煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究與設(shè)計

高 彬，杜亞林，楊 帆，李 軍，譚 政，陳金川，王淵源

(1.陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719313;2.北京龍軟科技股份有限公司，北京市海淀區(qū)，100190)

0 引言

煤礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、危險源分布廣泛，對安全生產(chǎn)和事故救援等領(lǐng)域的虛擬培訓(xùn)演練有十分強(qiáng)烈的需求。近幾年，國內(nèi)出現(xiàn)了一些較為成熟的煤礦安全仿真培訓(xùn)平臺，這些平臺大多提供的是單機(jī)版、交互問答形式的煤礦安全知識培訓(xùn)。一些三維虛擬仿真系統(tǒng)支持了多通道環(huán)幕、答題器、操作手柄、頭盔、交互屏等最新VR硬件，這些VR硬件為煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)提供了培訓(xùn)軟件，配以環(huán)幕、立體眼鏡等設(shè)備，為用戶提供了前所未有的真實感和體驗感[1-8]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最大的優(yōu)勢在于對三維空間的表達(dá)和演示，尤其是為煤礦特殊作業(yè)工種人員通過虛擬場景進(jìn)行交互式的學(xué)習(xí)和模擬操作提供了平臺和手段。煤礦特種作業(yè)人員通過虛擬環(huán)境培訓(xùn)，增強(qiáng)沉浸感，增加學(xué)員的主動性和積極性，培訓(xùn)以實際生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)，加強(qiáng)與實際生產(chǎn)的聯(lián)系，達(dá)到身臨其境的培訓(xùn)效果。

然而，目前的虛擬培訓(xùn)演練系統(tǒng)缺少針對特殊作業(yè)人員的虛擬培訓(xùn)演練軟硬件。煤礦特殊作業(yè)工種的工作和煤礦的安全生產(chǎn)密不可分，因此提出一套針對煤礦十大特殊作業(yè)工種(采煤機(jī)/掘進(jìn)機(jī)操作作業(yè)人員、井下電器作業(yè)人員、井下爆破作業(yè)人員、安全監(jiān)測監(jiān)控作業(yè)人員、瓦斯檢查作業(yè)人員、安全檢查作業(yè)人員、提升機(jī)操作作業(yè)人員、瓦斯抽采作業(yè)人員、防突作業(yè)人員、探放水作業(yè)人員)的安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。特殊作業(yè)人員是煤礦的主力軍，提高其綜合素質(zhì)，減少“三違”行為，是遏制煤礦重特大事故的重要手段。針對這一問題，本文以虛擬現(xiàn)實、人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，研究煤礦十大工種操作規(guī)范，增強(qiáng)參與者學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的真實體驗感，以期達(dá)到引導(dǎo)礦山勞動者自主探索安全問題，強(qiáng)化記憶，提高安全勞作意識并將其作為指導(dǎo)思想運(yùn)用于生產(chǎn)的目的[9-11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實模塊作為基礎(chǔ)環(huán)境，參考《煤礦十大特殊工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》要求，并結(jié)合了最常見的水、火、瓦斯、頂板、機(jī)電等事故機(jī)理與處理方法，建立特殊工種安全培訓(xùn)模塊并將其作為專家知識庫來體現(xiàn)安全培訓(xùn)內(nèi)容，并通過虛擬交互手段引導(dǎo)用戶使用。煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)包含虛擬仿真模塊和游戲化引導(dǎo)模塊。這2個模塊分別是程序基礎(chǔ)功能和基本邏輯的實現(xiàn)。

(1)虛擬仿真模塊。虛擬仿真模塊是從系統(tǒng)層面建立相應(yīng)的仿真功能。作為視覺實體與操作對象主要包含：場景管理(仿真實體模型管理)、音效聽覺仿真、粒子效果模擬和物理力學(xué)仿真等的結(jié)合運(yùn)用。

仿真實體模型即為建立的礦山、地形、井巷、設(shè)備工具、人物角色等模型，是面向虛擬角色的可交互對象，亦是場景實現(xiàn)的場地[12-14]；音效聽覺仿真注重從音源的維度盡可能逼真還原現(xiàn)實，比如人在草地上和在巷道中不同的腳步聲、跑步時的喘息聲、罐籠開啟時的機(jī)械聲等；粒子效果是在觸發(fā)安全事件時盡可能逼真還原現(xiàn)場效果，如開采工作面中的揚(yáng)塵、冒頂時產(chǎn)生的塵埃等都會加深虛擬現(xiàn)實的真實感；物理力學(xué)模型可以強(qiáng)化虛擬角色的現(xiàn)實受力感，不僅有下行的重力加速度，還有巖壁剝落時的重力感；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是構(gòu)成三維場景的模型、坐標(biāo)數(shù)據(jù)、音效、圖片等數(shù)據(jù)。

(2)游戲化引導(dǎo)模塊。游戲化引導(dǎo)模塊是以游戲化的方式引導(dǎo)受訓(xùn)者完成整個培訓(xùn)考核過程，包括考試科目引導(dǎo)、考試項目引導(dǎo)、操作方式引導(dǎo)、目標(biāo)位置引導(dǎo)、操作步驟引導(dǎo)等。TPC是以第三人稱視角進(jìn)行操作；AI是操作中有AI交互的過程；探索式引導(dǎo)是通過設(shè)置問題或者關(guān)卡的方式來引導(dǎo)用戶進(jìn)行操作。

1.1.2 專家知識庫

專家知識庫以《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》為操作流程主體內(nèi)容，并結(jié)合了最常見的水、火、瓦斯、頂板、機(jī)電等事故原因與應(yīng)對機(jī)制。

安全培訓(xùn)模塊屬于應(yīng)用層面，所有相關(guān)知識點(diǎn)和培訓(xùn)設(shè)計都是以專家知識庫為準(zhǔn)來設(shè)計的。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是災(zāi)害模擬、災(zāi)害應(yīng)對機(jī)制和角色仿真庫的基礎(chǔ)。包括《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的每個工種每個科目的操作流程和作業(yè)規(guī)范，以及水、火、瓦斯、頂板、機(jī)電等事故觸發(fā)的條件與處理流程；災(zāi)害模擬是對水、火、瓦斯、頂板、機(jī)電等事故進(jìn)行三維模擬展示；災(zāi)害應(yīng)對機(jī)制是發(fā)生事故后的處理流程；角色仿真庫是不同工種的工作流程、相關(guān)設(shè)備工具、人物動畫等。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括培訓(xùn)考核基礎(chǔ)支撐平臺和虛擬實操培訓(xùn)考核系統(tǒng)2個部分。煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2.1 培訓(xùn)考核基礎(chǔ)支撐平臺

培訓(xùn)考核基礎(chǔ)支撐平臺是虛擬實操培訓(xùn)考核系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括三維環(huán)境模型系統(tǒng)、評分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3個部分。三維環(huán)境模型系統(tǒng)提供完整的井下虛擬仿真環(huán)境及十大特殊工種作業(yè)涉及的采、掘、機(jī)、運(yùn)、通、環(huán)等相關(guān)的井下設(shè)備和工具；評分系統(tǒng)依據(jù)《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計整個系統(tǒng)的考題及評分規(guī)則，使系統(tǒng)考核知識更貼近實際生產(chǎn)、考核結(jié)果更能真實地反應(yīng)考生實際操作水平，虛擬實操培訓(xùn)考核系統(tǒng)基于評分系統(tǒng)將三維模型組合為考試場景，對考試內(nèi)容進(jìn)行模擬，考生在虛擬生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行辨識、分析、操作，并統(tǒng)計考核結(jié)果；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)連接系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫并在數(shù)據(jù)庫中記錄培訓(xùn)人員的個人信息及考試成績。

1.2.2 虛擬實操培訓(xùn)考核系統(tǒng)

虛擬實操培訓(xùn)考核系統(tǒng)中的基礎(chǔ)功能模塊主要包括考核管理功能、系統(tǒng)基礎(chǔ)功能和系統(tǒng)設(shè)置3個部分?？己斯芾砉δ馨讼到y(tǒng)登錄人員身份信息認(rèn)證、保存考核成績等；系統(tǒng)基礎(chǔ)功能包括角色控制、載具控制、角色動畫、設(shè)備操作、任務(wù)提示、地圖導(dǎo)航等功能；系統(tǒng)設(shè)置主要包括輸入、圖像和聲音等配置功能。具體處理過程為：被考核人員輸入身份證號碼，系統(tǒng)檢驗身份信息，如果身份信息正確則考生進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)基礎(chǔ)功能的處理邏輯是考生利用鼠標(biāo)鍵盤輸入相應(yīng)的操作，系統(tǒng)基礎(chǔ)功能模塊依據(jù)輸入的信息做出對應(yīng)的響應(yīng)并展示在屏幕上。比如角色控制，考生按下W、S、A、D鍵，系統(tǒng)中角色則向前、后、左、右行走。任務(wù)提示則在考生完成上一個任務(wù)后，在屏幕上展現(xiàn)出考生下一個要完成的任務(wù)。

煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中其余的培訓(xùn)模塊主要針對該工種進(jìn)行培訓(xùn)，模塊依據(jù)國家礦山安監(jiān)局下發(fā)的特殊作業(yè)工種考核文件中對應(yīng)的工種考核文件進(jìn)行場景設(shè)計并將考核方法集成到系統(tǒng)中，從而達(dá)到對特殊作業(yè)人員進(jìn)行虛擬仿真培訓(xùn)的目的。模塊的處理過程為特殊作業(yè)工種依據(jù)自己掌握的知識利用鼠標(biāo)鍵盤在三維場景內(nèi)進(jìn)行操作。系統(tǒng)在考生完成一項任務(wù)后會提示接下來的任務(wù)，考生自行選擇完成任務(wù)的順序?？荚囃戤吅?，系統(tǒng)依據(jù)評分系統(tǒng)給出考生的操作結(jié)果。

1.2.3 系統(tǒng)處理流程

(1)依據(jù)《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》將需要考試的題目、內(nèi)容、答案及該題的分?jǐn)?shù)以二維表的形式存儲在評分系統(tǒng)中。

(2)考生輸入信息，登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)將登錄信息發(fā)送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)鏈接后臺數(shù)據(jù)庫檢驗登錄信息。如果信息有效則進(jìn)入系統(tǒng)；如果信息無效則登錄界面提示。

(3)在登錄成功后，仿真系統(tǒng)依據(jù)考生的工種信息及評分系統(tǒng)考題進(jìn)行場景的構(gòu)建。

(4)考生在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中答題，每提交一個操作，將考生的操作過程及考題編碼發(fā)送到評分系統(tǒng)，評分系統(tǒng)依據(jù)規(guī)則給出分?jǐn)?shù)并記錄。

(5)待考生完成所有的考題，系統(tǒng)將展示考生總分、每一道考題的扣分情況以及錯誤操作。系統(tǒng)將最后得分發(fā)送給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)并將考核結(jié)果發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫中。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本文在北京龍軟科技股份有限公司的三維虛擬仿真平臺基礎(chǔ)上，對上述系統(tǒng)功能進(jìn)行了研究，通過腳本語言實現(xiàn)了對礦山虛擬場景的構(gòu)建和專家知識庫的建立等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 礦山虛擬場景的構(gòu)建

礦山虛擬場景[15]的構(gòu)建是指根據(jù)煤礦地層數(shù)據(jù)、巷道數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)等三維空間地理信息及建筑圖像、設(shè)備圖像等各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維礦山井上、井下場景中的模型，模擬出包括煤礦各種自然實體和人工實體在內(nèi)的三維空間，同時接入設(shè)備、環(huán)境數(shù)據(jù)等內(nèi)容，使用戶在其中可以自由地與各種虛擬實體進(jìn)行交互，并了解井下真實的環(huán)境信息。

根據(jù)實地調(diào)研獲得的井巷模型數(shù)據(jù)、設(shè)備圖紙和照片、設(shè)備布置圖紙、人物和工具照片等，采用3D Studio Max、Maya等專業(yè)建模軟件進(jìn)行制作，按照先精細(xì)模型后簡單模型的設(shè)計方式進(jìn)行模型構(gòu)建，并進(jìn)行紋理貼圖。同時，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，利用多細(xì)節(jié)層次(Levels Of Detail，LOD)技術(shù)，依據(jù)展示環(huán)境進(jìn)行資源動態(tài)調(diào)配，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。采煤工作面三維虛擬界面如圖3所示。

圖3 采煤工作面三維虛擬界面

2.2 專家知識庫的建立

專家知識庫主要包括基礎(chǔ)知識庫和災(zāi)難模擬知識庫?；A(chǔ)知識庫以《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》為模板將各工種每一步正確操作步驟入庫。災(zāi)難模擬知識庫集中體現(xiàn)在最常見的水、火、瓦斯、頂板、機(jī)電等事故方面，根據(jù)各種事故的形成原因、事故征兆、發(fā)生狀態(tài)、形成影響等構(gòu)建針對性的災(zāi)難模擬知識庫。采用產(chǎn)生式表示法構(gòu)建系統(tǒng)的知識規(guī)則庫。產(chǎn)生式的描述形式為“條件→結(jié)果”即：R=ifPthenQ，其中，R代表知識規(guī)則，P為前提條件，Q為根據(jù)條件產(chǎn)生的某一結(jié)果。

建立事件驅(qū)動的知識庫，因為在每個工種培訓(xùn)操作的過程中，都伴隨有大量的事件發(fā)生，而且事件之間都是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)事件的類型不同可分為操作流程和事故處理2個類型。

2.2.1 操作流程類型

該類事件驅(qū)動的知識規(guī)則中前提條件P是前一個操作步驟完成的情況(成功與否)，完成無需復(fù)雜的邏輯關(guān)聯(lián)判斷即可形成結(jié)論。例如，依據(jù)《煤礦十大特殊作業(yè)工種安全技術(shù)實際操作考試標(biāo)準(zhǔn)》中步驟1為“當(dāng)截割電機(jī)即將停止轉(zhuǎn)動時，緩慢掛上截割部離合器”，步驟2為“解除刮板輸送機(jī)閉鎖，發(fā)出啟動輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號”，形成事件驅(qū)動的知識庫規(guī)則為：R=采煤機(jī)司機(jī)：if(步驟1正確完成)then(步驟2)，if(步驟1沒有正確完成)then(錯誤提示OR觸發(fā)相應(yīng)事故)。

2.2.2 事故處理類型

事故的產(chǎn)生有2種方式，第1種方式是提前在場景或操作過程中設(shè)定，對于這種事故只要完成事故出現(xiàn)后的應(yīng)對處理操作即可依據(jù)條件P評判得分；第2種方式是用戶在操作過程中，由于違規(guī)操作或者某些關(guān)鍵的步驟操作失誤而導(dǎo)致的事故，對于這種事故也會根據(jù)專家知識庫的流程操作類型的檢測條件P判斷是否觸發(fā)對應(yīng)事故，如果觸發(fā)則會進(jìn)入對應(yīng)的事故模擬部分，但最終會宣告操作失敗而不得分。

事故處理類型的知識規(guī)則中前提條件P是由一系列事件構(gòu)成，且事件直接存在邏輯關(guān)聯(lián)。如處理瓦斯超限事故過程中，判斷瓦斯超限事故是否處理成功的知識規(guī)則包含匯報調(diào)度室、停工、斷電、撤人、查明原因、處理事故、瓦斯?jié)舛然謴?fù)等一系列前提條件。

專家知識庫在應(yīng)用層面分為3個部分。第1部分作為評分系統(tǒng)對模擬工種每步操作的評分依據(jù)；第2部分作為NPC對下一步操作提示的引導(dǎo)內(nèi)容；第3部分作為系統(tǒng)評判用戶操作是否觸發(fā)災(zāi)難事故和完成事故處理操作的依據(jù)。

2.3 模塊牽引與安全培訓(xùn)模擬

虛擬仿真模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供了大環(huán)境，游戲化引導(dǎo)成為推動系統(tǒng)運(yùn)行的線索，安全培訓(xùn)模塊在前兩個模塊的牽引下成為最終展現(xiàn)手段，各個模塊相互牽制相互促進(jìn)。

例如采煤機(jī)工種的安全培訓(xùn)，系統(tǒng)會在考試科目、考試項目、操作方式、目標(biāo)位置和操作步驟，這5個方面基于AI系統(tǒng)進(jìn)行NPC探索式引導(dǎo)，推動整個培訓(xùn)流程的進(jìn)行。如果操作中觸發(fā)了某種工作面事故，如煤壁片幫事故，就會進(jìn)入相應(yīng)的事故模擬階段，這里需要用戶控制虛擬人物處理事故，這樣不僅可以全面了解危險事故，同時也達(dá)到了安全培訓(xùn)目的。采煤工作面探索式引導(dǎo)三維虛擬界面如圖4所示，觸發(fā)片幫事故三維虛擬界面如圖5所示，處理片幫事故三維虛擬界面如圖6所示。

圖4 采煤工作面探索式引導(dǎo)三維虛擬界面

圖5 觸發(fā)片幫事故三維虛擬界面

圖6 處理片幫事故三維虛擬界面

3 應(yīng)用效果

2020年6月，煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在陜煤集團(tuán)陜北礦業(yè)有限公司張家峁煤礦(以下簡稱張家峁煤礦)得到了成功應(yīng)用。張家峁煤礦使用該系統(tǒng)開展培訓(xùn)以來，新型的培訓(xùn)模式和特殊的培訓(xùn)體驗顯著提高了學(xué)員的培訓(xùn)積極性，培訓(xùn)效果有保障，同時大大提高了特殊作業(yè)工種的培訓(xùn)效率，減少了教學(xué)培訓(xùn)成本。在實際作業(yè)中，特殊工作人員也增強(qiáng)了安全細(xì)節(jié)的主觀重視度，大大降低了張家峁煤礦的月違章操作次數(shù)，減少了事故的發(fā)生，也產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了傷病醫(yī)療費(fèi)用和設(shè)備維修費(fèi)用的開支30萬元/a。

在張家峁煤礦應(yīng)用該系統(tǒng)后，集團(tuán)公司和其他礦業(yè)公司也多次組織人員前來參觀學(xué)習(xí)。期間，煤礦十大特殊作業(yè)工種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)得到一致好評。集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)也表示將會全面推廣該系統(tǒng)，升級各個礦業(yè)公司的培訓(xùn)教學(xué)技術(shù)，為煤礦人才的培養(yǎng)提供更加先進(jìn)科學(xué)的手段。

4 結(jié)語

本文在分析近期礦山開采過程中安全事故頻發(fā)原因以及目前安全培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在問題的基礎(chǔ)上，研究了當(dāng)下AI系統(tǒng)對人們思維的影響以及游戲化的探索式吸引以引導(dǎo)人們加深潛在意識對事物認(rèn)知的影響，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了針對煤礦十大特殊作業(yè)工種的礦山安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，并得出以下結(jié)論：

(1)安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不應(yīng)是一個單一的高仿真模型場景瀏覽系統(tǒng)或模型動畫展示系統(tǒng)，而應(yīng)結(jié)合實際需求，集成完整井下虛擬仿真環(huán)境以及眾多工種作業(yè)的綜合性虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；

(2)強(qiáng)化礦工安全意識不應(yīng)強(qiáng)行灌輸安全知識，而應(yīng)以引導(dǎo)的方式使礦工主動探索加深記憶；

(3)虛擬現(xiàn)實的交互性不應(yīng)只是操作方式上的交互，應(yīng)加強(qiáng)故事情節(jié)的導(dǎo)向作用，如通過與NPC的交流來推進(jìn)程序的前進(jìn)，強(qiáng)調(diào)在溝通中的交互引導(dǎo)操作來加深記憶。