元宇宙技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練中的可行性研究

郭泱泱

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、地質(zhì)條件多變、機(jī)電設(shè)備眾多、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，頂板、瓦斯、機(jī)電、運(yùn)輸、放炮、火災(zāi)、水害等各類(lèi)事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：從2011 年到2020 年，全國(guó)煤炭企業(yè)共計(jì)死亡7 770 人，2020 年全國(guó)煤礦百萬(wàn)噸死亡率為0.059%[1]。煤礦事故發(fā)生的原因是多方面的，其中安全培訓(xùn)不到位、應(yīng)急演練形式化是原因之一。因此，提升煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練水平，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，以及出現(xiàn)險(xiǎn)情后礦工全員自救、互救和科學(xué)防災(zāi)救災(zāi)能力等都有極其重要的意義。

目前，煤礦對(duì)工人的災(zāi)害安全培訓(xùn)主要采用手冊(cè)培訓(xùn)、安全理論講解培訓(xùn)以及視頻培訓(xùn)等方式，應(yīng)急演練缺少通過(guò)特定的預(yù)案（腳本），設(shè)定災(zāi)害類(lèi)型、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)來(lái)實(shí)施，導(dǎo)致一線員工在培訓(xùn)中對(duì)安全內(nèi)容理解不深，而參與應(yīng)急演練又重視不夠，重“演”輕“練”，形式化嚴(yán)重；一些煤礦雖然意識(shí)到應(yīng)急演練的重要性，但礙于條件限制、經(jīng)驗(yàn)欠缺等原因，導(dǎo)致其在演練內(nèi)容時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)單且不切合實(shí)際，無(wú)法真正發(fā)揮演練作用。

煤礦開(kāi)采一直是一項(xiàng)高危行業(yè)，井下地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜、機(jī)電設(shè)備數(shù)量眾多、作業(yè)人員素質(zhì)參差不齊等“人機(jī)環(huán)管”問(wèn)題，都有可能成為煤礦災(zāi)害事故發(fā)生的誘因。因此，加強(qiáng)煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練，增強(qiáng)一線工人安全防范意識(shí)，提高安全技能和對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力，杜絕違規(guī)作業(yè)，消除生產(chǎn)中可能存在的各種隱患，對(duì)于降低各類(lèi)災(zāi)害的發(fā)生、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。以前，煤礦災(zāi)害安全培訓(xùn)一直依賴(lài)于手冊(cè)和多媒體教學(xué)，而應(yīng)急演練現(xiàn)場(chǎng)感、真實(shí)感不強(qiáng)，如何給煤礦一線工作人員提供“沉浸”式的體驗(yàn)，提高培訓(xùn)和演練效果是亟待解決的問(wèn)題。

1 元宇宙技術(shù)

1.1 元宇宙技術(shù)的概念

近年來(lái)，隨著VR、AR、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦企業(yè)在信息化領(lǐng)域不斷加大投入，煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練迫切需要采用更先進(jìn)的信息技術(shù)手段，以促進(jìn)其效果的提高。元宇宙可以實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)體的深度融合，建立起虛擬世界與實(shí)體世界的深度聯(lián)通，打破橫亙于虛擬世界與實(shí)體世界之間的壁壘，該技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練中的應(yīng)用，有助于全面提升礦工的安全意識(shí)和面對(duì)突發(fā)事故的應(yīng)對(duì)能力。

2021 年，元宇宙（Metaverse）一詞及其背后關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)際IT 界火爆出圈，獲得了極高的關(guān)注度，而Facebook 于2021 年10 月29 日改名Meta，將這一潮流推向了一個(gè)高潮。目前普遍認(rèn)為，元宇宙是互聯(lián)網(wǎng)的下一個(gè)階段[2-3]。那什么是元宇宙呢？Facebook 總裁馬克·扎克伯格將其描述為一個(gè)隨時(shí)可以進(jìn)入的“虛擬世界”；亞馬遜馬修·鮑爾認(rèn)為“元宇宙是一個(gè)持久、同步和實(shí)時(shí)的宇宙，它將跨越數(shù)字和物理世界，完全包容”。元宇宙看起來(lái)似乎是一個(gè)新生事物，但實(shí)際元宇宙一詞源于1992 年美國(guó)小說(shuō)家斯蒂文森撰寫(xiě)的科幻小說(shuō)《雪崩》（Snow Crash）。該小說(shuō)中描述的元宇宙是一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界平行的虛擬世界，所有人都可以在虛擬世界中有一個(gè)不同于現(xiàn)實(shí)世界的獨(dú)立身份[2-4]。

為了弄清元宇宙技術(shù)，需要先將其所包含的AR、VR、3D、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)逐個(gè)進(jìn)行分析。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，縮寫(xiě)為AR）技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂(lè)、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的兩種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，縮寫(xiě)為VR）是20 世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新技術(shù)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感；3D 顯示技術(shù)是一種新型顯示技術(shù)，與普通2D 畫(huà)面顯示相比，3D 技術(shù)可以使畫(huà)面變得立體逼真，圖像不再局限于屏幕的平面上，仿佛能夠走出屏幕外面，讓觀眾有身臨其境的感覺(jué)；區(qū)塊鏈?zhǔn)切畔⒓夹g(shù)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)于其中的數(shù)據(jù)或信息具有“不可偽造”“全程留痕”“可以追溯”“公開(kāi)透明”“集體維護(hù)”等特征[5-7]；數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程，是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)；人工智能（Artificial Intelligence，縮寫(xiě)為AI）是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)新的技術(shù)科學(xué)；物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡(jiǎn)稱(chēng)IoT）是指通過(guò)各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過(guò)各類(lèi)可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理，它是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

目前，游戲公司元宇宙技術(shù)趨之若鶩，F(xiàn)acebook、微軟以及國(guó)內(nèi)的騰訊、字節(jié)跳動(dòng)等互聯(lián)網(wǎng)巨頭都不惜重金投入到元宇宙研發(fā)、落地和實(shí)踐項(xiàng)目中（圖1）。以游戲?yàn)檩d體的元宇宙概念正在各行各業(yè)蓬勃發(fā)展，元宇宙絕不只是游戲，而是一個(gè)包羅萬(wàn)象的未來(lái)生態(tài)。這個(gè)生態(tài)在新冠疫情期間已嶄露頭角，2020 年4 月美國(guó)著名流行歌手Travis Scott 在吃雞游戲《堡壘之夜》中，以虛擬形象舉辦了一場(chǎng)虛擬演唱會(huì)，吸引了全球超過(guò)1 200 萬(wàn)玩家參與其中；全球AI 學(xué)術(shù)會(huì)議ACAI 把2020 年的研討會(huì)放在了任天堂的《動(dòng)物森友會(huì)》上舉行；而中國(guó)傳媒大學(xué)為了不讓學(xué)生因?yàn)橐咔殄e(cuò)過(guò)畢業(yè)典禮，在沙盤(pán)游戲《我的世界》里重建了校園，學(xué)生以虛擬化身齊聚一堂完成儀式。NVIDIA Omniverse 是英偉達(dá)2021 年4 月推出的面向企業(yè)的實(shí)時(shí)仿真和協(xié)作平臺(tái)，被稱(chēng)為“工程師的元宇宙”，專(zhuān)用于處理3D 制作流程，已經(jīng)有超過(guò)17 000 名客戶(hù)進(jìn)行了測(cè)試體驗(yàn)，包括寶馬、愛(ài)立信、沃爾沃、Adobe、Epic Games 在內(nèi)的眾多公司都正參與Omniverse 合作[2]。

圖1 騰訊的元宇宙架構(gòu)Fig.1 Tencent’s Metaverse architecture

1.2 元宇宙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）場(chǎng)景感強(qiáng)

煤礦行業(yè)作為高危險(xiǎn)性行業(yè)，需要高度重視對(duì)從業(yè)人員的安全教育，而在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練的環(huán)節(jié)應(yīng)用元宇宙技術(shù)有突出的優(yōu)勢(shì)。元宇宙通過(guò)三維制作工具構(gòu)建出高保真度的煤礦井下三維模型，創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景，并連接井下各類(lèi)傳感器，了解井下實(shí)際狀況，將井下的真實(shí)情況如實(shí)反映到元宇宙場(chǎng)景中去，利用大數(shù)據(jù)算法建立高仿真的災(zāi)害腳本，參演人員可以直觀感受災(zāi)害場(chǎng)景，提高面對(duì)突發(fā)事件時(shí)的心理素質(zhì)和應(yīng)變能力[8-14]。

2）交互性強(qiáng)

參演人員通過(guò)VR 眼鏡、話筒、手套、頭盔等交互工具可以和元宇宙場(chǎng)景、其他參演人員進(jìn)行互動(dòng)，并在相應(yīng)環(huán)境中獲得自然反饋，用戶(hù)與用戶(hù)、用戶(hù)與環(huán)境之間的交互具有高度實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮、自救互救、次生災(zāi)害預(yù)防等多科目，這在以往的高仿真聯(lián)合演練難以進(jìn)行，有助于提升災(zāi)害發(fā)生時(shí)各部門(mén)的應(yīng)急反應(yīng)速度和綜合協(xié)調(diào)能力[8-14]。

3）知識(shí)轉(zhuǎn)化率高

與傳統(tǒng)應(yīng)急安全培訓(xùn)相比，元宇宙技術(shù)下的災(zāi)害演練和教學(xué)能夠?qū)?zāi)害的場(chǎng)景真實(shí)反映出來(lái)，加深煤礦一線人員對(duì)安全手冊(cè)的印象，快速提高其對(duì)應(yīng)急安全培訓(xùn)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)[8-14]。

2 元宇宙技術(shù)的可行性論證

2.1 技術(shù)可行性

元宇宙技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練中應(yīng)用，無(wú)論是仿真性還是系統(tǒng)性都能夠非常接近現(xiàn)實(shí)環(huán)境，其中設(shè)計(jì)的災(zāi)害腳本、井下模型可以重復(fù)利用和調(diào)節(jié)，而且能真實(shí)模擬較為復(fù)雜的多災(zāi)害和次生災(zāi)害場(chǎng)景。運(yùn)用這種模式進(jìn)行災(zāi)害培訓(xùn)和演練，既能提升煤礦工人面對(duì)煤礦災(zāi)害發(fā)生時(shí)的自救、互救意識(shí)和能力，又能確保培訓(xùn)和演練過(guò)程的效果與安全[15]。

1）元宇宙的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟

各類(lèi)VR/AR 游戲場(chǎng)景層出不窮，感官體驗(yàn)不斷提升。據(jù)預(yù)測(cè)：2022 年全球VR/AR 用戶(hù)將會(huì)突破25 億。Facebook、Google、微軟等巨頭也紛紛發(fā)布了自己的VR/AR 頭盔產(chǎn)品，VR/AR 技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)化方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[2-3]。與此同時(shí)，以Google Alfa Go 為代表的AI 技術(shù)已經(jīng)逐漸顯露出超強(qiáng)的運(yùn)算能力；以物聯(lián)網(wǎng)IoT 為核心的智慧城市、智慧交通等工程在各大城市相繼落地；數(shù)字孿生更是引入到了機(jī)場(chǎng)、碼頭、學(xué)校、礦山、醫(yī)院等諸多領(lǐng)域。元宇宙相關(guān)技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，更大規(guī)模的市場(chǎng)也逐漸孕育。

2）煤礦信息化數(shù)據(jù)有充足的來(lái)源

近年來(lái)，隨著智慧煤炭、智慧礦山不斷深化發(fā)展與推廣應(yīng)用，煤礦機(jī)電、監(jiān)測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化、信息化升級(jí)改造已逐步完成。打造元宇宙環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源已經(jīng)具備。隨著華為發(fā)布“礦鴻”系統(tǒng)，煤炭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)格式不一致、規(guī)格不統(tǒng)一、接口不確定的問(wèn)題也將逐步解決。數(shù)據(jù)作為元宇宙的靈魂已經(jīng)逐漸凝聚。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

目前，煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益較好，對(duì)于煤炭信息化、智能化投入逐漸增大。元宇宙技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練中還展現(xiàn)了極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，無(wú)需消耗實(shí)際應(yīng)急救災(zāi)資源，只需要進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和元宇宙環(huán)境搭建，對(duì)于各煤礦而言，元宇宙技術(shù)既能減少不必要的成本支出，又能提高煤礦一線工作人員的應(yīng)急救災(zāi)水平[16]。

2.3 政策可行性

最近幾年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)展得如火如荼，煤炭行業(yè)“兩化”融合取得成效。企業(yè)、院校加快推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、人工智能、元宇宙等技術(shù)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用，打造具有自主需求的智慧煤礦。

3 面臨問(wèn)題和研究方向

依據(jù)元宇宙的特性以及煤礦企業(yè)的實(shí)際現(xiàn)狀，元宇宙在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練的應(yīng)用，主要面臨如下問(wèn)題，也是今后的攻關(guān)方向。

首先，VR 設(shè)備將會(huì)是元宇宙中非常重要的一環(huán)[17]。能夠提供深度沉浸式體驗(yàn)的VR 設(shè)備將是元宇宙發(fā)展的關(guān)鍵。這將不僅僅是一個(gè)VR 眼鏡，而是全身的可穿戴裝備以及環(huán)境空間，能夠給用戶(hù)提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)甚至溫度、氣味等多維度的感官體驗(yàn)。從而幫助用戶(hù)真正打開(kāi)了虛擬和現(xiàn)實(shí)世界之間的大門(mén)。

其次，高度的視覺(jué)仿真依賴(lài)高精度的三維模型?，F(xiàn)有的三維模型搭建更多的是利用相關(guān)材質(zhì)的貼圖拼接，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)實(shí)中每寸都有不同的紋理，有不同的結(jié)構(gòu)。這將使用戶(hù)體驗(yàn)的真實(shí)感大大下降，也將導(dǎo)致所應(yīng)用的應(yīng)急演練事倍功半。因此高精度三維建模工具，高精度模型所依賴(lài)的數(shù)據(jù)，以及能夠支撐高精度模型的硬件設(shè)備都是以后研究的方向。

再次，算法是元宇宙的核心?，F(xiàn)有的算法難以支撐元宇宙以高度仿真的場(chǎng)景去模擬完整的煤礦災(zāi)害。煤礦中各類(lèi)傳感器的數(shù)值變化如何反映到虛擬世界？單一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化又對(duì)煤礦安全產(chǎn)生怎么樣的影響？這些都需要大量深入的研究，了解災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理。更深一步則需要揭開(kāi)大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈的復(fù)雜耦合效應(yīng)，此類(lèi)算法的研究依賴(lài)大數(shù)據(jù)和人工智能去進(jìn)行海量的計(jì)算和修正。

以上三點(diǎn)是目前元宇宙在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練的應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題以及今后為解決這些問(wèn)題所設(shè)立的研究方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

元宇宙技術(shù)充分結(jié)合了VR、AR、3D、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、AI、數(shù)字孿生等技術(shù)，具有仿真程度高、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于游戲、培訓(xùn)、社交等方面。

由于元宇宙具有直觀、交互性強(qiáng)和知識(shí)轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)，在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練中可很好地解決目前培訓(xùn)單調(diào)枯燥、演練走過(guò)場(chǎng)的問(wèn)題。無(wú)論是從技術(shù)方面、經(jīng)濟(jì)方面抑或是政策方面，元宇宙技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練都有著合適的土壤和發(fā)展空間。

雖然元宇宙從硬件、軟件到各種配套設(shè)施產(chǎn)品日趨成熟，目前仍面臨著VR 設(shè)備單一，三維模型仿真度低以及仿真模擬算法落后的問(wèn)題。但是，堅(jiān)信隨著智慧礦山的不斷推進(jìn)，元宇宙技術(shù)的不斷發(fā)展，本技術(shù)終將為煤礦及非煤礦山的安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練提供一個(gè)新的途徑。