煤矿事故动画与信息查询系统设计与实现.pdf

第 5 期 收稿日期 2020-02-19 基金项目 煤矿安全开采国家级虚拟仿真实验教学示范中心 （山东科技大学） 开放基金项目 （20190204） ； 教育部人文社会科学研究项 目 （16YJCZH012， 18YJAZH017） ； 山东省自然科学基金项目 （ZR2017MF027， ZR2017BF015） 作者简介 李昂 （1989-） ， 男， 山东科技大学计算机科学与工程学院硕士研究生， 研究方向为灾害应急联动处置； 刁秀丽 （1978-） ， 女， 硕 士， 山东科技大学计算机科学与工程学院副教授， 研究方向为数据挖掘、 个性化推荐、 智慧教育。本文通讯作者 刁秀丽。 第 19卷 第 5期 2020年 5月 软 件 导 刊 Software Guide Vol. 19 No. 5 May. 2020 0引言 近年来， 国内外煤矿安全生产状况呈现出总体平稳、 趋于好转的态势， 但事故总量仍然很大， 重、 特大事故时有 发生， 煤矿安全形势依然十分严峻。针对煤矿安全问题， 中国政府提出了 “国家监察、 地方监管、 企业负责” 的安全 监管体系。煤矿安全是国内外学者重视和关心的热点问 题， 他们从自身不同学科研究方向出发， 从不同侧面切入， 对目前煤矿安全问题进行了理论研究， 包括煤矿企业工伤 保险体系建设、 煤矿企业安全生产监管、 煤矿行业从业者 安全意识等。其中对煤矿行业从业者安全意识的研究是 焦点， 如何有效开展煤矿企业职工、 经营者健康和安全知 识培训， 对所有矿工进行岗前培训等是学者、 企业、 政府部 门关注的内容。 通过对煤矿安全教育情况实地调研及相关文献研究 可知， 目前应用较广泛的安全培训方式大多是安排相关人 员对煤矿安全规程等进行统一理论学习， 用文字介绍矿井 事故经过、 原因分析、 处理结果及防范措施等内容 ［1］。纯文 本的学习内容枯燥乏味、 抽象难懂、 不易掌握， 大多数矿业 工作人员对安全规程学习没有主动性。为了使相关人员对 灾难发生过程建立形象的认识， 亟待一种新的培训方式。 煤矿事故动画与信息查询系统设计与实现 李昂， 刁秀丽， 程成 （山东科技大学 计算机科学与工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 从能源安全教育需求出发， 针对当前煤矿事故安全教育培训存在的问题， 如培训内容呈现方式单一、 培 训效果不理想等， 利用多媒体交互动画制作技术实现煤矿事故动画与信息查询系统。其中煤矿动画演示模块 可生动形象地为用户全面演示煤矿事故现场， 展示事故流程图和受害者位置图等详细情况； 煤矿信息查询模块 可实现用户对历年历次煤矿事故信息的多模式查询。该系统煤矿事故信息丰富、 内容呈现立体化且操作简单 便捷， 可在多平台稳定运行， 在能源安全教育中具有较高的可推广性和借鉴性。 关键词 数字矿山； 煤矿事故； 动画； 信息查询； 安全教育 DOI 10. 11907/rjdk. 201143开 放 科 学（资 源 服 务）标 识 码（OSID） 中图分类号 TP319文献标识码 A文章编号 1672-7800 （2020） 005-0141-05 The Design and Implementation of Animation and Ination Query System for Coal Mine Accidents LI Ang， DIAO Xiu-li， CHENG Cheng （College of Computer Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590， China） AbstractStarting from the demand of energy safety education，aiming at the problems existing in the current coal mine accident safe⁃ ty education and training，such as the single presentation of training content and the unsatisfactory training effect，the coal mine acci⁃ dent animation and ination query system is realized by using multimedia interactive animation production technology，in which the coal mine animation demonstration module can vividly demonstrate the scene of coal mine accident for users. The coal mine ination query module can realize the multi-mode query of the ination of the past coal mine accidents. The system is a safety education plat⁃ with rich ination，three-dimensional content，simple and convenient operation，and stable operation in multiple plats. It has high popularization and reference in energy safety education. Key Wordsdigital mine；coal mine accident；animation；ination query；safety education 软 件 导 刊2020 年 文献 ［2-3］ 将煤矿安全规程、 历史煤矿安全事故等制 作成动画， 用动画诠释、 演绎煤矿安全规程及煤矿安全事 故， 视角独特、 手法新颖， 将科学、 严谨的理论知识变得直 观、 生动形象、 通俗易懂， 激起了企业职工、 管理者及矿工 学习兴趣， 取得了很好的宣传、 教育效果， 使矿工进一步明 白安全生产重要性， 更加重视一些细小错误从而减少违规 操作情况， 在一定程度上降低了煤矿安全事故发生频率。 但研究缺乏对煤矿事故信息的系统梳理， 只提供了部分煤 矿事故动画； 文献 ［5-8］重点研究了不同煤矿事故发生的 原因和控制技术， 为后续研究提供了可参考的资料； 文献 ［9-10］ 研究了煤矿安全管理信息系统设计与实现， 主要侧 重与煤矿安全生产相关的信息收集、 加工处理、 统计、 分析 等操作， 以便用户及时发现问题并进行整改， 该系统不是 直接针对用户的煤矿安全教育平台， 因此不方便直接用于 煤矿安全教育。 针对目前煤矿安全教育研究中存在的问题， 本文煤矿 事故动画与信息查询系统充分利用多媒体网络技术， 采用 融图片、 文字、 动画及声音为一体的多媒体方式， 全面演示 8 种煤矿事故现场、 事故流程图和受害者位置图等各类详 细情况， 并在动画的衬托下， 达到图文一体、 声情并茂、 形 象直观的效果， 给用户以强大的视觉和听觉冲击， 从而留 下深刻印象。该系统信息查询功能可帮助用户查询历年 历次煤矿事故信息， 并提供多种查询条件供用户选择， 使 用户快速定位到待查看煤矿事故息 （发生地点、 事故原因、 事故性质、 伤亡人数等） ， 不断提高广大煤矿职工安全意识 与能力， 延长煤矿安全周期， 为建设安全文明、 高效节能的 现代煤矿企业提供安全教育培训。 1煤矿事故动画与信息查询系统架构设计 1.1总体架构 煤矿事故动画与信息查询系统由煤矿事故信息查询 模块、 煤矿事故动画演示模块、 系统管理模块和网络传输 模块 4 部分组成。其中， 煤矿事故信息查询模块信息查询 与显示功能是系统核心功能， 其作用是帮助用户 （矿区工 作人员、 管理员、 学习者） 通过某种搜索模式找到待查询的 煤矿事故信息； 煤矿事故动画演示模块可直观显示煤矿事 故产生的原因， 其主要利用动画交互功能加强用户对煤矿 事故发生时某一因素的记忆与重视； 系统管理模块作为系 统管理端， 管理系统煤矿事故数据审核、 修改与维护， 以及 不同用户权限管理； 网络传输模块为系统在不同平台显示 提供技术支持， 该系统在联网情况下可请求服务器数据， 不联网情况下可离线浏览系统中已有的经典煤矿事故信 息与相关交互演示动画。煤矿事故动画与信息查询系统 总体架构如图 1 所示。 1.2动画脚本设计 脚本是动画制作的剧本， 描述动画中人物、 地点、 摄影 角度、 画面时间及人物动作等。由于煤矿事故动画演示是 该系统主要功能之一， 为此本文在文献分析及对部分煤矿 实地调研的基础上， 对煤矿事故进行整理和分类。该项工 作主要分两部分 对全国各矿区历年煤矿事故信息进行整 理、 对煤矿安全事故进行分类。在此基础上， 设计系统煤 矿事故动画脚本主要包括顶板、 瓦斯、 机电、 运输、 放炮、 火 灾、 水害和其它 8 类事故现场图脚本， 分为事故现场展示 图、 流程图、 受害者位置图等 3 类现场图脚本。 图 1煤矿事故动画与信息查询系统的总体架构 2煤矿事故动画与信息查询系统功能设计 该部分围绕系统煤矿事故信息查询模块与煤矿事故 动画演示模块两大主要功能模块进行设计， 先阐述系统功 能设计方案， 再针对功能模块细节进行设计。 2.1设计方案 该煤矿事故动画与信息查询系统开发目的是帮助用 户对历年历次煤矿事故相关信息进行查询， 并以多种媒体 形式显示信息， 其核心功能单一但扩展功能较多。因此， 本文利用核心路径方法设计系统功能。 该设计方法以目标为导向， 不从系统整体功能开始设 计， 而从核心内容入手， 由内而外进行系统总体架构设 计。其中， 核心内容为煤矿事故信息查询与显示， 动画部 分则为煤矿事故原因的直观显示。 核心路径设计方法包含 3 个关键要素 核心内容、 向内路径和向外路径。核心内容是吸引用户使用该系统 的原因， 该系统吸引矿区工作人员的要素是煤矿事故信息 查询功能， 具体指从多角度展示相关信息， 所以核心内容 也可能带有辅助信息。如交互动画可作为核心内容的扩 展， 对煤矿事故的描述及再现均属于核心内容。 设计前期需思考用户 （矿区工作人员、 管理员、 学习 者） 如何才能找到核心内容 （煤矿事故信息） 。 用户可通过 某种搜索模式找到核心内容， 也可能直接搜寻待查询的煤 矿事故信息。因此设计系统时考虑了进入路径和显示优 化两个因素。系统为查询后的显示设置两种方式， 其中列 142 第 5 期 表模式可清晰显示某种条件下的煤矿事故数量， 地图模式 则可使用户对不同煤矿事故的分布产生直观认识。 用假设的方式探索向外路径。基于煤矿事故查询特 殊性， 使用该系统的用户在获取煤矿事故信息后的行为非 常统一， 均对煤矿事故进行记录或学习。为此， 出于加强 记忆的目的， 系统增加动画交互功能， 可通过交互加强用 户对煤矿事故中某因素的记忆与重视。 3 个关键要素均各有不同功能。向外路径的引导作用 巨大， 它作为信息查询和学习系统， 目的是加深用户记忆 等； 向内路径保证可寻性， 即如何让用户在系统中找到所 需的煤矿事故资料。而从影响的角度看， 向外路径是为本 文系统带来更高知名度和使用量的关键。 2.2功能模块设计 基于上述设计方案， 将煤矿事故动画作为系统核心内 容， 主要通过 Flash 软件内置的动画技术、 Actionscript3.0 程序体系进行制作， 将系统以 SWF 文件的形式呈现出来， 模拟历年历次煤矿事故现场画面。煤矿事故信息查询功 能采用分类的形式， 通过详细列出多种查询条件供用户选 择， 使用户可快速决定查看煤矿事故信息 （发生地点、 事故 原因、 事故性质、 伤亡人数等） 。信息查询系统管理员可通 过服务器管理软件管理煤矿事故信息与演示动画。同样， 管理员也可对煤矿事故相关信息及演示动画进行添加、 修 改与删除。 2.2.1煤矿事故动画模块功能设计 煤矿事故动画能够充分利用多媒体网络技术， 采用融 图片、 文字、 动画及声音为一体的多种方式， 全面演示事故 现场、 事故流程和受害者位置等各类事故主要情况， 并在 动画衬托下， 达到图文一体、 声情并茂、 形象直观的效果， 给观者以强大的视觉和听觉冲击， 从而留下深刻印象。该 模块分为演示动画和交互动画两个部分， 其中演示动画部 分按照煤矿事故伤亡性质可分成顶板、 瓦斯、 机电、 运输、 放炮、 火灾、 水害和其它 8 类事故， 如图 2 所示。为使用户 了解和体验煤矿事故发生的真实原因和环境， 利用交互动 画让其自主操作动画演示， 如实时计算瓦斯浓度及限制瓦 斯浓度显示范围、 制作鼠标所处位置瓦斯浓度模块和限制 瓦斯浓度显示范围模块。 图 2煤矿事故动画类型 煤矿事故动画模块设计思路如图 3 所示， 包括收集、 整理煤矿事故资料， 确定案例、 制作动画脚本、 创建角色及 动作、 绘制场景， 设计镜头、 制作动画、 配音与合成、 打包生 成可执行文件或影片文件等步骤。具体流程为 首先对煤 矿事故进行分类整理， 针对各类不同事故制作不同动画。 先制作动画事故现场图， 包括事故现场展示图、 流程图、 受 害者位置图等， 利用动画全面展示图签、 动画图例、 事故现 场示意图和受害者位置图； 根据煤矿事故类别分别按照死 亡、 重伤、 非人身事故 3 种情况进行视频演示。流程图根 据不同矿井事故类别进行选取设计， 各类事故应有事故地 点局部系统图、 事故全程回放、 事故原因分析和安全提示 等； 在受害者位置图中标明受害者位置和相对尺寸， 图文 说明受害者伤害方式、 受伤部位和受伤性质。利用动画软 件加入声音、 文字、 背景音乐等内容合成动画， 充分再现煤 矿事故发生时的情景。 图 3煤矿事故动画模块设计思路 2.2.2煤矿事故信息查询模块功能设计 为实现系统功能， 需对查询软件进行相应设计， 包括 界面设计与功能设计。界面整体设计直接影响功能实现 便捷性和可靠性， 影响用户对系统认可与评价。因此本文 系统查询模块在制作前需先经过效果图交互方式模 拟测试。 根据煤矿安全事故教学内容的设计安排， 煤矿事故信 息查询模块分为查询与浏览两个功能， 查询功能又分为时 间查询、 地点查询、 煤矿事故类型查询、 事件性质查询、 灾 害等级查询、 伤亡人数查询和有无动画演示查询。煤矿事 故信息查询功能结构如图 4 所示。根据煤矿事故信息显 示需要， 浏览功能分为地图浏览和列表浏览两种方式。 图 4煤矿事故信息查询功能结构 3煤矿事故动画与信息查询系统实现 系统功能设计进一步界定了系统功能模块。根据总 体设计及系统需求分析， 该部分阐述系统主要功能模块详 细实现过程。 3.1煤矿事故动画制作 该系统煤矿事故动画的作用主要是为煤矿工人提供 安全教育， 在煤矿事故发生时起到警示自身安全的作用， 李昂， 刁秀丽， 程成 煤矿事故动画与信息查询系统设计与实现 143 软 件 导 刊2020 年 因此需充分发挥动画多媒体特性， 从教育性、 知识性、 科学 性与艺术性等方面设计培训内容。其关键在于制作形象 逼真的动画事故现场图， 包括事故现场展示图、 流程图及 受害者位置图等， 该部分采用动画制作软件 Flash 为主要 制作工具， 同时以图形绘制软件 Illustrator 为辅助设计工 具， 利用二维动画的展示方式， 全面展示图签、 动画图例、 事故现场示意图和受害者位置图。按运输、 顶板及机电等 8 大类别分别制作事故现场动画， 并按照死亡、 重伤、 非人 身事故 3 种情况分别进行视频演示。 为突出动画教育性， 每个煤矿事故演示从事故简介、 事故过程演示、 事故原因分析及安全提示 4 个方面制作动 画内容， 如图 5 动画首界面所示。利用文字、 图形、 动画和 音频一体化界面， 模拟仿真事故发生过程， 通过动画呈现 逼真效果， 刺激学员多种感官， 形象化、 立体化和生动化地 呈现教学内容， 便于学员理解煤矿事故发生原因， 提升培 训学员自我安全保护意识， 使其在面临各种灾害时能果 断、 正确选择抢险逃生等处理步骤， 从而降低灾害危害程 度， 保障事故发生后生命财产安全。部分事故发生过程模 拟场景如图 6 所示。 图 5部分动画首界面 图 6部分事故发生过程模拟场景 该部分系统中的交互动画利用 ActionScript 3.0 开发技 术实现， 如瓦斯爆炸与煤尘爆炸动画 （见图 7） 中的瓦斯浓 度检测效果， 系统会实时检测鼠标所指位置瓦斯浓度， 得 出具体数值后显示在屏幕右下角。其作用原理为 在屏幕 上建立直角坐标系， 通过监听器函数， 检测鼠标运动， 当发 现鼠标进行运动时， 消息发送给响应函数， 函数检测鼠标 到固定某点的距离， 通过鼠标所处坐标按照距离方法计算 间距， 并根据得出的距离套用瓦斯浓度计算模型， 计算瓦 斯浓度并在屏幕上显示， 如图 8 所示。 图 7瓦斯爆炸与煤尘图 8瓦斯浓度检测界面 爆炸动画界面 3.2煤矿事故信息查询模块实现 该模块是系统核心功能， 是用户开展煤矿安全教育的 直接入口， 为此重点考虑信息查找快捷性、 信息展示直观 性和交互性、 功能实现的可靠性， 包括界面制作和查询功 能， 以实现两个阶段的工作。 在开发前首先使用 Photoshop 和 Flash 对系统界面交 互方式进行模拟测试。Photoshop 用于效果图制作， Flash 用于交互模拟， 可将效果图制作成交互动画， 通过伪软件 操作的方式真实模拟软件交互模式。在测试中， 将多个效 果图进行排列， 检测界面效果一致性和友好度， 同时可很 清楚地探明整个软件交互过程中可能发生的状况， 并提出 改进方案。大量交互测试研究后， 确定软件整体基本界面 如图 9 所示， 可通过信息查询界面进行查询， 由于涉及数 据显示， 因此浏览界面设计也非常重要， 本文系统将查询 与浏览界面整合为一体 （左面是查询界面， 右面是浏览界 面） 。 图 9煤矿事故信息查询整体界面 在查询功能实现阶段， 与交互动画一样选用 Action⁃ Script 3.0 开发技术， 制作过程中具体涉及类库引用、 事件 监听器声明、 ComboBox 组件响应、 查询事件响应函数、 重置 事件响应函数、 模式切换响应函数和网络通信预留接口等 关键技术环节。根据信息显示的需要， 实现地图方式和列 表方式两种信息浏览模式。无论是哪种浏览方式， 浏览界 面整体窗口均不发生变化， 只在浏览框中改变表现形式。 查询模块和浏览模块联动效果如图 10 所示。 图 10查询以及浏览整体联动界面 该系统采用图片、 动画及文字等多种媒体手段展示煤 矿事故信息， 不仅具有易于控制、 直观性强及信息量大等 优点， 同时也给用户带来了强烈的视觉冲击， 使系统特色 鲜明， 从而有利于激发用户学习兴趣， 提高学习效率。 144 第 5 期 4结语 本文根据当前能源安全教育需求， 首先通过文献调研 和实地考察总结出 8 类煤矿安全事故， 并针对安全事故死 亡、 重伤和非人身事故 3 种情况进行动画制作， 在制作过 程中对事故现场展示图、 流程图及受害者位置图进行详细 刻画。事故演示完毕后， 从安全技能操作规程等方面对事 故中违反规程的操作进行分析； 然后利用 ActionScript 开发 技术实现对历年历次煤矿事故信息的查询功能， 并提供多 种查询条件供用户选择， 使用户可快速查看矿难信息 （发 生地点、 事故原因、 事故性质、 伤亡人数等） ； 最后通过设置 网络通信相应函数， 为通信制作接口， 实现系统多平台运 行， 从而满足不同用户在多种场景下开展安全教育的个性 化需求。 该系统是一个煤矿事故信息丰富、 信息呈现立体化、 操作简单便捷及可在多平台稳定运行的安全教育平台， 在 能源安全教育方面具有较高的可推广性和借鉴性。当前， 安全教育信息系统是各矿区安全教育信息化的重要途径， 在该环境下， 该煤矿事故信息查询系统若与灾害预警等系 统整合， 将发挥更大作用。 同时该系统还存在一些问题， 如信息呈现不醒目， 系 统根据用户群整体审美与习惯挑选煤矿事故场景图片， 未 考虑图片与文字色彩搭配是否协调等， 有待后期改进。 参考文献 ［1］李超， 郭慧敏， 成连华. 煤矿企业安全培训存在的问题及对策分析 ［J］ . 煤矿安全， 2019 （6） 281-284. ［2］刘鸿雁. 煤矿安全技术与计算机三维动画技术结合 ［J］ . 煤炭技 术， 2013 （10） 73-73， 74. ［3］徐华龙. 矿山灾害仿真模拟与救援培训系统研究 ［J］ . 中国煤炭， 2017， 43 （11） 69-73， 96. ［4］刘姗依. 安家岭露天矿安全与技术规程多媒体培训系统研究 ［D］ . 阜新 辽宁工程技术大学， 2011. ［5］高平. 煤矿顶板事故不安全动作原因及控制方法研究 ［D］ . 徐州 中国矿业大学， 2016. ［6］公建祥. 煤矿掘进工作面事故预防的行为控制技术研究 ［D］ . 徐 州 中国矿业大学， 2016. ［7］张苏. 煤矿运输事故不安全动作原因研究 ［D］ . 徐州 中国矿业大 学， 2015. ［8］杨文旺. 预防煤矿瓦斯爆炸的爆破工行为训练方法研究 ［D］ . 徐 州 中国矿业大学， 2013. ［9］范永杰. 煤矿安全管理信息系统设计与实现 ［D］ . 成都 电子科技 大学， 2011. ［10］孟茜. 煤矿安全精细化管理信息系统研究 ［D］ . 邯郸 河北工程大 学， 2016. ［11］靳凯， 吴强， 李兴国， 等. 新媒体技术在煤矿安全培训中的优势分 析 ［J］ . 山西大同大学学报 （自然科学版） ， 2018， 34 （4） 77-81. ［12］王大虎， 李林强， 张彤， 等. 煤矿安全培训三维动画的研究与应用 ［J］ . 煤矿安全，2011 （11） 164-166. ［13］ 宋正国， 彭延军， 刁秀丽. 煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心的 建设与实践 ［J］ . 软件导刊， 2019 （12） 195-198. ［14］靳凯. 基于三维动画技术的煤矿安全培训优势分析 ［J］ . 价值工 程， 2018， 37 （21） 163-164. ［15］曹怀轩， 张红岩， 刘亚， 等. 煤矿安全培训三维动画的研究与应用 ［J］ . 信息技术与信息化， 2018 （5） 170-171. ［16］田佳佳. 对煤矿安全培训的几点思考 ［J］ . 煤矿现代化， 2017 （3） 115-117. ［17］刘鸿雁. 煤矿安全技术与计算机三维动画技术结合 ［J］ . 煤炭技 术， 2013， 32 （10） 73-74. ［18］王大虎， 李林强， 张彤， 等. 煤矿安全培训三维动画的研究与应用 ［J］ . 煤矿安全， 2011， 42 （11） 158-160. ［19］孟宪义， 张彤， 陈健杰. 基于 3D 动画技术的煤矿安全培训系统 ［J］ . 煤矿机电， 2011 （4） 113-114. ［20］衡连伟. 煤矿安全生产事故及管控策略研究 ［J］ . 现代商贸工业， 2019， 40 （34） 145-146. （责任编辑 江艳） 李昂， 刁秀丽， 程成 煤矿事故动画与信息查询系统设计与实现 145