關(guān)于虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、關(guān)于虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)     論文關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 事故救援  訓(xùn)練系統(tǒng)  人工智能  碰撞檢測(cè)論文摘要：針對(duì)煤礦事故救援訓(xùn)練時(shí)高成本、耗時(shí)長(zhǎng)、缺乏靈活性、不能適應(yīng)復(fù)雜的變化、存在危險(xiǎn)的問(wèn)題，提出了一個(gè)將訓(xùn)練過(guò)程以游戲的方式進(jìn)行的虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。分析了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，闡述了該系統(tǒng)各模塊的功能。并結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，就三維建模、粒子系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)等技術(shù)進(jìn)行了探討。0 引言 近年來(lái)，我國(guó)煤礦應(yīng)急救援工作在減少礦山事故人員傷亡和財(cái)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

2、功與否取決于救援隊(duì)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(xùn)練水平。把虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)真實(shí)的環(huán)境，救護(hù)隊(duì)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(xùn)練。把游戲引入訓(xùn)練過(guò)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(duì)員的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練熱情，使隊(duì)員得到更好的訓(xùn)練。本文將介紹一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在第 2部分描述了一個(gè)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(chǎng)景的模擬以及煤礦火災(zāi)事故救援訓(xùn)練場(chǎng)景

3、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(duì)員事故救援的訓(xùn)練。提出利計(jì)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(chǎng)指揮全過(guò)程模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)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(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(píng)估； 4)提供煤礦基本知識(shí)和完整的救援知識(shí)。 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將事故現(xiàn)場(chǎng)在計(jì)算機(jī)中真實(shí)再現(xiàn)。隊(duì)員可以像操縱一個(gè) PRG游戲一樣。可以置身于個(gè)真實(shí)的煤礦中，可以身臨其境的去體驗(yàn)煤礦的各個(gè)環(huán)節(jié)和完成各種訓(xùn)練任務(wù)。主要訓(xùn)練

4、救護(hù)隊(duì)員對(duì)突發(fā)事故的實(shí)時(shí)處理能力，如何救護(hù)，將損失降低到最低限度。救護(hù)隊(duì)員通過(guò)自己的經(jīng)驗(yàn)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) 21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(shí)技術(shù)對(duì)事故場(chǎng)景進(jìn)行再現(xiàn)。因此，在構(gòu)建 3D模型時(shí)，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(lèi)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(diǎn)直接導(dǎo)致了對(duì)模型實(shí)時(shí)漫游等操作的效果難以保證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用多細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)能較好地解決類(lèi)似問(wèn)

5、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(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(guò)其屬性的變化表現(xiàn)物體的物理特性。每個(gè)粒子在任一時(shí)刻都具有隨機(jī)的形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)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(yù)先定義的隨機(jī)過(guò)程來(lái)說(shuō)明。粒子在系統(tǒng)中要經(jīng)過(guò)產(chǎn)生、運(yùn)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(xiàn)出不規(guī)則物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性。 在虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)，場(chǎng)景中的火焰、煙、水束、爆炸等物體邏輯結(jié)構(gòu)

6、很難表達(dá)，很難用幾個(gè)圖元表示。而粒子系統(tǒng)適用于這類(lèi)物體。 3)碰撞檢測(cè) 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(shí)感，碰撞檢測(cè)是必須要的。針對(duì)煤礦虛擬場(chǎng)景有著成千上萬(wàn)個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體。這種虛擬場(chǎng)景的幾何復(fù)雜度使得碰撞檢測(cè)的計(jì)算復(fù)雜度人大提高。然而精確的碰撞檢測(cè)又與人們對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相矛盾。因此需要一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)景有管理，二元空間分割樹(shù)(BSP樹(shù))是一種對(duì)場(chǎng)景有效管理方法。 然而由于這種空問(wèn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征使它們很難處理動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。對(duì)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(diào)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(gòu)建樹(shù)，可以通過(guò)部分調(diào)整使 BSP樹(shù)結(jié)構(gòu)達(dá)到最

7、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(lái)評(píng)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(jié)構(gòu)改變的代價(jià)。 3 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng) 31事故場(chǎng)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(chǎng)景足由無(wú)數(shù)小顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，不僅外觀形狀極不規(guī)則，沒(méi)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(shí)刻變化，使得對(duì)上述場(chǎng)景的模擬變得十分復(fù)雜。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)定義粒子的數(shù)量，對(duì)新生粒子賦予初始

8、狀態(tài)值并在系統(tǒng)中產(chǎn)生這些粒子來(lái)實(shí)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(chǎng)景根據(jù)時(shí)間改變它們的顏色、形狀、位置和方向，以達(dá)到實(shí)時(shí)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(chǎng)景時(shí)要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制和變化。 粒子系統(tǒng)運(yùn)行流程如下： 扔始化粒子 當(dāng)程寧在執(zhí)行時(shí) 婦袋粒子沒(méi)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(gè)闞值 設(shè)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 程宇結(jié)束在爆炸的

9、過(guò)程中，爆炸產(chǎn)生的煙霧的顏色是隨著時(shí)間而時(shí)刻變化的。因此對(duì)爆炸混合物顏色的處理是十分重要的。根據(jù)常識(shí)，爆炸開(kāi)始時(shí)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(shí)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(guò)程。剛剛開(kāi)始時(shí)以銀白色為主，隨后變?yōu)殚冱S色，最后紅色成為主要顏色。      32虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì) 救援訓(xùn)練系統(tǒng)主要是采用人工智能技術(shù)對(duì)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(zhuān)家知識(shí)模塊，指導(dǎo)決策模塊和訓(xùn)練評(píng)估模塊。其各個(gè)部分功能定義如下： 基本訓(xùn)練模

10、塊。該模塊主要是完成對(duì)隊(duì)員的基本訓(xùn)練。該模塊負(fù)責(zé)記錄每個(gè)隊(duì)員的靜態(tài)信息：如隊(duì)員的職位，喜好害怕等信息，和每個(gè)隊(duì)員在訓(xùn)練過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息：如隊(duì)員已經(jīng)完成的任務(wù)，所獲得的經(jīng)驗(yàn)，獎(jiǎng)勵(lì)，懲罰，所消耗的體力，所剩余的生命力值等動(dòng)態(tài)信息。通過(guò)這些來(lái)反饋隊(duì)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(duì)應(yīng)的值。然后評(píng)估模塊通過(guò)個(gè)最低評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)判隊(duì)員的訓(xùn)練程度、隊(duì)員是否訓(xùn)練合格。對(duì)于合格的隊(duì)員表示攻關(guān)成功，隊(duì)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(gè)關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡多有評(píng)分系統(tǒng)，可以根據(jù)隊(duì)員闖關(guān)的表現(xiàn)情況進(jìn)行打分，使隊(duì)員在攻關(guān)的艱難過(guò)程中，磨練斗志，

11、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(duì)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(duì)員必須學(xué)會(huì)保存生命力，盡可能減少傷亡。專(zhuān)家知識(shí)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(shí)庫(kù)和專(zhuān)家決策知識(shí)庫(kù)。專(zhuān)家決策知識(shí)庫(kù)內(nèi)容主要是從處理煤礦事故有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)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(duì)員在訓(xùn)練過(guò)程中的糾錯(cuò)提示、幫助提示、評(píng)估提示等等。它通過(guò)對(duì)當(dāng)前隊(duì)員所處的事故類(lèi)型和事故嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，在專(zhuān)家知識(shí)決策庫(kù)的基礎(chǔ)上，給出最

12、佳救援方案。當(dāng)然隊(duì)員既可以參照指導(dǎo)決策也可以依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)做出決策。 訓(xùn)練評(píng)估模塊。對(duì)訓(xùn)練結(jié)果的一個(gè)近似的客觀估計(jì)和評(píng)價(jià)，即訓(xùn)練效果。最低的評(píng)估要求是被訓(xùn)練的救護(hù)隊(duì)員的生命值大于零，即活著離開(kāi)事故現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于救護(hù)隊(duì)員活著離開(kāi)事故現(xiàn)場(chǎng)是通過(guò)借助訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)短、基本訓(xùn)練模塊的隊(duì)員的心理生理狀態(tài)等一些動(dòng)態(tài)信息以及專(zhuān)家知識(shí)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(píng)估結(jié)果。本文是：t,OpenGL與Vc+相結(jié)合在Windows平 臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于CS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(duì)整個(gè)場(chǎng)景虛擬瀏覽和自動(dòng)漫游，也可以對(duì)整個(gè)煤礦事故救援訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行交互控制。 應(yīng)用OpenGL的系統(tǒng)配置和

13、Visual c+編譯器的設(shè)置：動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) ：GLU32 DLL、OPENGL32 DLL (放 到C：WINDOWS目錄system32) 頭文件：GLH、GLAUXH、GLUH (放到 C：WrogramFileskM icrosoft Visual StudioVC98klncludeGL) 庫(kù)文件 ：GLAUX LIB、GLU32LIB、OPENGL32LIB(放ljC：Wrogram FileskMicrosoft Visual StudioVC98IB) 打開(kāi)菜單ProjectSettmgs，在彈出的對(duì)話框中選擇Link標(biāo)簽，在ObjectLibaray Modules-欄 中增)

14、JHGLU32 LIB、 0PENGL32LIB這兩個(gè)文件。 用戶在場(chǎng)景中用替身(Avatar)表示，在進(jìn)入游戲訓(xùn)練時(shí)，用戶可 以選擇一個(gè)空閑的Player作為 自己的替身，在每一個(gè)場(chǎng)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(duì)煤礦火災(zāi)事故救援訓(xùn)練場(chǎng)景的模擬過(guò)程：發(fā)現(xiàn)火災(zāi)一接警調(diào)度一滅火過(guò)程。首先是被訓(xùn)練隊(duì)員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并向上報(bào)告火災(zāi)情況(發(fā)生地點(diǎn)、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(kāi)展救援行動(dòng)。4 結(jié)束語(yǔ) 虛擬煤礦事故救援訓(xùn)練是對(duì)救援訓(xùn)練過(guò)程的仿真，目的在于使救護(hù)隊(duì)員在計(jì)算機(jī)提供的虛擬環(huán)境中熟練掌握救援技術(shù)。通過(guò)過(guò)程仿真，重現(xiàn)煤

15、礦事故現(xiàn)場(chǎng)，表現(xiàn)給救護(hù)隊(duì)員一個(gè)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)把游戲教育練相結(jié)合，寓教于樂(lè)、寓訓(xùn)于樂(lè)，極大地提高了隊(duì)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(duì)員在游戲中提高能力，在訓(xùn)練中體驗(yàn)快樂(lè)。 參考文獻(xiàn) 【l】藤越，王志良基于OpenGL技術(shù)的人臉表情動(dòng)畫(huà)合成的研究【J】微計(jì)算機(jī)信息，2004，20(5)：100-102 【2】趙春霞，張艷，戰(zhàn)守義 基于粒子系統(tǒng)方法的三維火焰模擬【J】計(jì)算工程與應(yīng)用，2004,40(28)：73-75 【3】Luque R G，Comba J L D，F(xiàn)reitas C M D SBroadphaseCollision Decfion using Semiadjusting BSPtreesc，SI3D05：Proceedings of the 2005 symposium on Interactive 3D Graphics and Gam esNew York，NY U