0 引言
煤矿应急演练包括应急逃生演练和应急救援演练2个部分，目的是在煤矿发生灾害时提高井下人员的逃生自救能力、救援人员的抢险救灾能力。组织煤矿生产人员和救援人员在真实的环境中定期开展现场应急演练，是一种传统有效的防患方式，但受煤矿复杂的自然环境因素限制，投入成本高，存在安全隐患，影响正常的煤矿生产活动。
相对于传统的现场应急演练，应用煤矿应急演练系统使煤矿生产人员和救援人员在虚拟场景中进行应急演练，降低了成本，增加了演练实训机会，打破了空间的限制[1]。由于煤矿生产环境复杂，在现实应急逃生和应急救援中需要多部门多人员协同参与才能达到预期效果，但现有煤矿应急演练系统缺乏多人协同方面的内容[2-4]。本文设计了一种煤矿多人协同应急演练系统，通过模拟再现真实的矿井环境、灾害事故场景，组织多部门多人员进行协同演练，可有效提高人员应对灾害的处置能力和协同配合能力。
1 系统需求
多人协同应急演练涉及多部门多人员在同一空间和时间维度下进行活动，静态的三维场景及动态的各种变化需要在不同参演人员之间同步[5]。煤矿多人协同应急演练系统需满足以下需求。
(1) 参演人员状态同步。参演人员通过系统能够看到三维场景及其他参演人员，并且能够实时看到其他参演人员的位置和动作变化。
(2) 场景状态及事件同步。灾害发生后，需要在不同的参演人员之间实时同步灾害相关信息。
(3) 参演人员身体状态感知。参演人员身体状态包括健康状态和体能状态：健康状态表示身体的健康程度，包括肢体是否受到伤害，周边有害气体是否对身体构成伤害；体能状态表示参演人员的行动能力，参演人员在行动过程中会消耗体能，体能消耗完毕后需要恢复体能才能继续行动[6]。各参演人员的身体状态需要在不同参演人员之间实时同步[7]。
(4) 参演人员之间通信联络。通信联络使各参演人员之间能够有效沟通，有利于参演人员之间的协同活动。通信联络包括面对面对话和通过电话语音2种形式[8]。
(5) 编队行动。应急演练过程中有集体行动的情况，井下巷道空间狭小，多人员在有限空间内活动需要统一组织。一般按照编队的方式行动，且行动过程中队员能随时撤出编队，充分发挥队员的自主性。
(6) 多人协同配合。应急演练过程中有些活动需要多人协同完成，例如两人一起推车，多人一起灭火，多人一起构筑密闭墙，多人一起针对伤员进行救援等，参演人员之间需要调配好动作和活动周期，才能顺利完成这些活动。
(7) 参演人员虚拟。演练过程涉及众多井上井下人员，针对非关键岗位人员演练，需要利用虚拟的参演人员配合演练，虚拟的参演人员需要具备感知灾害、沟通和基本行动等能力。
(8) 演练回放。演练过程能在演练完成后进行回放，为应急演练效果评估提供依据。
2 系统设计
煤矿多人协同应急演练系统分为表示层、服务层、存储层3层架构，如图1所示。
图1 煤矿多人协同应急演练系统架构
Fig.1 Architecture of multi-person cooperative emergency exercise system in coal mine
2.1 表示层
表示层利用Unity3D的三维场景渲染、粒子系统、动画、声音等模块实现三维场景渲染，水、火、瓦斯等灾害特效，人物动画，语音通信[9-11]。表示层通过JSON消息与服务层通信。
2.2 服务层
服务层提供登录、演练方案和演练管理、参演人员状态同步、参演人员身体状态感知、参演人员虚拟、实时语音通信、环境模拟、日志服务等内容。
(1) 登录。通过Netty框架接收登录请求，进一步通过Spring MVC框架查询用户的有效性[12]。
(2) 演练方案和演练管理。演练方案包括三维场景、演练角色、演练事件、被救人员、环境因素等信息，数据结构如图2所示。
图2 演练方案数据结构
Fig.2 Data structure of exercise scheme
演练是在演练方案的基础上构建的，利用Netty框架创建TCP网络服务，通过Spring MVC的Web框架实现对演练方案和演练的管理。
(3) 参演人员状态同步。演练过程中参演人员的演练操作通过指令形式传递给演练服务器，演练服务器将收到的指令在所有参演人员之间进行网络广播，实现参演人员之间的状态同步。基于Jetserver框架实现演练服务器的网络通信广播，该框架底层基于Netty实现高速网络传输[12-13]。
开始演练之前，由演练服务器向参演人员发送所有参演人员的基本信息[14-15]，见表1。
表1 参演人员基本信息
Table 1 Basic information of participant
各参演人员状态发生变化后，主动向演练服务器发送状态变化信息(表2)，并由演练服务器在不同参演人员之间广播。
表2 参演人员状态变化信息
Table 2 Status changing information of participants
(4) 参演人员身体状态感知。演练服务器通过参演人员所处空间位置、区域氧气浓度及有害气体范围，实时计算各参演人员的身体状态。
(5) 参演人员虚拟。gdx-ai是一个高性能逻辑判断框架，提供基础的人工智能支持，目前支持的特征包括感知、决策、行动等。以gdx-ai框架内的行为树实现参演人员虚拟功能。每个虚拟的参演人员对应1个行为树，行为树中根据参演人员的状态和行动，组织成不同的判断逻辑节点。通过行为树周期性地判断当前用户体能消耗、周围环境对人体健康的影响、外界传递的操作指令等，从而使虚拟的参演人员具备独立行动的能力。
(6) 实时语音通信。基于NAudio实现语音数据的编码和解码。通过电话协议，由主叫方通知被叫方开通语音通信网络连接，建立语音通信通道来实现双方语音通信功能。
(7) 环境模拟。通过Web服务、数据集成等接口形式，接入外部的煤矿通风网络系统、供电系统、排水系统、主运系统等，模拟真实的井下现场环境。
(8) 日志服务。通过日志信息按照时间顺序记录完整的演练过程，包括演练过程中发生的所有事件信息、参演人员的状态变化等动态内容。日志对应的时间用时间片来表示，利用Jetserver框架中的Task机制启动计时器，记录时间片索引。通过Log4J框架保存日志信息。
2.3 存储层
存储层包括关系型数据库和三维场景文件2个部分，提供数据存储服务。关系型数据库采用PostgreSQL数据库，三维场景数据采用文件形式，通过Web服务器发布到URL地址以供下载。
3 结语
从多人协同的角度出发，分析了多人协同在煤矿应急演练中的应用需求，设计了煤矿多人协同应急演练系统。测试结果表明，该系统可满足煤矿近百人同时在线协同应急演练，为参演人员提供了可重复、安全、高效的应急演练模拟训练平台，有效提高了参演人员的应急处置能力。
参考文献( References) :
[1] 张小兵,张然,解玉宾.我国应急演练管理研究新进展[J].中国安全生产科学技术,2016,12(10):68-73.
ZHANG Xiaobing,ZHANG Ran,XIE Yubin.New research progress of emergency exercise management in China[J].Journal of Safety Science and Technology,2016,12(10):68-73.
[2] 张伟杰,肖开泰.煤矿应急管理集成信息系统设计[J].中国安全生产科学技术,2014,10(1):87-91.
ZHANG Weijie,XIAO Kaitai.Design of management information system for coal mine emergency[J].Journal of Safety Science and Technology,2014,10(1):87-91.
[3] 王涛,罗陆锋,李英杰.基于虚拟现实的全息数字化煤矿安全监控及应急调度系统[J].煤炭技术,2014,33(12):288-290.
WANG Tao,LUO Lufeng,LI Yingjie.Safety monitoring and emergency operation system for digitalized colliery based on virtual reality technology[J].Coal Technology,2014,33(12):288-290.
[4] 汪金花,张亚静,李玉萍.三维GIS井下应急演练与救援机理的建模与研究[J].矿业安全与环保,2012,39(5):43-45.
[5] 李群,代德军.突发事件应急演练评估方法、技术及系统研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(7):49-54.
LI Qun,DAI Dejun.Research on assessment method, technology and system of emergency exercise[J].Journal of Safety Science and Technology,2016,12(7):49-54.
[6] 马叶钦,王红卫,祁超.基于计算机仿真的桌面演练研究[J].管理评论,2016,28(8):186-192.
MA Yeqin,WANG Hongwei,QI Chao.Research on tabletop exercise based on the computer simulation[J].Management Review,2016,28(8):186-192.
[7] 武桐,王晓雨.Unity3D中碰撞检测问题的研究[J].电子测试,2018(1):83-84.
WU Tong,WANG Xiaoyu.Research on collision detection in Unity3D[J].Electronic Test,2018(1):83-84.
[8] 杨壹斌,李敏,解鸿文.基于Unity3D的桌面式虚拟维修训练系统[J].计算机应用,2016,36(增刊2):125-128.
YANG Yibin,LI Min,XIE Hongwen.Desktop virtual maintenance training system based on Unity3D[J].Journal of Computer Applications,2016,36(S2):125-128.
[9] 梁瑞余,徐帅,沈庆阳,等.基于Unity3D的采矿方法动态仿真系统研发[J].金属矿山,2018(2):141-145.
LIANG Ruiyu,XU Shuai,SHEN Qingyang,et al.Research and development of dynamic simulation system for mining method based on Unity3D[J].Metal Mine,2018(2):141-145.
ZHANG Xin.Design of remote monitoring terminal in coal mine underground[J].Industry and Mine Automation，2018,44(12)：97-101.
[10] 贾旭清,田文德,杨越.基于Unity3D的化工事故演化场景研究[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2017,38(增刊1):81-83.
JIA Xuqing,TIAN Wende,YANG Yue.Chemical accident evolutionary scenario study based on Unity3D[J].Journal of Qingdao University of Science and Technology(Natural Science Edition),2017,38(S1):81-83.
[11] 李文赫,陆剑峰,刘艳娇.基于Unity3D的三维远程监视系统中的通信方法研究和实现[J].制造业自动化,2015,37(24):108-109.
LI Wenhe,LU Jianfeng,LIU Yanjiao.Research and realization of remote three-dimensional monitoring system based on Unity3D[J].Manufacturing Automation,2015,37(24):108-109.
[12] 滕阳阳,胡栋.基于Netty的HTTP协议栈的扩展设计与实现[J].无线通信技术,2017,26(3):38-42.
TENG Yangyang,HU Dong.Extended design and implementation of HTTP stack based on Netty[J].Wireless Communication Technology,2017,26(3):38-42.
[13] 韩星,刘姣,周淑君.基于Netty的RPC通信系统的编解码技术研究[J].电脑知识与技术,2017,13(26):104-105.
HAN Xing,LIU Jiao,ZHOU Shujun.Research on codec technology of RPC communication system based on Netty[J].Computer Knowledge and Technology,2017,13(26):104-105.
[14] 张宇,王映辉,张翔南.基于Spring的MVC框架设计与实现[J].计算机工程,2010,36(4):59-62.
ZHANG Yu,WANG Yinghui,ZHANG Xiangnan.Design and implementation of MVC framework based on Spring[J].Computer Engineering,2010,36(4):59-62.
[15] 刘雄,李海洋,蒋旭刚.基于3D虚拟仿真技术的矿山救援医疗急救培训系统设计与实现[J].矿业安全与环保,2018,45(1):47-51.
LIU Xiong,LI Haiyang,JIANG Xugang.Design and implementation of mine rescue medical emergency training system based on 3D virtual simulation[J].Mining Safety & Environmental Protection,2018,45(1):47-51.