近年來,，我國煤礦應(yīng)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,，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(zhì)和他們平時訓(xùn)練水平,。把虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種訓(xùn)練學(xué)習(xí)工具，可以模擬或再現(xiàn)一個真實的環(huán)境,，救護(hù)隊員可以通過進(jìn)入這個虛擬的環(huán)境,，嘗試采取各種各樣的救援措施，從而獲得訓(xùn)練,。把游戲引入訓(xùn)練過程中使訓(xùn)練具有趣味性和吸引力,，從而激發(fā)了救護(hù)隊員的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練熱情，使隊員得到更好的訓(xùn)練,。本文將介紹一個基于虛擬現(xiàn)實的煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),，在第 2部分描述了一個虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，第 3部分就系統(tǒng)所用到的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討,，第4部分詳細(xì)描述了系統(tǒng)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(zāi)事故救援訓(xùn)練場景的模擬，第 5部分給出結(jié)論,。
l 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要用于礦山救護(hù)隊員事故救援的訓(xùn)練,。提出利用計算機(jī)技術(shù)建立一套以交互方式模擬接警、調(diào)度,、現(xiàn)場指揮全過程模擬訓(xùn)練系統(tǒng),。該系統(tǒng)主要包括以下幾個方面內(nèi)容：
1)頂板冒落,、火災(zāi)、水災(zāi),、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(xùn)練系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將事故現(xiàn)場在計算機(jī)中真實再現(xiàn),。隊員可以像操縱一個 PRG游戲一樣,?？梢灾蒙碛凇珎€真實的煤礦中,，可以身臨其境的去體驗煤礦的各個環(huán)節(jié)和完成各種訓(xùn)練任務(wù)。主要訓(xùn)練救護(hù)隊員對突發(fā)事故的實時處理能力,，如何救護(hù),，將損失降低到最低限度。救護(hù)隊員通過自己的經(jīng)驗并結(jié)合訓(xùn)練指導(dǎo)系統(tǒng)給出的參考指導(dǎo),，從而做出正確救援判斷,。圖 1所示為虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
2 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2．1虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)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(xùn)練系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對事故場景進(jìn)行再現(xiàn),。因此,，在構(gòu)建 3D模型時，鑒于煤礦 自身的特殊性,，因其地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜,、機(jī)械設(shè)備類型繁多等特殊條件，直接導(dǎo)致了礦 山模型的復(fù)雜性和多樣性,，模型的這種特點直接導(dǎo)致了對模型實時漫游等操作的效果難以保證,。實驗發(fā)現(xiàn)，運用多細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)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(shù)來控制場景復(fù)雜度,、加速圖形繪制速度,。
2)粒子系統(tǒng)建模
粒子系統(tǒng)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(xiàn)物體的物理特性,。每個粒子在任一時刻都具有隨機(jī)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(fā)生位置、形態(tài)的變化,。每個粒子的屬性及動力學(xué)性質(zhì)均由一組預(yù)先定義的隨機(jī)過程來說明,。粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過產(chǎn)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(fā)生各種變化,，從而充分體現(xiàn)出不規(guī)則物體的動態(tài)性和隨機(jī)性。
在虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng),，場景中的火焰,、煙、水束,、爆炸等物體邏輯結(jié)構(gòu)很難表達(dá),，很難用幾個圖元表示。而粒子系統(tǒng)適用于這類物體,。
3)碰撞檢測
為了使煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)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(fù)雜度使得碰撞檢測的計算復(fù)雜度人大提高,。然而精確的碰撞檢測又與人們對系統(tǒng)的實時性相矛盾。因此需要一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征使它們很難處理動態(tài)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(diào)整,。這一算法主要是用于處理動態(tài)物體的碰撞。它不需要完全重新構(gòu)建樹,，可以通過部分調(diào)整使 BSP樹結(jié)構(gòu)達(dá)到最合適的平衡狀態(tài)和保持最高的特性,。 可以用一種調(diào)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(jié)構(gòu)改變的代價,。
3 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)
3．1事故場景模擬系統(tǒng)
在煤礦事故模擬系統(tǒng)中主要包括：頂板冒落、火災(zāi),、水災(zāi),、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(shù)小顆粒隨機(jī)運動而產(chǎn)生的,，不僅外觀形狀極不規(guī)則,，沒有固定的形狀，隨機(jī)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(fù)雜,。經(jīng)過實驗證明,，比較成功的模擬方法足粒子系統(tǒng)算法。
爆炸的產(chǎn)生是通過定義粒子的數(shù)量,，對新生粒子賦予初始狀態(tài)值并在系統(tǒng)中產(chǎn)生這些粒子來實現(xiàn)的,。應(yīng)用粒子系統(tǒng)算法應(yīng)定義粒子的主要屬性有：生命周期，粒子數(shù),，粒子源的形狀,、粒子的大小、粒子的擴(kuò)散速度,，粒子的顏色,。爆炸、燃燒以及煙霧的模擬場景根據(jù)時間改變它們的顏色,、形狀、位置和方向,，以達(dá)到實時變化的效果,。因此在應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬爆炸和燃燒等場景時要進(jìn)行動態(tài)的控制和變化。
粒子系統(tǒng)運行流程如下：
扔始化粒子
當(dāng)程寧在執(zhí)行時
婦袋粒子沒有消亡
根據(jù)粒子的速受更贛粒子的位置
根據(jù)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(shè)置粒子狀態(tài)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
程宇結(jié)束
在爆炸的過程中，爆炸產(chǎn)生的煙霧的顏色是隨著時間而時刻變化的,。因此對爆炸混合物顏色的處理是十分重要的,。根據(jù)常識，爆炸開始時爆炸混合物的顏色應(yīng)該以霧狀的銀白色為主,，隨后變?yōu)殚冱S色,，最后紅色成為主要顏色。隨著時間的推移,，火焰的顏色應(yīng)該逐漸變黃,、變灰，最后變黑,。圖2所示為瓦斯爆炸顏色的漸變過程,。剛剛開始時以銀白色為主，隨后變?yōu)殚冱S色,，最后紅色成為主要顏色,。
3．2虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計
救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要是采用人工智能技術(shù)對訓(xùn)練者給以指導(dǎo)的,。
虛擬煤礦事故救援系統(tǒng)包括：基本訓(xùn)練模塊，專家知識模塊,，指導(dǎo)決策模塊和訓(xùn)練評估模塊,。其各個部分功能定義如下：
基本訓(xùn)練模塊。該模塊主要是完成對隊員的基本訓(xùn)練,。該模塊負(fù)責(zé)記錄每個隊員的靜態(tài)信息：如隊員的職位,，喜好害怕等信息，和每個隊員在訓(xùn)練過程中的動態(tài)信息：如隊員已經(jīng)完成的任務(wù),，所獲得的經(jīng)驗,，獎勵，懲罰,，所消耗的體力,，所剩余的生命力值等動態(tài)信息。通過這些來反饋隊員的生理,、心理狀態(tài)及受培訓(xùn)的程度,，并將其設(shè)置相對應(yīng)的值。然后評估模塊通過…個最低評估標(biāo)準(zhǔn)來評判隊員的訓(xùn)練程度,、隊員是否訓(xùn)練合格,。對于合格的隊員表示攻關(guān)成功，隊員的各種分值相應(yīng)的增減,，并可以進(jìn)入下一階段的訓(xùn)練中,。在本系統(tǒng)中，根據(jù)煤礦每一種事故發(fā)生嚴(yán)重程度分為4個關(guān)卡,，每個關(guān)卡多有評分系統(tǒng),，可以根據(jù)隊員闖關(guān)的表現(xiàn)情況進(jìn)行打分，使隊員在攻關(guān)的艱難過程中,，磨練斗志,，培養(yǎng)技能，提高自己的能力,。隨著攻關(guān)難度的增加,，事故的嚴(yán)重程度越復(fù)雜，隊員都有可能因傷失生命而導(dǎo)致攻關(guān)進(jìn)程終止,。
因此,，隊員必須學(xué)會保存生命力，盡可能減少傷亡,。專家知識模塊,。該模塊包括訓(xùn)練者完成所有任務(wù)所必須掌握的基本知識庫和專家決策知識庫。專家決策知識庫內(nèi)容主要是從處理煤礦事故有豐富實踐經(jīng)驗的專家工作中提煉而成的,。包括：避災(zāi)路線的確定,；逃生線路的確定,；選擇救援措施等。它為指導(dǎo)決策提供依據(jù),。
指導(dǎo)決策模塊,。該模塊是救援訓(xùn)練系統(tǒng)中的核心模塊。它負(fù)責(zé)提供指導(dǎo)策略,。如隊員在訓(xùn)練過程中的糾錯提示,、幫助提示、評估提示等等,。它通過對當(dāng)前隊員所處的事故類型和事故嚴(yán)重程度進(jìn)行分析,，在專家知識決策庫的基礎(chǔ)上，給出最佳救援方案,。當(dāng)然隊員既可以參照指導(dǎo)決策也可以依據(jù)自己的經(jīng)驗做出決策,。
訓(xùn)練評估模塊。對訓(xùn)練結(jié)果的一個近似的客觀估計和評價,，即訓(xùn)練效果,。最低的評估要求是被訓(xùn)練的救護(hù)隊員的生命值大于零，即活著離開事故現(xiàn)場,。對于救護(hù)隊員活著離開事故現(xiàn)場是通過借助訓(xùn)練時間長短,、基本訓(xùn)練模塊的隊員的心理生理狀態(tài)等一些動態(tài)信息以及專家知識模塊和決策指導(dǎo)模塊的最佳逃生或救援路線結(jié)合得出綜合評估結(jié)果。
本文是：t,~OpenGL與Vc++相結(jié)合在Windows平 臺上實現(xiàn)基于C／S結(jié)構(gòu)下的虛擬煤礦事故救援游戲式訓(xùn)練系統(tǒng),。用戶可以對整個場景虛擬瀏覽和自動漫游,，也可以對整個煤礦事故救援訓(xùn)練過程進(jìn)行交互控制。
應(yīng)用OpenGL的系統(tǒng)配置和Visual c++編譯器的設(shè)置：動態(tài)鏈接庫 ：GLU32 DLL,、OPENGL32 DLL (放 到C：＼WINDOWS目錄＼system32) 頭文件：GL．H、GLAUX．H,、GLU．H (放到 C：WrogramFileskM icrosoft Visual Studio＼VC98klnclude＼GL) 庫文件 ：GLAUX LIB,、GLU32．LIB、OPENGL32．LIB(放~ljC：Wrogram FileskMicrosoft Visual Studio＼VC98~IB) 打開菜單Project＼Settmgs,，在彈出的對話框中選擇Link標(biāo)簽,，在Object~Libaray Modules--欄 中增)JHGLU32 LIB、 0PENGL32．LIB這兩個文件,。
用戶在場景中用替身(Avatar)表示,，在進(jìn)入游戲訓(xùn)練時，用戶可 以選擇一個空閑的Player作為 自己的替身,，在每一個場景需要選擇相應(yīng)的裝備,，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并獲得相應(yīng)的積分何扣分,，完成訓(xùn)練的目的,。圖3所示是對煤礦火災(zāi)事故救援訓(xùn)練場景的模擬過程：發(fā)現(xiàn)火災(zāi)一接警調(diào)度一滅火過程,。首先是被訓(xùn)練隊員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并向上級報告火災(zāi)情況(發(fā)生地點,、氣體,、溫度、通風(fēng)設(shè)施,、巷道破壞情況等),。然后根據(jù)指揮，開展救援行動,。
4 結(jié)束語
虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練是對救援訓(xùn)練過程的仿真,，目的在于使救護(hù)隊員在計算機(jī)提供的虛擬環(huán)境中熟練掌握救援技術(shù)。通過過程仿真,，重現(xiàn)煤礦事故現(xiàn)場,，表現(xiàn)給救護(hù)隊員一個逼真的三維視景環(huán)境，猶如身臨其境,，沉浸在煤礦事故的虛擬環(huán)境中,。而且虛擬煤礦救援訓(xùn)練系統(tǒng)把游戲與教育練相結(jié)合，寓教于樂,、寓訓(xùn)于樂,，極大地提高了隊員的想象力，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣,，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果,，使隊員在游戲中提高能力，在訓(xùn)練中體驗快樂,。