虚拟现实技术在煤矿安全培训中的研究进展

智丽娜　韩晓东

摘 要： 介绍了虚拟现实技术在国内外煤矿安全培训中的应用现状，以及仿真技术与虚拟现实技术结合使用的发展趋势。将模拟仿真技术和虚拟现实技术应用于安全培训工作中，能使煤矿安全培训工作不受时间、空间、经费的限制。利用虚拟仿真教学系统进行分析讲解时，易于被不同文化层次的人员接受和理解，对于提高安全培训效果和质量具有一定的应用价值。

关键词： 虚拟现实技术； 模拟仿真技术； 煤矿安全培训； 虚拟仿真教学系统

中图分类号：TD79.1 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）09-67-02

Abstract： This paper introduces the current situation of virtual reality technology application in coal mine safety training at home and abroad， and the development trend of simulation technology and virtual reality technology. The application of simulation technology and virtual reality technology in the safety training work can make the coal mine safety training work get rid of the time， space and funding constraints. When using the virtual simulation teaching system to analyze and explain， it is easy to be accepted and understood by the personnel at different cultural levels， which has certain application value for improving the safety training effect and quality.

Key words： virtual reality technology； simulation technology； coal mine safety training； virtual simulation teaching system

0 引言

虚拟现实技术应用领域和交叉领域非常广，几乎到了无所不包，无孔不入的地步，虚拟技术战场环境如：虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造，虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，煤矿安全生产虚拟仿真训练，电力安全仿真培训系统，安全仿真训练系统等。它的发展，从根本上改变了人们的工作方式和生活方式，有可能将劳和逸真正结合起来，让人们在享受环境中工作，在工作中得到享受。

煤矿生产是在复杂的自然条件下从事煤炭开采，五大自然灾害时刻威胁着煤矿的安危。煤矿灾害事故还不能得到有效的控制，给国家和人民的生命财产造成巨大损失。事故发生原因有煤矿生产自然条件和人的安全意识行为两个方面的原因，但主要根源在于职工的安全意识淡漠和安全技能素质低下。面对严峻的煤矿安全形势，目前急需加大科技投入，改变煤矿的不安全状况。按照国家有关法律法规对职工的生产行为进行规范，加强煤矿安全技术培训工作，强化职工安全意识。煤矿虚拟仿真教学系统的开发，主要是为了提高职工安全培训效果，使整个学习培训过程更加生动有效。

1 虚拟现实技术在国内外煤矿安全培训中的现状

英国诺丁汉大學[1-3]最早应用虚拟现实技术于矿山企业安全培训项目，并最早开发了称为“革命性”的安全培训软件，主要应用在安全生产实践中培训露天矿汽车司机，在常规安全监察中培训和测试新矿工，在事故反应中培训和测试矿山救护队，同时还用于类似以往的虚拟事故的防治，修改的虚拟环境用于评估潜在的防治策略的正确性和合理性。

中国科学技术大学、中国矿业大学（北京）[4-7]、东北大学、太原理工大学等高校科研院所也对虚拟现实技术在矿井生产环境和灾害表现等方面进行了初步探讨，在矿井环境的三维建模以及爆炸、燃烧、烟雾的生产和表现技术上有了一定的成果，主要应用于煤矿事故场景模拟、事故汇报和煤矿安全培训等。

2011年7月，澳大利亚新南威尔士州纽卡斯尔（Newcastle）矿山救护站成为新南威尔士州4个矿山救援培训中心中第一个升级到等级三弟啊虚拟现实技术的培训中心。纽卡斯卡矿山救护站站内拥有直径为10m的3D立体环幕视景仿真环境，120㎡的屏幕可以实现360?视觉沉浸感，让学员体验玩去身临其境的矿山环境。该救护站可以同时容纳15～20名学员进行虚拟矿山进行安全培训。

北京金视和科技有限公司利用现代高科技成果，根据国内虚拟现实行业发展现状，自主研发了一系列用于不同行业的虚拟现实解决方案产品。煤矿安全生产仿真系统以《煤矿新工人岗前安全培训教材》大纲为基础架构，严格按照教材中的内容进行创作，保证了培训知识的准确无误。并且具有极强的可复制性，全国各地所有的煤矿都可以直接应用。其中，对于重点的知识信息，还聘请了专业的播音员进行声音的录制，让整个培训过程从视觉、听觉和操作等多个方面同时进行。该系统以全新的虚拟现实和三维仿真技术为基础，结合真实的井下环境，核心研发团队对国内山西省、内蒙古自治区、山东省等地煤矿进行了为期几个月的井下环境采集，利用虚拟现实技术构建出一个带有物理规则和灾害推演规则的三维场景。场景可以模拟灾害发生时的地形，建筑，物品设施，人物角色，次生灾害（爆炸，火灾，水灾和有毒烟雾）和天气（雨，雪）等三维表现以及灾难现场发出的声音，整个场景是在灾难事件规则，推演规则和物理规则的作用下运行，使体验者产生亲临灾害发生地的感觉，并在教学培训系统的指导下正确的对灾害实施救援或者正确的规避灾害事故。endprint

2 传统煤矿安全培训形式与虚拟仿真教学系统对比

目前我国煤矿行业安全培训模式和培训手段仍然处于落后状态，远远落后于科技进步的步伐。培训手段是决定教学效果的重要因素，传统的培训方式存在的缺陷主要表现在以下方面。

⑴ 课堂理论教学：内容抽象、枯燥、理论与现场脱节、培训效果差；

⑵ 实验教学（主要指模型教学）：成本高、教学效果不明显、不易于煤矿企业自行开展周期性的培训工作；

⑶ 电化教学：缺乏双向交流、教学手段单一、很多场面无法真正实现。

虚拟仿真教学系统紧紧围绕着煤矿安全生产，搭建了完整的、系统的、可视化的应用平台。该系统由两大部分构成，分别为理论培训和实战操作培训，提供基于虚拟现实的人机交互演练，大幅度提升学员的实际操作能力和安全防范意识。功能不仅包括五大自然灾害，还包括煤矿三大基本采煤方式及事故自救与互救等。以三维立体化的方式呈现，以三维空间为基础，以设备、设施为元素，将巷道现状制成专业模块便于操作演示。工作人员利用做好的三维立体模块，模拟事故现场并开展各种预案推演，现场模拟，并能够进行仿真教学培训。

虚拟仿真教学系统开发周期短，煤矿井下环境大同小异，基本都是巷道布局的变化，该教学系统可以根据市场反馈信息快速改进。目前市场的培训类产品大多是传统的多媒体形式，内容一成不变，形式枯燥乏味，已经成为安全培训过程当中走过场的环节。煤矿虚拟仿真教学系统全新的虚拟现实和三维仿真形式，能给用户带来身临其境的感受，仿佛置身井下巷道之中，所有的设备和环境都立体的呈现在眼前，真实的带入感结合标准的培训内容。交互式操作方式能让体验者更加深刻的学习安全培训知识。

3 结束语

为了更好地开展煤矿安全培训工作，适应形势的发展，必须要提高煤矿安全教学工作质量，创新煤矿安全培训方法。将模拟仿真技术和虚拟现实技术应用于煤矿安全培训工作中，不仅可以降低煤矿事故高伤亡率和高损失率，而且能够降低安全培训成本，使煤矿安全培训工作不受時间、空间、经费的限制。该培训模式对于提高安全培训效果和质量具有一定的应用价值。

参考文献（References）：

[1] Schofield D.Denby B， Mo Clamon D.Compulter Graphice

and Virtual Reality in the Mining Industry[J]. Mining Magazine，1994.11.

[2] Schofield D，Denby B，Hollands R.Mine Safety in the

Twenty-first Century.The Application of Conputer Graphics and Virtual Reality[C]. Mine Health and Safety Management Littleton，Colorado SME，2001.11.

[3] Noond，J，Schofield D，March J，etal.Visualising the Scens

Computer Graphice and Evidence Presentation，Science and Justice[J]. Joumal of The Forensic Science Society，2002.6.

[4] 戚宜欣，夏征义，汪箭等.虚拟现实技术在安全工程中的应用[J].

中国安全科学学报，1999.6.

[5] 陈福，傅贵，李东玉.虚拟现实技术在矿井瓦斯爆炸模拟中的

应用[J].煤炭科学技术，2003.3.

[6] WANG Bing-jian ZHOU Xin-quan，ZHANG Ya-wei etal.

Application of Virtual Reality Technology in Coal Mine Safety Field[C]. Progress in Safety Science and Technology 2006.

[7] 王兵建，周心权，张亚伟等.虚拟现实在煤矿肿大事故调查分

析中的应用[J].煤矿安全，2006.9.endprint