虚拟现实技术（VR）具有交互性、沉浸性和想象性等特点，因而在矿山教育培训、消防安全等领域获得了广泛应用，如：用于虚拟矿山的漫游仿真设计[4,5]，矿山救援培训系统的实现[6]，火灾条件下人的行为方式研究[7,8,9]。在矿井火灾应急培训领域，已有学者开展了VR技术应用的相关研究，如武炜[10]利用vg DIGuy模块模拟矿工火灾期间的逃生；朱红青等[11]基于Virtools开发矿井火灾救援虚拟现实培训系统；任大伟等[12]基于Unity3D开发煤矿灾害应急疏散虚拟现实平台，但这些研究只针对疏散和救援中的某一方面，缺少对火灾发生后应急处理工作的系统研究，并且存在构建的虚拟现实系统交互性不足及虚拟现实实验设备繁重复杂等问题。国内外学者相继利用BIM技术[13]、Unity3D游戏引擎[14]、环绕6屏[15]和虚拟体验舱[16]等软硬件设施来开发火灾应急虚拟现实系统，但这些设施偏重于消防安全领域，对于矿井火灾场景的培训应用效果不佳。
基于此，本文设计了一种集非煤矿山火灾应急救援培训与培训效果综合考核功能于一体的火灾培训系统架构，并利用3Ds Max三维建模软件、Unity3D游戏引擎和HTC VIVE头显设备设计开发出交互性和体验性更佳的非煤矿山火灾应急培训系统，以期提高非煤矿山火灾事故应急处置能力。
1 系统功能设计
1.1 系统功能模块划分
为了提高非煤矿山矿井火灾应急培训效果，使学员全面学习掌握火灾发生前后的事故演变过程和应急处理措施。利用VR技术构造了一个从火灾发生前的虚拟漫游到火灾发生时的场景体验，再到火灾发生后的人员疏散、应急救援、灾后处理，以及学习培训后进行考核评价的非煤矿井火灾应急培训系统。该系统主要包括4个子系统：项目基本介绍子系统、事故场景体验子系统、人员角色体验子系统和综合考核评价子系统。培训时，学员以第一视角进入培训系统，进行系列学习和体验，各子系统及其功能如表1所示。
表1 系统功能模块
Table 1
| 子系统名称 | 模块 | 功能 |
|---|---|---|
| 项目基本介绍子系统 | 系统简介 | 了解系统的基本功能、培训目的 |
| 操作培训 | 熟悉交互界面并学会手柄的使用 | |
| 事故场景体验子系统 | 电缆起火事故 | 体验事故发生的不同场景，了解矿井火灾的起火原因，对于矿井火灾产生直观的感受 |
| 变压器爆炸事故 | ||
| 人为火灾事故 | ||
| 人员角色体验子系统 | 疏散逃离 | 熟悉避灾流程和路线 |
| 灭火处理 | 熟悉灭火措施和灾后处理工作 | |
| 救援急救 | 熟悉救援流程和学习应急处理措施 | |
| 综合考核评价子系统 | 事故处理 | 考核基本事故处理方式 |
| 消防知识 | 考核常用消防知识 | |
| 医疗自救 | 考核一般医疗急救知识 |
1.2 事故场景体验子系统
学员佩戴虚拟现实设备进入事故场景体验子系统，成为场景中的一个虚拟人员，并以第一视角经历了不同场景的火灾事故，了解事故发生的原因和过程。该子系统充分利用虚拟现实技术强沉浸性和强真实性的特点，使学员身临其境地体验火灾事故的惨烈后果，特别是虚拟人员死亡带来的强烈感觉（视觉、听觉）冲击，给学员留下了深刻印象和直观感受，从而达到了培训体验效果。
根据统计资料，非煤矿山矿井火灾事故主要由电气引燃、明火或焊接火花、人的不安全行为等因素引起，其中电气引燃造成的火灾事故约占60%[17]。针对以上因素设计3种事故场景：（1）电缆乱搭、乱接导致电缆短路，引燃变电所地面的油渍，继而引燃巷道易燃物质，导致井下发生重大火灾事故，虚拟人员来不及撤离，吸入火灾产生的大量有毒气体缺氧窒息死亡；（2）变配电室存放设备过多，管理不善，电器使用功率过大导致导线过载而燃烧，使硐室内易燃材料着火，引起变压器爆炸，虚拟人员遭受爆炸产生的气浪冲击而昏厥；（3）人为使用明火抽烟，随意丢弃的烟头引起矿井内易燃物质燃烧，瞬间产生高温大火，虚拟人员忍受不了高温而倒地。
1.3 人员角色体验子系统
人员角色体验子系统的主要功能是帮助学员学习体验矿井火灾发生后不同的应变处理方法。在该子系统中，学员根据不同的火灾事故应急处理方法模块，以不同角色的虚拟人员身份进入矿井，通过观察系统动画特征，进行观察、选择和应对等一系列操作。为了加深学员的学习理解，该系统专门在重要内容部分设置了“选择”操作选项，并提示学员进行选择。当学员做出错误选择时，子系统画面会显示选择错误而产生的后果，然后重新返回上一步内容，直到学员选择正确时才会进入下一步，并依次循环，直到完成角色体验。该子系统功能不仅体现了游戏互动性能，以良好的交互性帮助学员加深印象，而且当学员做出错误判断时，会对其产生强烈的应急后果冲击，提高其记忆效果。
本研究开发的应急培训系统中，人员角色体验子系统包括三类模块：疏散逃离模块、灭火处理模块和救援急救模块。其中，在疏散逃离模块中，学员体验井下矿工的身份，以保证矿井发生火灾时作业人员能够按正确的撤离路线逃离；灭火处理模块则以进入井下救火和事后处理为目标，使学员体验灭火消防队队员的身份；救援急救模块以救护井下伤员和帮助被困人员撤离为目标，使学员体验应急救援队队员的身份。人员角色体验子系统三类模块的具体流程如图1所示。
图1
1.4 综合考核评价子系统
为了评估学员对火灾事故的应变能力并考核学习培训效果，该培训系统设计了综合考核评价子系统，如图2所示。该子系统中预先建立了事故处理、消防知识和医疗自救3个考核内容数据库，在对学员进行考核时，从3个数据库中依次随机抽取考试试题，以保证考核内容的深度和广度，学员通过操作手柄回答问题的形式来加深矿井火灾应急培训的效果。只有学员各个方面取得的分数都大于或等于60分，系统才会显示分数，并进行错题回放，否则输出结果为不及格。
图2
2 系统结构的开发流程
2.1 系统开发技术路线
VR系统开发工具和方法较多，本次培训系统结合矿山的实际需求，利用3Ds Max三维建模软件和Unity3D游戏引擎构建虚拟现实系统，并通过HTC VIVE头显设备实现交互功能，其开发技术路线如图3所示。具体开发步骤如下：
图3
（1）收集非煤矿山火灾事故的相关资料和数据，具体包括火灾发生的原因，矿井及电器设备参数，火灾疏散、火灾救援和火灾灭火处理等相关资料。
（2）根据收集的设备参数，使用3Ds Max三维建模软件对矿井、人物和火灾场景进行几何建模，利用材质编辑功能，将材质赋给模型，从而实现纹理贴图。
（3）将三维建模文件保存为“.FBX”格式，然后将嵌入了媒体信息的场景精细模型导入到Unity3D游戏引擎中进行耦合。
（4）在Unity3D游戏引擎中实现场景烘焙，创建贴图和材质，利用shader编程实现几何纹理映射，使模型表面产生凹凸特性，并对模型进行渲染，使模型效果具有真实性；设置灯光并调节光照效果，使渲染的场景接近矿山实景。
（5）在Unity3D游戏引擎中加入声效控制和物理引擎控制等效果加成，使场景更加贴近实际效果，其中声效控制包括系统的操作提示声音和交互时的动作声音，在物理引擎中最重要的是加入碰撞检测。
（6）基于Unity3D游戏引擎的API函数，利用C#编程语言完成脚本开发，实现交互动能和系统控制。
（7）加入Steam VR插件，调用HTC VIVE SDK，设置寻路导航并确定地面可走范围，加入[CameraRia]预制件，实现头盔式显示器和交互手柄的定位与显示功能。
（8）系统完成，进行系统测试和处理系统反馈问题。
2.2 三维模型的建立
建立非煤矿山矿井火灾应急培训系统的首要步骤是建立与矿井、火灾和人物相似的三维数字模型。
矿井模型主要利用3Ds Max中的多边形进行建模，建模时要充分参照矿山矿井实际情况、矿山数字模型、矿山设备参数和巷道采场结构参数等信息，设计矿井交叉巷道、井内电器设施及电缆等。
火灾模型包括火焰、烟雾和爆炸等效果，主要通过3Ds Max软件里的Super Spray超级喷射粒子系统进行建模。建模时，通过调整粒子发射器的参数，将粒子的渲染方式改成FACING（面片方式），调节材质和颜色，添加SMOKE材质并进行渲染，完成火焰和爆炸的效果。另外，通过改变主体颜色，火焰可以更改为烟雾效果。
人物建模包括人物的前进、后退、跳、跑、用湿毛巾捂住口鼻、穿戴设备、拿出灭火器等动作建模，以及人物的工作服、口罩、气体检测仪、头灯（电筒）、自救器等静态的佩戴设施建模。人物建模以3Ds Max中的多边形建模为核心，首先创建一个标准的三维物体，然后将其转成可编辑的多边形物体，利用多边形强大的可编辑性质，按照人体肌肉走向对模型进行切割、连接、合并、焊接、挤压和倒角等操作，逐步细化模型，最终达到制作要求。
2.3 基于Unity3D的系统构建
三维模型构建完成后，为了增加系统的真实感和交互性，还需将模型导入到Unity3D游戏引擎中构建培训系统，这也是构建虚拟现实系统最重要的步骤。
图4
为了实现更真实的体验效果，需要对场景视觉、听觉及物理效果进行加成。在物理效果的加成中最重要的是在物理引擎控制中加入碰撞检测：可以给物体加碰撞检测的脚本，在脚本中添加On Collision Enter（Collision collision）、On Collision Exit（Collision collision）、On Collision Stay（Collision collision）这3个函数，当有碰撞体进入、离开和停留在另一个碰撞体时，将会依次调用这些函数。在这些函数中添加响应碰撞检测的代码，就可以实现物体抓取、碰撞应力反馈等物理效果。
2.4 用户交互功能的实现
为了在培训过程中充分发挥培训人员与虚拟环境的互动性，增加受训人员的现实感观，采用HTC VIVE头显设备实现用户与系统的交互。头显设备包括头戴式数字头盔（HMD）、VIVE操控手柄和定位器3个部分，如图5所示。头戴式显示系统通常与头部运动跟踪或眼球跟踪并行工作，以增强真实感[19]。通过操控VIVE操控手柄可以实现虚拟人员的移动和系统功能的选择等控制功能。定位器具有身体追踪功能，可以实现对学员移动动作的捕捉，完成与系统中虚拟人员动作的同步化。系统交互功能的实现有2种方式：一种是利用传统的激光指针式交互方式，生成Laser Pointer激光束，通过操控圆形的触控板控制激光束射线，当射线照射到虚拟系统的装置时，如果射线变色，则可以进行传送，否则继续进行漫游；另一种是通过触碰或抓取某特定物体的方式进行交互，以抓取物体的物理碰撞引擎来实现。本文通过C#语言编写Unity脚本对培训系统中的各种模型进行控制并实现交互功能，同时调用Steam VR等插件以增加交互功能，使系统功能更加完善。
图5
3 系统效果评估
3.1 室内评估试验流程
为了评估基于VR技术的矿井火灾应急培训系统的培训效果，本研究共邀请了60名年龄相近、学科专业背景相同且未参加类似试验的在校大学生参加传统培训方式（PPT）和VR培训系统的培训测试，2种测试方式的知识系统相同。测试时，60名同学同时参加PPT培训和VR系统培训，其中30名同学先参加PPT培训再参加VR系统培训，另外30名同学先参加VR系统培训再参加PPT培训，以避免试验顺序对试验结果的影响。为了防止其他干扰，测试人员不能向未测试人员透露信息，评估试验现场如图6所示。待完成测试后，每位同学填写包含注意力、真实感等12项指标的测试效果评分表，表中的评估指标参考相关研究成果[12,20]和非煤矿山矿井火灾实际情况设计，各指标评分范围为0~5，分数越高代表指标效果越好，打分完成后回答对两类培训方式的喜爱程度，从而对测试效果进行评估。
图6
3.2 室内评估试验结果
根据60名同学测试评估反馈的结果，共收集了120份有效打分表，统计指标均值得到PPT培训与VR系统培训效果评估对比结果（图7）。由图7可以看出，在注意力、真实感、想象性和满意度4个方面，VR系统指标均值是PPT培训的2~4倍，特别是在沉浸性方面二者形成了明显对比，说明VR系统具有很好的用户体验。但在舒适感和便捷性方面，VR系统明显低于PPT培训，很多用户指出使用VR系统培训时，偶尔会出现眩晕、身体不舒适的情况，并且VR系统相比PPT培训不够便捷，这也是未来VR系统需要不断改善的地方。总体来说，VR系统具有很好的用户体验。在促进学习、利于操作和认知、记忆等方面，VR系统培训效果指标一般是PPT培训的1~2倍，说明在矿井火灾应急培训方面，利用VR技术构建的培训系统具有更好的培训效果。另外，90%的受测试同学更偏爱基于VR技术的矿井火灾应急培训系统。由此可知，基于VR技术的培训系统能够有效地提高矿井火灾应急培训效率，达到很好的培训效果。
图7
3.3 现场测试评估
为了验证基于VR技术的非煤矿山火灾应急培训系统在矿山实际应用的可行性，在广西高峰矿对锡矿作业人员进行测试。测试的硬件设施有电脑、显示屏和HTC VIVE头显设备系统。在整个测试期间，设备运行稳定，能实现所有的系统功能。在测试过程中，被测试人员对新开发的培训系统兴趣浓厚，主动学习的意愿更强；除个别人员反映穿戴HTC VIVE头显设备会出现身体不舒适之外，大部分人员反映能熟练地操作系统并学习理解系统的培训内容。另外，该系统只需要软硬件设备即可完成培训，并且可以多次重复使用，不需要另外聘请安全专家授课，可有效降低培训成本。
4 结论
（1）设计了基于VR技术的非煤矿山火灾应急培训系统的系统框架和开发流程，根据系统功能划分出4个子系统和模块，基于Unity3D引擎和HTC VIVE终端开发了一种系统性和交互性更强的矿井火灾应急培训系统。
（2）相比传统的矿井应急培训，基于VR技术构建的培训系统成本低、易于接受且培训方式灵活，具有更好的培训效果和用户体验，能有效提高矿井火灾应急培训效率，加强矿山作业人员的火灾应急专业技能。
（3）使用VR系统培训时用户偶尔会出现眩晕、身体不舒适的情况，未来可通过提升VR硬件设备、优化视觉移动以适应用户正常的视觉生理机能。另外，综合考核评价子系统的设定尚不完善，下一步研究将致力于开发更丰富的考核评价场景，用户在考核时可实现更全面的交互，从而实现非煤矿山火灾应急培训系统的多元化。
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