基于虚拟煤矿事故救援训练系统设计与实现

　0 引言

　　近年来，我国煤矿应急救援工作在减少矿山事故人员伤亡和财产损失、促进矿山安全生产方面发挥了重要作用。在救援时，救援行动的成功与否取决于救援队员能否迅速、正确地决策并实施，而这些又取决于救援人员的素质和他们平时训练水平。把虚拟现实技术作为一种训练学习工具，可以模拟或再现一个真实的环境，救护队员可以通过进入这个虚拟的环境，尝试采取各种各样的救援措施，从而获得训练。把游戏引入训练过程中使训练具有趣味性和吸引力，从而激发了救护队员的学习和训练热情，使队员得到更好的训练。本文将介绍一个基于虚拟现实的煤矿事故救援训练系统设计与实现，在第 2部分描述了一个虚拟煤矿事故救援训练系统总体结构，第 3部分就系统所用到的一些关键技术进行了探讨，第4部分详细描述了系统各模块功能，并给出了瓦斯爆炸事故场景的模拟以及煤矿火灾事故救援训练场景的模拟，第 5部分给出结论。

　　l 虚拟煤矿事故救援训练系统总体结构

　　虚拟煤矿事故救援训练系统主要用于矿山救护队员事故救援的训练。提出利用计算机技术建立一套以交互方式模拟接警、调度、现场指挥全过程模拟训练系统。该系统主要包括以下几个方面内容：

　　1)顶板冒落、火灾、水灾、瓦斯煤尘爆炸事故过程的模拟；

　　2)各种事故救援方案的编制；

　　3)各种事故救援方案效果的自动评估；

　　4)提供煤矿基本知识和完整的救援知识。

　　虚拟煤矿事故救援训练系统借助虚拟现实技术，将事故现场在计算机中真实再现。队员可以像操纵一个 PRG游戏一样。可以置身于～个真实的煤矿中，可以身临其境的去体验煤矿的各个环节和完成各种训练任务。主要训练救护队员对突发事故的实时处理能力，如何救护，将损失降低到最低限度。救护队员通过自己的经验并结合训练指导系统给出的参考指导，从而做出正确救援判断。图 1所示为虚拟煤矿事故救援训练系统总体结构。

　　2 虚拟煤矿事故救援训练系统关键技术

　　2．1虚拟煤矿事故救援训练系统关键技术

　　1)建立 3D模型关键技术

　　煤矿事故救援训练系统主要采用虚拟现实技术对事故场景进行再现。因此，在构建 3D模型时，鉴于煤矿 自身的特殊性，因其地质构造条件复杂、机械设备类型繁多等特殊条件，直接导致了矿 山模型的复杂性和多样性，模型的这种特点直接导致了对模型实时漫游等操作的效果难以保证。实验发现，运用多细节层次模型技术能较好地解决类似问题。为了增加整个场景的真实感和立体感，在建立建筑物等的模型时，采用纹理映射…技术来控制场景复杂度、加速图形绘制速度。

　　2)粒子系统建模

　　粒子系统方法就是将大量的粒子图元集合在一起，通过其属性的变化表现物体的物理特性。每个粒子在任一时刻都具有随机的形状、大小、颜色、透明度、运动方向和运动速度等属性，并随时间推移发生位置、形态的变化。每个粒子的属性及动力学性质均由一组预先定义的随机过程来说明。粒子在系统中要经过产生、运动和消亡三个阶段，这三个阶段中粒子的各种属性随时问的推移发生各种变化，从而充分体现出不规则物体的动态性和随机性。

　　在虚拟煤矿事故救援训练系统，场景中的火焰、烟、水束、爆炸等物体逻辑结构很难表达，很难用几个图元表示。而粒子系统适用于这类物体。

　　3)碰撞检测

　　为了使煤矿事故救援训练系统的虚拟效果更富有真实感，碰撞检测是必须要的。针对煤矿虚拟场景有着成千上万个运动着的物体。这种虚拟场景的几何复杂度使得碰撞检测的计算复杂度人大提高。然而精确的碰撞检测又与人们对系统的实时性相矛盾。因此需要一种数据结构对场景有效管理，二元空间分割树(BSP树)是一种对场景有效管理方法。

　　然而由于这种空问数据结构的静态特征使它们很难处理动态场景。对此用一种基于 BSP树的快速算法来管理整个场景，一种半调整。这一算法主要是用于处理动态物体的碰撞。它不需要完全重新构建树，可以通过部分调整使 BSP树结构达到最合适的平衡状态和保持最高的特性。 可以用一种调度算法来评估 BSP树开始失衡的地方，用一些策略来选择改变分割平面，从而降低更新带来的树结构改变的代价。

　　3 虚拟煤矿事故救援训练系统

　　3．1事故场景模拟系统

　　在煤矿事故模拟系统中主要包括：顶板冒落、火灾、水灾、瓦斯煤尘爆炸情形的模拟。限于篇幅，本文以瓦斯爆炸模拟为例。

　　由于瓦斯爆炸、燃烧、烟雾场景足由无数小颗粒随机运动而产生的，不仅外观形状极不规则，没有固定的形状，随机性大，更重要的是它的颜色、形状甚至声音时刻变化，使得对上述场景的模拟变得十分复杂。经过实验证明，比较成功的模拟方法足粒子系统算法。

　　爆炸的产生是通过定义粒子的数量，对新生粒子赋予初始状态值并在系统中产生这些粒子来实现的。应用粒子系统算法应定义粒子的主要属性有：生命周期，粒子数，粒子源的形状、粒子的大小、粒子的扩散速度，粒子的颜色。爆炸、燃烧以及烟雾的模拟场景根据时间改变它们的颜色、形状、位置和方向，以达到实时变化的效果。因此在应用粒子系统模拟爆炸和燃烧等场景时要进行动态的控制和变化。

　　粒子系统运行流程如下：

　　扔始化粒子

　　当程宁在执行时

　　妇袋粒子没有消亡

　　根据粒子的速受更赣粒子的位置

　　根据粒子的拥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个阚值

　　设置粒子状态为酒亡

　　锄裂粒子击中场景物l奉或其他粒子

　　修改粒子的短霆、J,1、速受和能量

　　显示粒了