筑物等的模型時(shí)，采用紋理映射…技術(shù)來(lái)控制場(chǎng)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(guò)其屬性的變化表現物體的物理特性。每個(gè)粒子在任一時(shí)刻都具有隨機的形狀、大小、顏色、透明度、運動(dòng)方向和運動(dòng)速度等屬性，并隨時(shí)間推移發(fā)生位置、形態(tài)的變化。每個(gè)粒子的屬性及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)均由一組預先定義的隨機過(guò)程來(lái)說(shuō)明。粒子在系統中要經(jīng)過(guò)產(chǎn)生、運動(dòng)和消亡三個(gè)階段，這三個(gè)階段中粒子的各種屬性隨時(shí)問(wèn)的推移發(fā)生各種變化，從而充分體現出不規則物體的動(dòng)態(tài)性和隨機性。

　　在虛擬煤礦事故救援訓練系統，場(chǎng)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(gè)圖元表示。而粒子系統適用于這類(lèi)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(shí)感，碰撞檢測是必須要的。針對煤礦虛擬場(chǎng)景有著(zhù)成千上萬(wàn)個(gè)運動(dòng)著(zhù)的物體。這種虛擬場(chǎng)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(shí)時(shí)性相矛盾。因此需要一種數據結構對場(chǎng)景有效管理，二元空間分割樹(shù)(BSP樹(shù))是一種對場(chǎng)景有效管理方法。

　　然而由于這種空問(wèn)數據結構的靜態(tài)特征使它們很難處理動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。對此用一種基于 BSP樹(shù)的快速算法來(lái)管理整個(gè)場(chǎng)景，一種半調整。這一算法主要是用于處理動(dòng)態(tài)物體的碰撞。它不需要完全重新構建樹(shù)，可以通過(guò)部分調整使 BSP樹(shù)結構達到最合適的平衡狀態(tài)和保持最高的特性。 可以用一種調度算法來(lái)評估 BSP樹(shù)開(kāi)始失衡的地方，用一些策略來(lái)選擇改變分割平面，從而降低更新帶來(lái)的樹(shù)結構改變的代價(jià)。

　　3 虛擬煤礦事故救援訓練系統

　　3．1事故場(chǎng)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(chǎng)景足由無(wú)數小顆粒隨機運動(dòng)而產(chǎn)生的，不僅外觀(guān)形狀極不規則，沒(méi)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(shí)刻變化，使得對上述場(chǎng)景的模擬變得十分復雜。經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明，比較成功的模擬方法足粒子系統算法。

　　爆炸的產(chǎn)生是通過(guò)定義粒子的數量，對新生粒子賦予初始狀態(tài)值并在系統中產(chǎn)生這些粒子來(lái)實(shí)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(chǎng)景根據時(shí)間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達到實(shí)時(shí)變化的效果。因此在應用粒子系統模擬爆炸和燃燒等場(chǎng)景時(shí)要進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(shí)

　　婦袋粒子沒(méi)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(gè)闞值

　　設置粒子狀態(tài)為酒亡

　　鋤裂粒子擊中場(chǎng)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