基于VR技術(shù)煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)模式應(yīng)用設(shè)計(jì)

陳強(qiáng)盛 王 云 萬(wàn)紅紅

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司礦山救護(hù)大隊(duì)，山西大同，037003）

通常情況下，在礦井發(fā)生重大災(zāi)害事故初期，災(zāi)害波及的范圍和對(duì)人員的危害都比較小，既是搶救事故的有利時(shí)機(jī)，又是決定礦井和人員生命安全的關(guān)鍵時(shí)刻[1]。事故發(fā)生后，礦山救護(hù)隊(duì)不可能由地面馬上趕到事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搶救，而處于災(zāi)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在萬(wàn)分危急的情況下，依靠自己的智慧和力量，積極、正確地采取應(yīng)急自救互救，是保證災(zāi)區(qū)人員自身安全、將災(zāi)害事故消滅在萌芽階段和初始狀態(tài)，最大限度地減少人員傷亡和事故損失的重要環(huán)節(jié)。即使在事故處理中、后期，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員積極開展應(yīng)急自救互救，對(duì)提高搶險(xiǎn)救災(zāi)工作成效也有重要的作用。因此，如何加強(qiáng)職工對(duì)煤礦災(zāi)害事故的認(rèn)識(shí)、提高自身防范意識(shí)、提高應(yīng)急救援及自救能力，是各大煤礦亟待解決的問(wèn)題。

1 煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)現(xiàn)狀分析

目前，我國(guó)煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置的培訓(xùn)概括起來(lái)主要有三種模式，均有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。

培訓(xùn)模式傳統(tǒng)式課堂授課培訓(xùn)多媒體教室教學(xué)培訓(xùn)模擬事故現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)培訓(xùn)優(yōu)勢(shì)課堂培訓(xùn)多為事故案例分析，剖析事故發(fā)生的原因、解析事故發(fā)生的過(guò)程和相關(guān)應(yīng)急處置措施，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。課堂培訓(xùn)能夠在理論上對(duì)事故進(jìn)行詳細(xì)的講解，完善的數(shù)據(jù)和資料能夠形成一個(gè)較為準(zhǔn)確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作有著強(qiáng)大的理論支持。課堂培訓(xùn)多為事故案例分析，剖析事故發(fā)生的原因、解析事故發(fā)生的過(guò)程和相關(guān)應(yīng)急處置措施，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。課堂培訓(xùn)能夠在理論上對(duì)事故進(jìn)行詳細(xì)的講解，完善的數(shù)據(jù)和資料能夠形成一個(gè)較為準(zhǔn)確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作有著強(qiáng)大的理論支持。模擬事故現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)培訓(xùn)通常以搭建實(shí)體模型的方式還原事故災(zāi)害發(fā)生的全過(guò)程，此種培訓(xùn)方式直觀立體，職工可以從各個(gè)角度觀察到事故的起因、細(xì)節(jié)等，有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)感及參與感。不足課堂培訓(xùn)缺少直觀立體的觀察分析，職工在接受培訓(xùn)的過(guò)程中屬于被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺乏參與感，并且絕大多數(shù)員工難以做到將自己學(xué)到的理論知識(shí)完全應(yīng)用到實(shí)際工作中。課堂培訓(xùn)缺少直觀立體的觀察分析，職工在接受培訓(xùn)的過(guò)程中屬于被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺乏參與感，并且絕大多數(shù)員工難以做到將自己學(xué)到的理論知識(shí)完全應(yīng)用到實(shí)際工作中。模擬事故現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)培訓(xùn)需要搭建大量的模型，消耗大量的人力、物力、財(cái)力，且實(shí)體模型壽命有限，不適合做災(zāi)難演示。

2 基于VR技術(shù)煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)模式的設(shè)計(jì)

2.1 VR及VR+煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)模式

VR技術(shù)就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人們可以通過(guò)視聽等手段所感受到的虛擬幻境。近年來(lái)VR逐漸火熱，但將VR技術(shù)成功應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域較少，尤其是以VR+煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置在我國(guó)還沒(méi)有一套成熟的解決方案。

VR+煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)模式的提出，就是利用VR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，還原事故發(fā)生前征兆、事故突發(fā)時(shí)情景、事故發(fā)生后應(yīng)急處理措施，同步反映災(zāi)害中可能出現(xiàn)的震動(dòng)、煙熱等。加入煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置的元素，使受訓(xùn)者利用人體輸入學(xué)設(shè)備，結(jié)合屏幕畫面仿真實(shí)物實(shí)施教學(xué)引導(dǎo)操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式體驗(yàn)。任務(wù)操作過(guò)程中，系統(tǒng)帶有文字配套語(yǔ)音講解的提示信息幫助操作者更好的實(shí)施系統(tǒng)任務(wù)操作。受訓(xùn)者在任務(wù)操作過(guò)程中若不規(guī)范操作，將引起事故擴(kuò)大并造成更嚴(yán)重的損失，從而加深體驗(yàn)者對(duì)安全生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)。針對(duì)災(zāi)害事故正確處置進(jìn)行專業(yè)性的培訓(xùn)，能有效從根本上改善我國(guó)煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置的培訓(xùn)狀況。

2.2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分包括輕便式的無(wú)線VR一體機(jī)、高清觸摸顯示屏、網(wǎng)絡(luò)路由器等組成，軟件部分包括虛擬礦井建模和事故場(chǎng)景構(gòu)建，建模以maya、3Dmax等軟件作為建模工具，建模質(zhì)量為“精?！保抡娉潭葹椤案呒?jí)”，場(chǎng)景內(nèi)容逼真度極高，虛擬礦井模型內(nèi)容主要為采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、排六大系統(tǒng)，虛擬礦井建設(shè)完全以真實(shí)礦井為藍(lán)本，1:1 還原煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)及機(jī)械設(shè)備。事故場(chǎng)景構(gòu)建以事故發(fā)生過(guò)程體驗(yàn)和事故發(fā)生后的處置為主，加入瓦斯爆炸粒子、火災(zāi)粒子、煙霧粒子、沖擊波聲音粒子、水浪沖擊粒子等元素，以震撼的VR方法模擬水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯、煤塵、頂板等事故發(fā)生過(guò)程，加入災(zāi)害發(fā)生后避災(zāi)、選擇正確的路線進(jìn)行逃生、選擇正確的工具滅火等內(nèi)容。

2.2.1虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示系統(tǒng)（VR頭盔）

虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺(jué)的重要設(shè)備（圖1），其內(nèi)部有左右兩片高分辨率的鏡片式液晶屏幕，配帶者通過(guò)左右眼觀察對(duì)應(yīng)屏幕，從而實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺(jué)。此外虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示器還包含先進(jìn)追蹤傳感器（激光定位傳感器）、加速計(jì)、陀螺儀、手柄、存儲(chǔ)單元、微控制器等，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤及交互功能。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示系統(tǒng)（VR頭盔）

本系統(tǒng)采用Pico Neo-USTEP 無(wú)線VR 一體機(jī)頭盔，具備inside-out 六自由度定位能力，處理器驍龍835，8 核，單眼分辨率不低于1 440×1 600，刷新率不低于90 Hz，視場(chǎng)角不低于100度，內(nèi)置VR煤礦災(zāi)害事故應(yīng)急處置沉浸式桌面系統(tǒng)，啟動(dòng)頭盔即可直接進(jìn)入，不受線纜束縛，操作便捷。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

VR 煤礦災(zāi)害應(yīng)急處置培訓(xùn)軟件包含礦井基礎(chǔ)認(rèn)知、煤礦瓦斯災(zāi)害處置、煤礦火災(zāi)災(zāi)害處置、煤礦水災(zāi)災(zāi)害處置、煤礦頂板災(zāi)害處置、煤礦煤塵災(zāi)害處置六大模塊。通過(guò)VR 虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)逼真的場(chǎng)景還原，事故重現(xiàn)，從而給予體驗(yàn)者更加深刻的安全認(rèn)知。

（1）建立礦井基礎(chǔ)模塊

用虛擬仿真VR 體驗(yàn)形式認(rèn)知礦井關(guān)鍵位置，包括：綜采工作面、掘進(jìn)工作面、水泵房、機(jī)電硐室、永久避難硐室；場(chǎng)景模型：罐籠、綜采工作面巷道、采煤機(jī)、刮板機(jī)、液壓支架、端頭支架、皮帶運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、提升機(jī)、掘井工作面巷道、掘進(jìn)機(jī)、水泵房場(chǎng)景、水泵、機(jī)電硐室場(chǎng)景、高壓變電設(shè)備、永久避難硐室、電氣設(shè)備、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、防爆電話等。視角可自由旋轉(zhuǎn)，場(chǎng)景內(nèi)自由漫游；手柄點(diǎn)擊學(xué)習(xí)及排查隱患點(diǎn)，通過(guò)地圖前往其他區(qū)域。

（2）煤礦瓦斯災(zāi)害處置

用虛擬仿真VR體驗(yàn)形式模擬煤礦瓦斯爆炸事故發(fā)生時(shí)，從爆炸發(fā)生地點(diǎn)附近撤離到永久避難硐室的全過(guò)程，包括撤離期間使用逃生設(shè)備、選擇合理路線、緊急情況處理等。設(shè)置多重突發(fā)狀況：途中經(jīng)過(guò)頂板冒落區(qū)域、途徑爆炸導(dǎo)致的著火點(diǎn)。發(fā)生事故時(shí)，視覺(jué)聽覺(jué)雙重震撼逼真模擬爆炸瞬間（圖2）。

處置流程：發(fā)生瓦斯爆炸事故→背對(duì)躲避沖擊波傷害→沾濕毛巾捂住口鼻→佩戴自救器→迅速撤離→進(jìn)入臨時(shí)避難倉(cāng)暫時(shí)躲避→休整后離開臨時(shí)避難倉(cāng)→通過(guò)由于爆炸導(dǎo)致的頂板塌方段→途徑爆炸導(dǎo)致的著火點(diǎn)進(jìn)行滅火→觸摸鐵軌通過(guò)煙霧區(qū)→進(jìn)入避難硐室→打開壓風(fēng)自救系統(tǒng)→撥打防爆電話向調(diào)度室匯報(bào)→等待救援→回顧逃生路線。

圖2 模擬瓦斯爆炸場(chǎng)景

（3）煤礦火災(zāi)災(zāi)害處置

虛擬仿真VR 體驗(yàn)形式模擬煤礦火災(zāi)事故發(fā)生，從火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)附近撤離到副井井上全過(guò)程，包括撤離期間使用逃生設(shè)備、選擇合理路線、緊急情況處理等。

處置流程：發(fā)現(xiàn)大量煙霧→火災(zāi)報(bào)警裝置啟動(dòng)、切斷電源→佩戴自救器準(zhǔn)備撤離→發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)→嘗試使用滅火器滅火→滅火失敗重新選擇撤離路線→蹲下通過(guò)煙霧區(qū)→使用防爆電話匯報(bào)火情→通過(guò)工作面-回風(fēng)平巷-回風(fēng)巷進(jìn)入軌道上山—經(jīng)下部車場(chǎng)-運(yùn)輸大巷-主石門-副井撤出災(zāi)區(qū)。

（4）煤礦水災(zāi)災(zāi)害處置

虛擬仿真VR 體驗(yàn)形式模擬煤礦水災(zāi)事故發(fā)生，從運(yùn)輸上山附近撤離到風(fēng)井井上的全過(guò)程，包括撤離期間使用逃生設(shè)備、選擇合理路線、緊急情況處理等。

處置流程：水浪涌來(lái)→抓住管路躲避水浪→抓住管路逆水流方向撤離→選擇避災(zāi)路線→留下衣物標(biāo)記撤離路線→通過(guò)風(fēng)門→根據(jù)風(fēng)流方向判斷巷道方向→沖過(guò)出水巷道口→使用防爆電話匯報(bào)災(zāi)情→經(jīng)回風(fēng)石門-回風(fēng)大巷-回風(fēng)主石門-風(fēng)井撤離出井。

圖3 模擬煤礦水災(zāi)事故場(chǎng)景

（5）煤礦頂板災(zāi)害處置

用虛擬仿真VR體驗(yàn)形式模擬煤礦頂板事故發(fā)生時(shí)，被冒落頂板堵住的掘進(jìn)工作面，撤離到安全位置的全過(guò)程，包括撤離期間使用逃生設(shè)備、緊急自救、緊急情況處理等。

處置流程：頂板災(zāi)害發(fā)生→劇烈晃動(dòng)→打開壓風(fēng)自救系統(tǒng)→通過(guò)防爆電話與調(diào)度室聯(lián)系→敲擊物體與外界聯(lián)絡(luò)→進(jìn)行冒落區(qū)域周圍頂板的支撐→等待救援人員→救援通道打通→撤離災(zāi)區(qū)。

（6）煤礦煤塵災(zāi)害處置

用虛擬仿真VR體驗(yàn)形式模擬煤礦煤塵事故發(fā)生時(shí)，從煤塵爆炸發(fā)生地點(diǎn)附近撤離到副井井上的全過(guò)程，包括撤離期間使用逃生設(shè)備、選擇合理路線、緊急情況處理等。發(fā)生事故時(shí)，視覺(jué)聽覺(jué)雙重震撼逼真模擬煤塵爆炸災(zāi)害場(chǎng)景。

處置流程：煤塵爆炸災(zāi)害發(fā)生→劇烈晃動(dòng)→背對(duì)躲避沖擊波→佩戴自救器→迅速逃生→進(jìn)使用壓風(fēng)自救系統(tǒng)→繞過(guò)一側(cè)脫落的防爆水袋→通過(guò)風(fēng)門→使用防爆電話匯報(bào)災(zāi)情→進(jìn)入避難硐室更換自救器→通過(guò)副井撤離到井上。

（7）建立考核模式

所有的模塊均以事故征兆、排查、處置、事故發(fā)生過(guò)程、自救互救為主線，建立完善的考核打分制度，根據(jù)學(xué)員面對(duì)事故征兆、事故發(fā)生過(guò)程，考察學(xué)員對(duì)事故判斷和處理能力，并根據(jù)學(xué)員操作順序、規(guī)范程度與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化步驟進(jìn)行比對(duì)（允許學(xué)員操作與系統(tǒng)有一定誤差），并綜合打分，如果考核合格，則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，如考核不合格，學(xué)員應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.3 應(yīng)用效果

通過(guò)同煤集團(tuán)公司的53座礦井3 500多人參與培訓(xùn)來(lái)看，培訓(xùn)效果理想，實(shí)際操作性強(qiáng)，有效鍛煉了入井人員的心理素質(zhì)，有利于培訓(xùn)入井人員在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)正確采取應(yīng)急自救互救措施，正確進(jìn)行事故初期的處置，控制災(zāi)情防止進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 結(jié)論

通過(guò)VR 虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)逼真的場(chǎng)景還原，事故重現(xiàn)，建立事故場(chǎng)景VR體驗(yàn)?zāi)K，包括事故發(fā)生前的征兆，事故發(fā)生過(guò)程，事故發(fā)生后帶來(lái)的危害，以及事故發(fā)生后如何正確的應(yīng)急處理。從而給予培訓(xùn)學(xué)員更加深刻的安全認(rèn)知與技能培訓(xùn)。培訓(xùn)職工可以最大限度的感受煤礦災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的“真實(shí)”環(huán)境，培訓(xùn)效果顯著，尤其是對(duì)加強(qiáng)入井員工心理承受能力的培訓(xùn)和面對(duì)災(zāi)害采取正確的應(yīng)急處置流程具有絕佳的效果。

（1）實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)內(nèi)容的創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)煤礦安全培訓(xùn)以理論知識(shí)的講授為主，實(shí)現(xiàn)了學(xué)員接受的內(nèi)容由“平面化”向“立體化”的轉(zhuǎn)變。

（2）實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)過(guò)程的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的煤礦安全培訓(xùn)中，培訓(xùn)老師也會(huì)應(yīng)用多種現(xiàn)代化手段去調(diào)動(dòng)課堂，但是這些手段帶給學(xué)員的仍然是“認(rèn)知性”的教學(xué)過(guò)程。VR培訓(xùn)將培訓(xùn)過(guò)程變成了“體驗(yàn)式”和“沉浸式”。

（3）實(shí)現(xiàn)了互動(dòng)模式的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的煤礦安全培訓(xùn)中，課堂互動(dòng)一般是老師與學(xué)員、學(xué)員與學(xué)員之間。將互動(dòng)模式變成了學(xué)員與教學(xué)內(nèi)容的互動(dòng)。利用人體輸入學(xué)設(shè)備，結(jié)合屏幕畫面仿真實(shí)物，引導(dǎo)學(xué)員完成教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。