虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的研究進(jìn)展

智麗娜　韓曉東

摘 要： 介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合使用的發(fā)展趨勢(shì)。將模擬仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于安全培訓(xùn)工作中，能使煤礦安全培訓(xùn)工作不受時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)的限制。利用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析講解時(shí)，易于被不同文化層次的人員接受和理解，對(duì)于提高安全培訓(xùn)效果和質(zhì)量具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 模擬仿真技術(shù)； 煤礦安全培訓(xùn)； 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD79.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）09-67-02

Abstract： This paper introduces the current situation of virtual reality technology application in coal mine safety training at home and abroad， and the development trend of simulation technology and virtual reality technology. The application of simulation technology and virtual reality technology in the safety training work can make the coal mine safety training work get rid of the time， space and funding constraints. When using the virtual simulation teaching system to analyze and explain， it is easy to be accepted and understood by the personnel at different cultural levels， which has certain application value for improving the safety training effect and quality.

Key words： virtual reality technology； simulation technology； coal mine safety training； virtual simulation teaching system

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣，幾乎到了無所不包，無孔不入的地步，虛擬技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境如：虛擬現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)指揮模擬，飛機(jī)、船舶、車輛虛擬駕駛訓(xùn)練，飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船與轎車的虛擬制造，虛擬現(xiàn)實(shí)建筑物的展示與參觀，虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn)，煤礦安全生產(chǎn)虛擬仿真訓(xùn)練，電力安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，安全仿真訓(xùn)練系統(tǒng)等。它的發(fā)展，從根本上改變了人們的工作方式和生活方式，有可能將勞和逸真正結(jié)合起來，讓人們?cè)谙硎墉h(huán)境中工作，在工作中得到享受。

煤礦生產(chǎn)是在復(fù)雜的自然條件下從事煤炭開采，五大自然災(zāi)害時(shí)刻威脅著煤礦的安危。煤礦災(zāi)害事故還不能得到有效的控制，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。事故發(fā)生原因有煤礦生產(chǎn)自然條件和人的安全意識(shí)行為兩個(gè)方面的原因，但主要根源在于職工的安全意識(shí)淡漠和安全技能素質(zhì)低下。面對(duì)嚴(yán)峻的煤礦安全形勢(shì)，目前急需加大科技投入，改變煤礦的不安全狀況。按照國家有關(guān)法律法規(guī)對(duì)職工的生產(chǎn)行為進(jìn)行規(guī)范，加強(qiáng)煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)工作，強(qiáng)化職工安全意識(shí)。煤礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，主要是為了提高職工安全培訓(xùn)效果，使整個(gè)學(xué)習(xí)培訓(xùn)過程更加生動(dòng)有效。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外煤礦安全培訓(xùn)中的現(xiàn)狀

英國諾丁漢大學(xué)[1-3]最早應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于礦山企業(yè)安全培訓(xùn)項(xiàng)目，并最早開發(fā)了稱為“革命性”的安全培訓(xùn)軟件，主要應(yīng)用在安全生產(chǎn)實(shí)踐中培訓(xùn)露天礦汽車司機(jī)，在常規(guī)安全監(jiān)察中培訓(xùn)和測(cè)試新礦工，在事故反應(yīng)中培訓(xùn)和測(cè)試礦山救護(hù)隊(duì)，同時(shí)還用于類似以往的虛擬事故的防治，修改的虛擬環(huán)境用于評(píng)估潛在的防治策略的正確性和合理性。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）[4-7]、東北大學(xué)、太原理工大學(xué)等高?？蒲性核矊?duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦井生產(chǎn)環(huán)境和災(zāi)害表現(xiàn)等方面進(jìn)行了初步探討，在礦井環(huán)境的三維建模以及爆炸、燃燒、煙霧的生產(chǎn)和表現(xiàn)技術(shù)上有了一定的成果，主要應(yīng)用于煤礦事故場(chǎng)景模擬、事故匯報(bào)和煤礦安全培訓(xùn)等。

2011年7月，澳大利亞新南威爾士州紐卡斯?fàn)枺∟ewcastle）礦山救護(hù)站成為新南威爾士州4個(gè)礦山救援培訓(xùn)中心中第一個(gè)升級(jí)到等級(jí)三弟啊虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)中心。紐卡斯卡礦山救護(hù)站站內(nèi)擁有直徑為10m的3D立體環(huán)幕視景仿真環(huán)境，120㎡的屏幕可以實(shí)現(xiàn)360?視覺沉浸感，讓學(xué)員體驗(yàn)玩去身臨其境的礦山環(huán)境。該救護(hù)站可以同時(shí)容納15～20名學(xué)員進(jìn)行虛擬礦山進(jìn)行安全培訓(xùn)。

北京金視和科技有限公司利用現(xiàn)代高科技成果，根據(jù)國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，自主研發(fā)了一系列用于不同行業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案產(chǎn)品。煤礦安全生產(chǎn)仿真系統(tǒng)以《煤礦新工人崗前安全培訓(xùn)教材》大綱為基礎(chǔ)架構(gòu)，嚴(yán)格按照教材中的內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)作，保證了培訓(xùn)知識(shí)的準(zhǔn)確無誤。并且具有極強(qiáng)的可復(fù)制性，全國各地所有的煤礦都可以直接應(yīng)用。其中，對(duì)于重點(diǎn)的知識(shí)信息，還聘請(qǐng)了專業(yè)的播音員進(jìn)行聲音的錄制，讓整個(gè)培訓(xùn)過程從視覺、聽覺和操作等多個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行。該系統(tǒng)以全新的虛擬現(xiàn)實(shí)和三維仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合真實(shí)的井下環(huán)境，核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)國內(nèi)山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省等地煤礦進(jìn)行了為期幾個(gè)月的井下環(huán)境采集，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出一個(gè)帶有物理規(guī)則和災(zāi)害推演規(guī)則的三維場(chǎng)景。場(chǎng)景可以模擬災(zāi)害發(fā)生時(shí)的地形，建筑，物品設(shè)施，人物角色，次生災(zāi)害（爆炸，火災(zāi)，水災(zāi)和有毒煙霧）和天氣（雨，雪）等三維表現(xiàn)以及災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出的聲音，整個(gè)場(chǎng)景是在災(zāi)難事件規(guī)則，推演規(guī)則和物理規(guī)則的作用下運(yùn)行，使體驗(yàn)者產(chǎn)生親臨災(zāi)害發(fā)生地的感覺，并在教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的指導(dǎo)下正確的對(duì)災(zāi)害實(shí)施救援或者正確的規(guī)避災(zāi)害事故。endprint

2 傳統(tǒng)煤礦安全培訓(xùn)形式與虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對(duì)比

目前我國煤礦行業(yè)安全培訓(xùn)模式和培訓(xùn)手段仍然處于落后狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科技進(jìn)步的步伐。培訓(xùn)手段是決定教學(xué)效果的重要因素，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式存在的缺陷主要表現(xiàn)在以下方面。

⑴ 課堂理論教學(xué)：內(nèi)容抽象、枯燥、理論與現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)、培訓(xùn)效果差；

⑵ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)（主要指模型教學(xué)）：成本高、教學(xué)效果不明顯、不易于煤礦企業(yè)自行開展周期性的培訓(xùn)工作；

⑶ 電化教學(xué)：缺乏雙向交流、教學(xué)手段單一、很多場(chǎng)面無法真正實(shí)現(xiàn)。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)緊緊圍繞著煤礦安全生產(chǎn)，搭建了完整的、系統(tǒng)的、可視化的應(yīng)用平臺(tái)。該系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，分別為理論培訓(xùn)和實(shí)戰(zhàn)操作培訓(xùn)，提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互演練，大幅度提升學(xué)員的實(shí)際操作能力和安全防范意識(shí)。功能不僅包括五大自然災(zāi)害，還包括煤礦三大基本采煤方式及事故自救與互救等。以三維立體化的方式呈現(xiàn)，以三維空間為基礎(chǔ)，以設(shè)備、設(shè)施為元素，將巷道現(xiàn)狀制成專業(yè)模塊便于操作演示。工作人員利用做好的三維立體模塊，模擬事故現(xiàn)場(chǎng)并開展各種預(yù)案推演，現(xiàn)場(chǎng)模擬，并能夠進(jìn)行仿真教學(xué)培訓(xùn)。

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)周期短，煤礦井下環(huán)境大同小異，基本都是巷道布局的變化，該教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)市場(chǎng)反饋信息快速改進(jìn)。目前市場(chǎng)的培訓(xùn)類產(chǎn)品大多是傳統(tǒng)的多媒體形式，內(nèi)容一成不變，形式枯燥乏味，已經(jīng)成為安全培訓(xùn)過程當(dāng)中走過場(chǎng)的環(huán)節(jié)。煤礦虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)全新的虛擬現(xiàn)實(shí)和三維仿真形式，能給用戶帶來身臨其境的感受，仿佛置身井下巷道之中，所有的設(shè)備和環(huán)境都立體的呈現(xiàn)在眼前，真實(shí)的帶入感結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)內(nèi)容。交互式操作方式能讓體驗(yàn)者更加深刻的學(xué)習(xí)安全培訓(xùn)知識(shí)。

3 結(jié)束語

為了更好地開展煤礦安全培訓(xùn)工作，適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，必須要提高煤礦安全教學(xué)工作質(zhì)量，創(chuàng)新煤礦安全培訓(xùn)方法。將模擬仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全培訓(xùn)工作中，不僅可以降低煤礦事故高傷亡率和高損失率，而且能夠降低安全培訓(xùn)成本，使煤礦安全培訓(xùn)工作不受時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)的限制。該培訓(xùn)模式對(duì)于提高安全培訓(xùn)效果和質(zhì)量具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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