基于VR 技術(shù)的全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋培訓(xùn)平臺(tái)

杜志勇

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025）

安全培訓(xùn)是煤礦安全生產(chǎn)工作中的一項(xiàng)重要保障，培訓(xùn)效果的好壞直接影響到企業(yè)的發(fā)展穩(wěn)定，而人是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1-3]。從以往發(fā)生的安全事故來(lái)看，煤礦企業(yè)80%以上都是因?yàn)檫`章作業(yè)、違章指揮、設(shè)計(jì)和管理不規(guī)范等人的不安全行為造成的。出現(xiàn)這些危險(xiǎn)事故很重要的一個(gè)原因是相當(dāng)多的工人安全觀念淡薄，缺乏安全生產(chǎn)基本常識(shí)，沒(méi)有自律意識(shí)，自我保護(hù)能力較差，造成傷亡事故甚至是重特大事故屢屢發(fā)生。因此，加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)，不斷強(qiáng)化全員安全意識(shí)，增強(qiáng)全員防范意識(shí)，提高從業(yè)人員的安全管理水平和操作技能，才能從根本上改變當(dāng)前煤礦事故多發(fā)的現(xiàn)狀[4-6]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)際操作培訓(xùn)相融合，不僅能夠在沉浸式的虛擬場(chǎng)景中開(kāi)展煤礦安全事件的學(xué)習(xí)和應(yīng)急處置演練，在短時(shí)間內(nèi)能夠大幅提升從業(yè)人員的安全素質(zhì)，也避免了資金、人力資源的浪費(fèi)，有利于企業(yè)提高安全管理水平[7-8]。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)與使用

1.1 平臺(tái)搭建

平臺(tái)總共分為硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)2 部分。平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋培訓(xùn)平臺(tái)VR 可穿戴設(shè)備包括VR 頭盔，VR 頭盔的上端設(shè)置有頭帶，頭帶的下端側(cè)邊連接有VR 頭盔殼體，頭帶的下端兩側(cè)設(shè)置有耳機(jī)，VR 頭盔通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙連接操控手柄。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

操控手柄背面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，上端設(shè)置有套繩，操控手柄的兩側(cè)設(shè)置有手柄調(diào)節(jié)組件。其中VR 頭盔殼體內(nèi)置2 塊3.5 英寸AMOLED 屏幕，麥克風(fēng)、SteamVR 追蹤技術(shù)、G-sensor 校正、gyroscope陀螺儀、proximity 距離感測(cè)器和瞳距感測(cè)器，并設(shè)置有用于捕獲到用戶(hù)頭部運(yùn)動(dòng)的精確位置信息的位置傳感器。VR 頭盔1 采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，可調(diào)整鏡頭距離、瞳距、耳機(jī)和頭帶長(zhǎng)度，連接方式包括USB-C 3.0、DP1.2、無(wú)線藍(lán)牙3 種。

圖2 操控手柄背面結(jié)構(gòu)示意圖

全三維實(shí)景模型是按照真實(shí)場(chǎng)景搭建，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)采取專(zhuān)家意見(jiàn)，選取事故多發(fā)典型場(chǎng)景作為應(yīng)用背景，能夠達(dá)到提高操作人員安全意識(shí)的功能[9]。

與以往的三維動(dòng)畫(huà)展示、VR 展示不同是，本平臺(tái)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在于使用者在虛擬實(shí)景中真正參與到事件其中，有改變事件走向的權(quán)利，可以在虛擬空間中對(duì)典型事故案例進(jìn)行還原和變向，同時(shí)可以在虛擬演練過(guò)程中排查危險(xiǎn)源。其交互性能包括以下方面：

1）露天煤礦事故案例。提供模擬實(shí)景觀摩及事故行為預(yù)測(cè)的功能。

2）露天煤礦危險(xiǎn)源排查。按照實(shí)際危險(xiǎn)源存在模式在虛擬空間中進(jìn)行高仿真排查。

3）工具選擇。通過(guò)使用手柄觸碰屏幕顯示的不同圖標(biāo)，進(jìn)行事件的觸發(fā)或危險(xiǎn)源的選擇，方便直觀。

4）深度考核。通過(guò)受訓(xùn)人員改變事故走向及危險(xiǎn)源排查，實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)打分，得到實(shí)訓(xùn)結(jié)果。

1.2 具體使用方式

使用時(shí)，操作人員將手套進(jìn)套繩中，避免操控手柄脫落摔壞，調(diào)節(jié)手柄組件使之固定。將頭帶戴在頭部，調(diào)節(jié)VR 頭盔殼體內(nèi)顯示屏間距，現(xiàn)場(chǎng)模擬的聲音由耳機(jī)傳輸，雙手握住操控手柄進(jìn)行調(diào)控，在圖形工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)集成控制器的軟件配合下進(jìn)行全三維危險(xiǎn)實(shí)景體驗(yàn)及交互。

利用VR 頭盔，借助其陀螺儀功能的空間定位相互結(jié)合，可以讓使用者沉浸在1 個(gè)由軟件模擬的危險(xiǎn)實(shí)景環(huán)境中。用戶(hù)穿戴上VR 頭盔，拿起手持操控手柄、即進(jìn)行操作。

2 平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)

1）典型事故案例VR 深度交互。通過(guò)VR 交互的功能以及提供事故案例觀影模式，可以創(chuàng)新性地采用深度交互模式，同時(shí)用戶(hù)可以觸發(fā)一系列事件，改變事故的走向，完成虛擬參與到案例其中，深刻感受按規(guī)程操作的正確結(jié)果和違規(guī)操作帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

2）危險(xiǎn)源排查VR 實(shí)訓(xùn)考核。針對(duì)排查危險(xiǎn)源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了移動(dòng)-排查-提交的實(shí)訓(xùn)交互模式，通過(guò)交互手柄找尋危險(xiǎn)源，通過(guò)交互面板進(jìn)行危險(xiǎn)源的對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，通過(guò)提交成績(jī)菜單告知實(shí)訓(xùn)結(jié)果。該培訓(xùn)可以檢驗(yàn)員工對(duì)設(shè)備危險(xiǎn)源排查范圍和流程的熟悉程度，考察員工對(duì)危險(xiǎn)源狀態(tài)和隱患判別認(rèn)定的準(zhǔn)確度，強(qiáng)化各工種員工對(duì)自身排查項(xiàng)目的掌握程度。

3）全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋參訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋參訓(xùn)平臺(tái)是綜合涉及到典型案例、危險(xiǎn)源排查的虛擬平臺(tái)，因此針對(duì)用戶(hù)需求其功能不僅有現(xiàn)場(chǎng)觀看模式，還有深度交互操作?；谶@些特點(diǎn)建立1 個(gè)基礎(chǔ)的虛擬仿真平臺(tái)，以達(dá)到對(duì)整個(gè)軟件的模型材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)制作、導(dǎo)向邏輯控制、操作邏輯控制以及工具調(diào)用的協(xié)同管理。此平臺(tái)是以Unity3D 為核心進(jìn)行開(kāi)發(fā)，內(nèi)容開(kāi)發(fā)完成后與沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)（VR 頭盔套裝）進(jìn)行對(duì)接，將內(nèi)容發(fā)布到沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行顯示，并使用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)配套交互追蹤系統(tǒng)和操作手柄實(shí)現(xiàn)虛擬深度交互操作。

4）功能化設(shè)計(jì)與模塊定制。針對(duì)事故導(dǎo)向、正確操作和錯(cuò)誤操作，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景功能與應(yīng)用功能設(shè)計(jì)，在沉浸式環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)交互控制，并在符合物理邏輯順序的基礎(chǔ)上，通過(guò)導(dǎo)航式觸控交互點(diǎn)進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)。對(duì)多個(gè)分支的互動(dòng)操作，由于有些事件過(guò)程會(huì)出現(xiàn)多個(gè)需判斷走向的交互分支，因此將采用射線的方式根據(jù)提示區(qū)的提示選擇需要再次交互的程序，選擇的程序事件將載入當(dāng)前環(huán)境中。由于現(xiàn)實(shí)需求的不斷變化，導(dǎo)致新的功能需求出現(xiàn)，或原有的功能需要更新、廢除時(shí)，滿(mǎn)足新需求的功能模塊可以隨時(shí)方便地添加，舊功能模塊可以隨時(shí)快捷地修改、更新、廢除。

5）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)硬件配置。整體裝置由VR 頭盔套裝、服務(wù)器、主交換機(jī)、路由器、集成控制器、工作站等構(gòu)成，在使用場(chǎng)地建立內(nèi)部局域網(wǎng)，應(yīng)用系統(tǒng)采用3 層架構(gòu)，即客戶(hù)端軟件、瀏覽器/應(yīng)用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，OOP（面向?qū)ο螅┓绞竭M(jìn)行基礎(chǔ)運(yùn)行框架搭建。將應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器分離，其間通過(guò)高速以太網(wǎng)連接。在客戶(hù)端部署專(zhuān)用軟件及捆綁專(zhuān)用瀏覽器，主干可通過(guò)快速以太網(wǎng)，為大量數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)查詢(xún)提供足夠帶寬。在設(shè)計(jì)模式上應(yīng)用了技術(shù)領(lǐng)先的MVC 模式，保證了系統(tǒng)的高可擴(kuò)展及高可維護(hù)性等。

3 應(yīng)用案例

1）煤礦典型事故案例。案例設(shè)計(jì)以“電鏟掉石塊砸電纜事故”為例，當(dāng)電鏟車(chē)司機(jī)即將進(jìn)行回轉(zhuǎn)操作時(shí)（此時(shí)為既定動(dòng)畫(huà)），駕駛室前擋風(fēng)出現(xiàn)電子圖標(biāo)（動(dòng)態(tài)效果，提示駕駛員觀察四周），同時(shí)語(yǔ)音提示（“請(qǐng)遵守鏟車(chē)作業(yè)規(guī)范，作業(yè)前注意檢查作業(yè)環(huán)境，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，作業(yè)過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注地面監(jiān)護(hù)員發(fā)出的提示與指令！”）。語(yǔ)音結(jié)束后，駕駛室前擋風(fēng)出現(xiàn)懸浮圖標(biāo)，手柄觸碰不同圖標(biāo)，會(huì)觸發(fā)不同事件。觸碰觀察四周圖標(biāo)后駕駛員將轉(zhuǎn)動(dòng)駕駛艙，觀察到地面監(jiān)督員正在做旗語(yǔ)動(dòng)作，提示地面有電纜，規(guī)避掉事故風(fēng)險(xiǎn)（動(dòng)畫(huà)）。而觸碰盲目操作圖標(biāo)駕駛員將盲目操作，未能觀察到監(jiān)督員提示信息，進(jìn)入既定動(dòng)畫(huà)播放流程（事故發(fā)生）。

2）露天煤礦危險(xiǎn)源排查。危險(xiǎn)源排查以平路機(jī)檢查為例。預(yù)設(shè)危險(xiǎn)源位置，且均集中于設(shè)備外觀可見(jiàn)部位，不涉及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)主動(dòng)觀察發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源后按壓控制鍵，觸發(fā)選擇項(xiàng)會(huì)直觀的在界面顯示出來(lái)。通過(guò)固定語(yǔ)音提示，能夠判斷危險(xiǎn)源是否存在隱患；進(jìn)而根據(jù)語(yǔ)音提示，指示隱患事由，判斷是否選擇為潛在危險(xiǎn)要素。最后現(xiàn)場(chǎng)給出考核成績(jī)單。

4 結(jié)語(yǔ)

基于VR 技術(shù)的全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋培訓(xùn)平臺(tái)利用最新的VR 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)、HMD（頭戴式可視設(shè)備Head Mount Display）設(shè)備及高端圖形工作站，建立“全三維危險(xiǎn)實(shí)景動(dòng)態(tài)反饋參訓(xùn)平臺(tái)”，大力改善了神寶能源露天煤礦培訓(xùn)數(shù)字化程度，確實(shí)提高了企業(yè)培訓(xùn)效率和水平，可以真正幫助實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)，助力企業(yè)進(jìn)入數(shù)智化新時(shí)代。