CN112949048A - 一种矿山应急救援综合培训演练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应急救援训练领域，具体公开一种矿山应急救援综合培训演练系统。演练系统包括：情景构建模块，用于构建事故情景；情景显示模块，用于显示事故情景以及演练人员采取相应救援演练活动的事故救援场景；智能教鞭模块，用于演练人员与事故情景交互，完成相应救援演练活动；指挥平台模块，用于远程同步显示事故情景和事故救援场景，以及用于指挥人员与演练人员互动，以指挥和控制救援演练活动。通过采用上述系统，可以模拟不同事故场景，开展事故应急救援演练，实现虚拟事故场景与演练人员交互，同时实现指挥人员与现场救援演练人员互动，协同救援。通过培训演练，能够有效提高现场演练人员救援能力和场外指挥人员指挥决策水平。

Description

一种矿山应急救援综合培训演练系统

技术领域

本发明涉及应急救援训练领域，具体地，涉及一种矿山应急救援综合培训演练系统。

背景技术

应急救援是一项高危作业，需要救援人员具备体能、心理、知识、经验等方面较强的综合能力，是安全高效开展救援，降低事故损失的重要保障。做好救援演练培训是提高救援人员能力的基本途径。矿山救援的主要事故类型包括煤矿井下透水、火灾、瓦斯(煤尘)爆炸、顶板冒落等自然环境灾害。传统的矿山事故演练，主要是在井下生产现场，甚至在地面上假设事故情景，开展一些简单、局部的模拟演练，或者通过授课演示等方式开展培训。由于培训演练水平低，难以满足实际需要，严重阻碍了应急救援能力的提高。基于矿山事故特点，现实中，有效开展应急救援演练面临诸多技术问题，比如瓦斯(煤尘)爆炸等一些事故情景在现实中无法真实再现。由于煤矿等矿山井下安全性要求非常高，复杂事故情景再现布置困难、成本高，现实中难以开展大型复杂事故的协同演练。因此，通过创新演练手段，全面、真实、便捷再现各类复杂事故情景，实现现场救援与场外指挥综合协同演练，具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种矿山应急救援综合培训演练系统，用于解决相关技术问题。

本发明提供一种矿山应急救援综合培训演练系统，所述演练系统包括：情景构建模块，用于构建事故情景；情景显示模块，用于显示所述事故情景以及演练人员采取相应救援演练活动的事故救援场景；智能教鞭模块，用于所述演练人员与所述事故情景交互，完成相应救援演练活动；指挥平台模块，用于远程同步显示所述事故情景和所述事故救援场景，以及用于指挥人员与所述演练人员互动，以指挥和控制所述救援演练活动。

优选的，所述情景构建模块用于采用如下方式构建所述事故情景：根据矿山事故要素构建3D模型，其中，所述矿山事故要素包括矿井巷道、开采工作面、设备设施及遇险人员；根据演练脚本利用所述3D模型构建所述事故情景。

优选的，所述情景显示模块包括显示控制主机、几何校正处理器、投影机组件、环幕；所述显示控制主机将所述事故情景画面通过所述几何校正处理器进行处理后，利用所述投影机组件将处理后的事故情景画面投射到所述环幕上；所述环幕包括120度环幕、180度环幕、360度环幕。

优选的，所述几何校正处理器用于采用如下方式对所述事故情景画面进行处理，包括：基于所述事故情景，得到所述事故情景画面的图像像素阵列图；基于算法公式计算，将所述图像像素阵列图转换成适配于所述环幕的图像像素阵列图，以得到校正处理后的事故情景画面。

优选的，所述算法公式包括：

S_i＝L(tan(iα)-tan((i-1)α))；

其中，L为所述演练人员与所述环幕的水平距离，H为所述环幕的高度，h为所述演练人员的身高高度，n为所述环幕的图像像素行数，α为所述两行间图像像素点之间的夹角，S_i为任意连续两行间图像像素点的距离，i为像素行数序号。

优选的，所述智能教鞭模块包括红外教鞭和红外光学摄像头；所述红外教鞭用于在所述环幕显示的事故情景画面上投射红外发光信号；所述红外光学摄像头用于根据所述红外发光信号在所述环幕上显示的红外发光点，以定位所述红外教鞭在所述环幕上的指向位置并通过捕捉所述环幕显示的画面，使得所述红外教鞭对所述位置对应的画面上进行操作。

优选的，所述红外教鞭包括手柄且所述手柄上设置滑轮和鼠标键；所述红外教鞭长度大于等于0.5米；所述红外教鞭包括2个红外发光装置，且所述2个红外发光装置之间的直线距离小于等于0.3米；所述红外教鞭用于通过所述滑轮和所述鼠标键，对所述环幕上显示的事故情景画面进行暂停和回放以及对所捕捉的画面中的物体进行点击或者拖动。

优选的，所述指挥平台模块包括显示屏、麦克风、监听音箱和操控单元；所述显示屏用于分时或分区显示所述事故情景和所述事故救援场景；所述麦克风用于所述指挥人员对所述演练人员发出指令；所述监听音箱用于监听所述事故救援场景的声音情况及用于所述演练人员向所述指挥人员的语音报告情况；所述操控单元用于对所述事故情景及所述救援演练活动的过程进行操作控制。

优选的，所述操控单元包括：控制子单元，用于所述指挥人员控制所述救援演练活动的进程和状态以及调整所述事故情景设置；存储子单元，用于存储所述救援演练活动的过程；回放子单元，用于将所述存储模块中的事故救援演练活动的过程进行调取和回放；评价子单元，用于所述指挥人员对所述救援演练活动的效果进行分析评估，并提出相应的改进措施。

通过上述技术方案，能够将现实的多种事故情景进行模拟再现，提高演练人员针应对不同事故情景的救援能力，同时能够实现指挥人员与演练人员的互动，提高指挥人员面对不同事故情景的决策指挥水平。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种矿山应急救援综合培训演练系统示意框图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种情景显示模块示意框图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种投影机组件布置示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种未经校正的图像像素阵列示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种校正前后的图像像素阵列对比示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种等边视角示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种等角视角示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种红外教鞭结构示意图；

图9是根据一示例性实施例示出的一种红外教鞭应用示意图；

图10是根据一示例性实施例示出的一种指挥平台模块示意框图；

图11是根据一示例性实施例示出的一种操控单元示意框图。

附图标记说明

1 环幕 2 投影机

3 红外教鞭 4 红外光学摄像头

5 手柄 6 滑轮

7 鼠标键 8 红外发光装置

9 红外发光装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种矿山应急救援综合培训演练系统示意框图。如图1所示，矿山应急救援综合培训演练系统100包括情景构建模块101，用于构建事故情景。情景显示模块102，用于显示所述事故情景以及演练人员采取相应救援演练活动的事故救援场景。智能教鞭模块103，用于所述演练人员与所述事故情景交互，完成相应救援演练活动。指挥平台模块104，用于远程同步显示所述事故情景和所述事故救援场景，以及用于指挥人员与所述演练人员互动，以指挥和控制所述救援演练活动。该演练系统可以将现实的事故情景进行模拟展示，演练人员可以根据不同的事故情景进行救援演练，提高应对不同事故情景的救援能力，同时指挥人员可以根据相应的事故情景做出正确救援决策，指挥演练人员开展救援行动，进而提高复杂事故状况下的应急决策指挥水平。

下面针对上述救援演练系统的各个模块功能进一步详细说明。

本公开实施例中，情景构建模块用于根据矿山事故的发生特点，构建事故情景，有效将现实中的矿山事故进行模拟展示。首先，建立3D模型，该3D模型基于矿山事故要素进行构建。针对矿山事故特点，选择相应3D模型，该3D模型包括例如矿井巷道、开采工作面、设备设施以及遇险人员等。其次，根据演练脚本，利用3D模型构建事故情景。本公开实施例中的演练脚本是对矿山事故发生过程和状态的具体描述。根据演练脚本文字化描述，采用3D模型构建事故情景。例如，在矿井巷道及采煤工作面内，构建爆炸、火灾等不同事故类型，发生事故时设备设施及遇险人员在矿井中的分布，基于不同事故等级规定，模拟造成设备设施破坏损失程度及遇难人数情景。根据演练脚本，可以利用3D模型构建多种不同的事故情景。需要说明的是，情景构建模块可以理解为一种模拟软件，其可以安装于终端，例如计算机，平台或者手机上，通过通讯网络与其他各个模块进行有效通讯连接，传输相应事故情景的画面。

通过上述情景构建模块，可以将真实事故情景进行模拟再现，尤其是无法在现实现场展示的事故情景，例如井下瓦斯爆炸、透水等事故类型，还可以针对预期可能发生的各种事故情景进行模拟展示，使得演练人员可以针对多种事故情景进行救援演练。

本公开实施例中，图2是根据一示例性实施例示出的一种情景显示模块示意框图。如图2所示，情景显示模块102包括显示控制主机1021、几何校正器1022、投影机组件1023、环幕1024。显示控制主机1021将构建的事故情景的画面通过几何校正处理器1022进行处理后，利用投影机组件1023将处理后的事故情景的画面投射到环幕1024上。其中，本公开示例的环幕可以是各种弧度的环幕，例如，可以是120度环幕、180度环幕或者是360度环幕。根据不同弧度环幕配置相应投影机组件，将事故情景投射到环幕上。可以看出，情景显示模块将构建的事故情景画面进行处理并采用环幕进行显示，使得演练人员如同身临事故现场，更为真实地体验事故现场状况。

举例说明，本公开实施例是为了能够真实模拟再现矿井事故情景，环幕的高度可以设置为与实际矿井巷道的高度一致，投影机组件可以包括多个投影机，分别对环幕的不同区域投射画面。例如，如图3所示，环幕1高度可以设置为3.5米，环幕1直径可以设置为12米。投影机组件可以包括6个均匀分布的投影机2，该6个均匀分布的投影机2将事故情景画面投射到环幕1上，经过技术处理，防止不同投影机在环幕上投射的画面重叠或出现缝隙，以实现在环幕1上可以完整显示整个事故情景画面。

一种实施方式中，几何校正器用于对事故情景画面进行处理，包括：基于事故情景，得到所述事故情景图像像素阵列图。根据算法公式计算，将图像像素阵列图转换成适配于所述环幕的图像像素阵列图，以得到校正处理后的事故情景画面。图4是根据一示例性实施例示出的一种未经校正的图像像素阵列示意图，如图4所示，像素阵列图中多个图像像素点成等距阵列排布，以该种像素阵列图形成的画面投射到环幕上时，演练人员在场地中心向环幕上方或下方观看画面时感到压缩变形，使得演练人员在长时间观看环幕下产生眩晕感。因此，需要将该图像像素阵列图进行技术处理，对事故情景画面进行局部拉伸处理，转换成适于演练人员观看的环幕图像像素阵列图。本公开实施例采用等距转等角原理对图像像素阵列图进行技术处理，根据演练人员与环幕的位置距离，采用算法公式进行计算，经几何处理器，得到处理后的像素阵列图。图5是根据一示例性实施例示出的校正前后的图像像素阵列对比示意图，如图5所示，处理后的图像像素阵列图的像素点较之处理之前像素点的距离发生变化，对于演练人员的视角来说校正为等角分布，从而解决了演练人员长时间观看环幕产生晕眩感的问题。

上述通过对事故情景画面进行处理，基于演练人员与环幕之间的位置距离，调整事故情景画面的图像像素点分布，从而避免演练人员在长时间观察环幕时出现眩晕感问题，有效改善了演练人员的视觉体验。

本公开实施例中，采用等距转等角原理的具体计算过程如下：

如图6所示，当图像投影到环幕上，在未经几何校正器处理前，相邻两行间图像像素点是等距的(图6中S₀)，当演练人员观看环幕时，针对环幕上的像素点的视角并不相同(如图6中的α₁、α_i-1)。如图6中所示：

环幕上两行间图像像素点夹角和距离采用如下公式计算得到：

环幕上任两行像素点的距离：

环幕上任两行像素点的夹角：

由上述公式可知，由于像素点均匀等距分布，造成演练人员对环幕的观看视角的角度不同，从人眼水平线向上或向下，视角角度逐渐减小，向环幕上方或下方观看画面时感到压缩变形，使得演练人员在长时间观看环幕时会产生眩晕感。为了解决该问题，就需要将图6中的角度校正为相同的角度，具体如下：

如图7所示，通过几核处理器，将演练人员视点投出的角度等分为相同角度(图7中α)，环幕上两行间图像像素点夹角和距离采用如下公式计算得到：

环幕上相邻两行间图像像素点的夹角：

环幕上相邻两行间图像像素点的距离：S_i＝L(tan(iα)-tan((i-1)α))；

其中，L为所述演练人员与所述环幕的水平距离，A为环幕上端点，B为环幕下端点。H为所述环幕高度，h为演练人员的身高高度，n为环幕上图像像素行数，X₀为人眼水平线与所述环幕交叉行上的图像像素点，X_i-1、X_i为所述环幕上相邻两行上的图像像素点，α为相邻两行间图像像素点之间的夹角，S_i为相邻两行间图像像素点的距离，i为像素行数序号。

可以看出，通过上述角度计算，原等距图像像素阵列中，相邻两行间像素点之间的距离发生变化，局部像素点拉伸，从而满足演练人员面向环幕时所观看到环幕任意画面中的像素点的角度是相等的。像素阵列图经过几何校正器处理，图像像素阵列由等距变换成等角，形成适配于环幕显示的图像像素阵列图。

本公开实施例中，如图8所示，智能教鞭模块包括红外教鞭3和红外光学摄像头4。红外教鞭3用于向环幕1发射红外光信号，在环幕1上形成红外发光点，使得演练人员可以手持红外教鞭3与环幕1上显示的事故情景画面进行互动，进行相应的救援演练活动。红外光学摄像头4用于捕捉红外发光点指向环幕上的情景画面，定位红外教鞭3在环幕上所指向的画面位置。例如，如图8所示，投影机2将火灾事故情景画面投射到环幕1上，演练人员需要利用红外教鞭3针对画面中的着火点进行操作。首先，演练人员利用红外教鞭3发射红外光信号到画面中所要操作的着火点位置。红外光学摄像头4同时捕捉到红外教鞭3发射到环幕上的红外发光点，以用来定位红外教鞭3所指向的位置，即画面中的着火点位置。最后，演练人员则通过红外教鞭3对着火点进行相应灭火救援操作，以完成所要求的事故救援任务。

一种实施方式中，图9是根据一示例性实施例示出的一种红外教鞭示意图。如图9所示，红外教鞭3包括手柄5且在所述手柄上设置滑轮6和鼠标键7。红外教鞭长度大于等于0.5米。红外教鞭手柄5上设置红外发光装置8和红外发光装置9，共同发光在环幕上确定指向位置，且所述2个红外发光装置之间的直线距离小于等于0.3米。当演练人员点击鼠标键，可对救援场面进行暂停和回放；当演练人员手指滚动滑轮，红外教鞭在环幕上的指向位置发生变化，当红外教鞭在环幕上点击相应物体时，可以对显示的物体进行拖动等。

由上述实施例可以看出，采用智能教鞭模块，实现演练人员和事故情景进行有效互动，完成并在环幕上显示出现场救援人员采取的救援行动；另外通过对事故情景的暂停、回放，可以实现对事故进行分析。通过演练人员对事故情景中的事故要素(物体)的拖动，可对事故未来发展情景预想，使得演练人员能够更为广泛的开展救援演练活动。

本公开实施例中，图10是根据一示例性实施例示出的一种指挥平台模块示意框图，如图10所示，指挥平台模块104包括显示屏1041、麦克风1042、监听音箱1043和操控单元1044；显示屏1041用于分时或分区显示所述事故情景和所述事故救援场景；麦克风1042用于所述指挥人员对所述演练人员发出指令；监听音箱1043用于监听所述事故救援场景的声音情况及所述演练人员向所述指挥人员的语音报告情况；操控单元1044用于对所述矿山事故情景及所述救援演练活动的过程进行操作控制。指挥平台模块用于同步显示救援行动场景，并用于指挥人员根据救援状况向演练人员发出相应的指令。具体的，指挥平台模块可以同步显示情景显示模块所显示的事故情景及现场演练人员的救援场面。针对各类矿山事故，指挥人员根据事故救援演练进程，可以实时向演练人员发出行动指令。指挥人员还可以实时对演练效果进行判断，提出更为有效的救援方案，有效提高临场指挥水平和协同救援的能力。另外，通过指挥平台模块，指挥人员可以实时观察演练人员的救援行动，并与演练人员进行互动，通过观察，及时纠正错误行为，提高整体演练效果。

一种实施方式中，如图11所示，操控单元1044包括：控制子单元10441，用于所述指挥人员控制所述救援演练活动的进程和状态以及调整所述救援演练活动的事故情景设置；存储子单元10442，用于存储所述救援演练的过程；回放子单元10443，用于将所述存储模块中的救援演练活动的过程进行调取和回放；评价子单元10444，用于所述指挥人员对所述救援演练活动的效果进行分析评估，并提出相应的改进措施。通过上述模块，可以对演练过程进行调整和控制，同时还可以对演练人员的救援行动过程进行存储和分析，针对发现的问题，提出改进和完善措施，纠正演练人员的救援行为，进一步提高演练人员的救援水平。

综上所述，矿山应急救援综合培训演练系统通过情景构建模块能够构建多种类型矿山事故情景，并通过情景显示模块将现实事故情景真实模拟再现，通过智能教鞭模块能够实现演练人员与虚拟事故情景间的交互，通过指挥平台模块能够实现现场救援人员与场外指挥人员间的互动，协同救援，满足了应急救援培训演练的实际需要，有利于提高演练人员的救援行动能力及指挥人员的决策指挥水平。优选的，对投影曲面进行校正，防止演练人员产生眩晕感。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种矿山应急救援综合培训演练系统，其特征在于，所述演练系统包括：

情景构建模块，用于构建事故情景；

情景显示模块，用于显示所述事故情景以及演练人员采取相应救援演练活动的事故救援场景；

智能教鞭模块，用于所述演练人员与所述事故情景交互，完成相应救援演练活动；

指挥平台模块，用于远程同步显示所述事故情景和所述事故救援场景，以及用于指挥人员与所述演练人员互动，指挥和控制所述救援演练活动。

2.根据权利要求1所述的演练系统，其特征在于，所述情景构建模块用于采用如下方式构建所述事故情景：

根据矿山事故要素构建3D模型，其中，所述矿山事故要素包括矿井巷道、开采工作面、设备设施及遇险人员；

根据演练脚本利用所述3D模型构建所述事故情景。

3.根据权利要求1所述的演练系统，其特征在于，所述情景显示模块包括显示控制主机、几何校正处理器、投影机组件、环幕；

所述显示控制主机将所述事故情景的画面通过所述几何校正处理器进行处理后，利用所述投影机组件将处理后的事故情景的画面投射到所述环幕上；

所述环幕包括120度环幕、180度环幕、360度环幕。

4.根据权利要求3所述的演练系统，其特征在于，所述几何校正处理器用于采用如下方式对所述事故情景的画面进行处理，包括：

基于所述事故情景，得到所述事故情景画面的图像像素阵列图；

基于算法公式计算，将所述图像像素阵列图转换成适配于所述环幕的图像像素阵列图，以得到校正处理后的事故情景画面。

5.根据权利要求4所述的演练系统，其特征在于，所述算法公式包括：

S_i＝L(tan(iα)-tan((i-1)α))；

其中，L为所述演练人员与所述环幕的水平距离，H为所述环幕的高度，h为所述演练人员的身高高度，n为所述环幕的图像像素行数，α为所述两行间图像像素点间的夹角，S_i为任意连续两行间图像像素点的距离，i为像素行数序号。

6.根据权利要求1所述的演练系统，其特征在于，所述智能教鞭模块包括红外教鞭和红外光学摄像头；

所述红外教鞭用于在所述环幕显示的事故情景画面上投射红外光信号；

所述红外光学摄像头用于根据所述红外光信号在所述环幕上显示的红外发光点，以定位所述红外教鞭在所述环幕上的指向位置并通过捕捉所述环幕显示的事故情景画面，使得所述红外教鞭在所述位置对应的画面上进行操作。

7.根据权利要求6所述的演练系统，其特征在于，所述红外教鞭包括手柄且在所述手柄上设置滑轮和鼠标键；

所述红外教鞭长度大于等于0.5米；

所述红外教鞭包括2个红外发光装置，且所述2个红外发光装置之间的直线距离小于等于0.3米；

所述红外教鞭用于通过所述滑轮和所述鼠标键，对所述环幕上显示的事故情景画面进行暂停和回放，以及对所捕捉的画面中的物体进行点击或者拖动。

8.根据权利要求1所述的演练系统，其特征在于，所述指挥平台模块包括显示屏、麦克风、监听音箱和操控单元；

所述显示屏用于分时或分区显示所述事故情景和所述事故救援场景；

所述麦克风用于所述指挥人员对所述演练人员发出指令；

所述监听音箱用于监听所述事故救援场景的声音情况以及用于所述演练人员向所述指挥人员的语音报告情况；

所述操控单元用于对所述事故情景及所述救援演练活动的过程进行操作控制。

9.根据权利要求8所述的演练系统，其特征在于，所述操控单元包括：

控制子单元，用于所述指挥人员控制所述救援演练活动的进程和状态以及调整所述事故情景设置；

存储子单元，用于存储所述救援演练活动的过程；

回放子单元，用于将所述存储模块中的救援演练活动的过程进行调取和回放；

评价子单元，用于所述指挥人员对所述救援演练活动的效果进行分析评估，并提出相应的改进措施。

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