地下礦山安全虛擬實訓平臺建設

張柏 ，寇向宇 ，張翼翔 ，鄢德波 ，李沛俊 ，王亞萍

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

由于我國資源分布的特殊性，礦產資源多以地下礦產為主，而開采地下礦產資源相對復雜，經常出現(xiàn)冒頂片幫、透水、火災、爆炸等安全事故，使國家與企業(yè)遭受重大的財產損失及人員傷亡。為加強非煤地下礦山的安全生產工作，國家相關部門經過多年的不懈努力，建成了《安全生產法》《礦山安全法》《礦山安全法實施條例》《安全生產許可證實施條例》等法律法規(guī)來規(guī)范礦企的生產作業(yè)工作。但是隨著社會結構的不斷變化，礦山企業(yè)中的人員流動也越來越快，人員的安全意識、人員素質參差不齊，安全體系和安全培訓工作的形式落后，礦業(yè)院校教育模式單一等問題都對礦山企業(yè)安全管理和礦業(yè)院校教育工作造成了一定的影響。因此，有必要對礦山企業(yè)安全培訓和礦業(yè)院校教育的模式進行改進，將虛擬仿真技術應用到礦山安全的培訓教育中，構建完整統(tǒng)一的安全虛擬實訓平臺，幫助學員有效掌握安全理論知識，指導學員開展各項創(chuàng)新活動，提高礦山企業(yè)和礦業(yè)院校安全培訓教育的效率和質量，培養(yǎng)滿足信息化時代要求的專業(yè)人才，實現(xiàn)礦山企業(yè)員工招聘和礦業(yè)院校人才培養(yǎng)的無縫對接，并為企業(yè)和高校自身樹立良好的標桿形象。

安全貫穿于企業(yè)生產全過程，安全教育培訓和管理是保障礦山企業(yè)生產和效益的前提條件，為此，國內許多學者在安全教育培訓方面進行了大量的研究工作。張志勇等[1]從信息安全類課程教學與實踐兩大環(huán)節(jié)中的共性問題入手，在分析信息安全技術課程實際教學活動的基礎上，提出教學內容點面結合、教學實踐知行合一的內容安排與學生認知評價體系，該教學模式在信息安全工程與應用型本科人才培養(yǎng)中取得了較好的效果，達到了厚基礎、重實踐的培養(yǎng)目標；陽富強等[2]結合安全工程專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀，構建了多層次、多模塊虛擬仿真實驗教學體系，重點建設消防工程學、機械安全、建筑安全、化工安全等四大領域的虛擬仿真教學平臺，從校內資源共享、校際平臺分享、社會服務 3個方面分析了本專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的應用前景；王睿等[3]分析了海洋地質專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀，提出了進行虛擬仿真實驗教學平臺的建設思路，以及以海洋專業(yè)特色和海洋科學研究領域最新成果為導向，在教學資源、教學終端、教學資源管理平臺和教學環(huán)境平臺4個方面的建設內容。

虛擬仿真實驗教學是信息技術促進實驗教學改革與創(chuàng)新的產物[4]，也是高等教育信息和實驗教學示范中心建設的重要內容[5]；礦業(yè)虛擬仿真教學實驗室[6]是礦業(yè)實驗室與虛擬仿真技術融合的產物，是礦業(yè)院校實驗教學的重要組成部分；在地質學中[7]，國內外高校已經將虛擬仿真技術應用到教學中，使其打破了傳統(tǒng)教學的時空限制。

劉方等[8]鑒于目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實訓課程中無充足的設備用于實驗，開發(fā)并實現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)虛擬實訓平臺，通過平臺無須連接真實分站和傳感器即可對各類測點數據進行定義，并能驗證參數設置的正確性，從而達到節(jié)約成本、提高實訓質量的目的。

1 安全虛擬實訓平臺設計

1.1 系統(tǒng)架構

地下礦山安全生產實訓平臺系統(tǒng)設計架構如圖1所示。

圖1 礦山安全生產實訓平臺系統(tǒng)設計架構

（1）硬件層為本系統(tǒng)提供了硬件基礎，主要包含工作站、三維立體投影系統(tǒng)、ⅤR頭盔、模擬器等。

（2）數據層統(tǒng)一管理仿真實踐培訓系統(tǒng)的所有數據，包含三維模型庫資料、用戶資料、培訓資源、視頻動畫等。

（3）管理層是不同用戶對本系統(tǒng)相關業(yè)務進行日常操作、查看及管理。

（4）應用層為本系統(tǒng)核心層，包含安全生產實訓視頻、安全虛擬實訓系統(tǒng)、設備虛擬實訓系統(tǒng)。

（5）表示層為本系統(tǒng)面對的用戶包括領導、員工、管理員。

1.2 業(yè)務流程

地下礦山安全虛擬實訓平臺以安全教育培訓與生產培訓為內容核心，以礦山操作人員、檢修人員、現(xiàn)場管理人員、臨時參觀人員為主要培訓對象，培訓師及管理人員輔助開展培訓工作，其設計業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 設計業(yè)務流程

1.3 系統(tǒng)部署

地下礦山安全虛擬實訓平臺、數據服務器統(tǒng)一部署在礦山技術中心網絡機房，為了使各使用者及相關單位既可以通過局域網訪問，也可以通過應用服務器發(fā)布到外網，方便領導或其他人員通過 PC端進行外網訪問本系統(tǒng)，應用服務器內外網分開設置兩臺服務器，后臺共享數據庫服務器。系統(tǒng)設計部署如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設計部署

2 安全虛擬實訓平臺開發(fā)

2.1 開發(fā)目標

地下礦山安全虛擬實訓平臺開發(fā)的總體目標是汲取國內外先進培訓管理和方法的精華，結合自身安全實訓需求實際情況，緊緊圍繞安全生產根本任務，適應經濟社會快速發(fā)展對人員的安全培訓、實訓新要求，以提高員工的安全意識和設備操作實踐為核心，以現(xiàn)代信息技術為依托，以礦山安全生產培訓、常用設備和常見安全事故內容為指向，以完整的安全仿真培訓項目為基礎，建設礦山安全虛擬實訓系統(tǒng)，采用虛擬仿真+三維動畫+信息化平臺，開啟易于接受、易于理解的培訓新模式，可視化表達安全生產知識點，有效提高安全培訓質量。

2.2 開發(fā)原則

地下礦山安全虛擬實訓平臺從礦山的實際業(yè)務管理模式出發(fā)，在開發(fā)上應充分考慮到今后系統(tǒng)運行管理的經濟性、安全性和可靠性。在采用成熟先進的主流技術和主流產品的基礎上，在技術開放和高度集成的基礎上，進行高層次的應用開發(fā)，使系統(tǒng)易用、易維護、易擴展且高度安全可靠。具體開發(fā)遵循實用性、先進性、標準化、可視化和可維護性的原則。

2.3 開發(fā)內容

2.3.1 安全生產實訓視頻

（1）下井安全實訓視頻。礦山企業(yè)崗位基數大，生產過程中會持續(xù)有新入礦的施工人員及不定期接待的參觀人員，下井安全須知培訓需求量大。傳統(tǒng)實景拍攝的視頻剪輯表達方式有限，拍攝機位受限，難以生動表達安全須知的內容，且井下現(xiàn)場拍攝光線不理想，畫面效果不佳，難以達到塑造現(xiàn)代化礦山企業(yè)形象的目標。本視頻通過三維畫面直觀生動地展現(xiàn)各項下井安全須知細節(jié)，使觀看者快速和全面地接受培訓內容，從而提高礦山安全水平；高質量的畫面制作，細致的場景仿真，可充分展現(xiàn)安全、綠色的現(xiàn)代礦山風貌。部分下井安全須知畫面效果如圖4所示。

圖4 下井安全須知畫面效果

（2） 生產認知實訓視頻。如何向新入礦的施工人員及不定期接待的參觀人員快速直觀地展現(xiàn)礦山總體面貌，全面講解生產系統(tǒng)構成、工藝特點、裝備及技術水平，需要用到三維CG工業(yè)動畫的方式。本視頻的創(chuàng)作是地下礦山井上井下的三維場景仿真，通過CG技術手段，展現(xiàn)礦山生產狀態(tài)及發(fā)展規(guī)劃，重點突出礦山工業(yè)的現(xiàn)代化、機械化、自動化水平，塑造標桿礦山的企業(yè)形象。部分生產認知畫面效果如圖5所示。

圖5 生產認知畫面效果

2.3.2 安全虛擬實訓系統(tǒng)

礦山現(xiàn)有的安全培訓方式較為原始，下井前安全培訓采用的視頻過于陳舊。單次培訓的效果難以達到預期，需要重復多次培訓。通用技術培訓需要人工講解，難以短期重復，只能在技術使用中逐漸熟悉。通過安全虛擬實訓平臺的學習，使下井人員切身體驗施工過程中可能發(fā)生的各種危險場景，并掌握相應的防范知識及應急措施，實現(xiàn)礦山安全教育和培訓演練的目的（見圖6）。

圖6 礦山安全事故實訓ⅤR體驗

2.3.3 設備虛擬實訓系統(tǒng)

生產實訓平臺主要服務于生產設備崗位操作的培訓，通過虛擬實訓，員工可以在實訓基地體驗高度還原的井下生產仿真場景，熟悉崗位工作內容，統(tǒng)一、規(guī)范、科學地培訓學員對機械操縱及車輛駕駛，彌補現(xiàn)場培訓容易遺漏知識點、場景單一、存在潛在安全風險等不足。隨著礦山機械化的快速發(fā)展，各類采掘及輔助設備越來越受到各大礦山的青睞，如何安全、高效培訓設備操作人員，成為礦山的一個重要課題。

通過虛擬仿真與實體模擬器的結合，讓體驗者在一個虛擬的駕駛環(huán)境中感受到接近真實效果的視覺、聽覺的設備操作體驗，進行生產裝備操作崗位的培訓，幫助不同崗位的司機及設備操作工人了解崗位職責，熟悉所操縱設備的組成與結構，掌握正確的使用及維護方法，掌握設備點檢和交接班等工作流程。

2.3.4 虛擬實訓管理系統(tǒng)

培訓作為礦山案例生產保障的重要一環(huán)，應作為數字礦山建設的一部分。培訓的記錄、成績的匯總數據應與礦山管理體系融為一體，這需要所有的培訓資料、培訓考核、課程管理數據集中在一個信息平臺來管理。應創(chuàng)建統(tǒng)一的培訓管理數據中心，有效管理受訓者的培訓檔案、各類培訓資料，實現(xiàn)在線共享，促進培訓管理水平的提高。

（1）培訓檔案管理。以職工入礦為起始，建立培訓管理檔案，使管理者和教員準確掌握職工的培訓記錄、培訓進度等信息，有針對性地開展培訓工作。功能包括：組織機構管理、實訓任務管理、賬號管理、培訓記錄管理、系統(tǒng)權限管理。

（2）培訓資源管理。培訓資源管理模塊具有上傳、下載、分享、查看的功能，各類虛擬仿真培訓資源可按類別在系統(tǒng)有序地歸類管理，從資源列表中可預覽資源詳情頁面。管理員具有資源查看、資源上傳管理、資源下載管理、資源使用情況統(tǒng)計分析的權限。功能包括：培訓資源管理基礎功能、培訓資源使用記錄、培訓資源使用權限管理和培訓資源使用統(tǒng)計。

3 安全虛擬實訓平臺應用

安全虛擬實訓平臺在礦山企業(yè)崗位培訓和礦業(yè)院校學科教育等方面具有較大的市場前景，應對其進行推廣及應用。

（1）礦山企業(yè)崗位培訓。對于礦山企業(yè)來說，安全虛擬實訓平臺的使用將有助于提高全礦人員的安全意識，為企業(yè)的安全生產奠定堅實的基礎，同時能減少傷亡事故的發(fā)生，提高生產效率，為企業(yè)帶來巨大的使用價值，也為企業(yè)自身樹立示范性標桿。

（2）礦業(yè)院校學科教育。對于礦業(yè)院校來說，安全虛擬實訓平臺的使用將有助于學生對所學專業(yè)知識有更加清晰的認知和體驗，充分調動學生的學習主動性，提高教師的教學效率，節(jié)約學生的現(xiàn)場實習成本，并為學生步入礦山實習和工作打下扎實的基礎，同時也使學校自身的特色學科教學得到了升華。

4 總結與展望

我國80%以上的安全傷亡事故都是由于違章指揮、違章作業(yè)、違反勞動紀律造成的，加強安全教育培訓、提高作業(yè)人員安全素質是增強安全管理力度、減少傷亡事故發(fā)生的有效措施。地下礦山安全虛擬實訓平臺的建立，改變了以往傳統(tǒng)的礦山企業(yè)崗位培訓和礦業(yè)院校學科教育模式，通過安全警示教育視頻，礦山安全事故實訓ⅤR體驗，生產設備虛擬實訓操作臺等方式，激發(fā)了受訓人員的興趣，改善了企業(yè)安全教育培訓和院校學科教育的質量，提高了受訓人員的安全素質，最終增強了企業(yè)安全管理的力度，減少了傷亡事故發(fā)生，提升了礦山安全培訓管理和院校學科教育水平，為礦山企業(yè)和礦業(yè)院校帶來了巨大的經濟效益和社會效益，也為其他相關企業(yè)和院校的安全培訓管理和學科教育工作提供了一定的借鑒及參考。