基于虛擬現實的煤礦可視化安全培訓研究?

劉 屹 胡凌鳳 譚章祿

(中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083)

★煤炭科技·機電與信息化★

基于虛擬現實的煤礦可視化安全培訓研究?

劉 屹 胡凌鳳 譚章祿

(中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083)

煤礦安全培訓普遍存在著教師資源匱乏、培訓方式單一、培訓內容陳舊和學員缺乏積極性等問題,而虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和構想性等特點,是提高煤礦安全培訓效果的有效技術手段。通過綜合利用CAVE系統、單屏全息系統以及多人協同系統等多種虛擬現實裝備,將其應用于不同的煤礦安全培訓場景,并構建全面支撐虛擬現實裝備運行和支持各類安全培訓內容的軟件支撐平臺,從而提供了一套基于虛擬現實技術的煤礦可視化安全培訓解決方案,能夠有效地解決煤礦安全培訓面臨的諸多問題,對煤礦安全培訓工作具有較好的應用價值。

虛擬現實 安全培訓 可視化

在煤礦各類事故中,人員違章是造成事故的常見原因,因此,通過現代化的培訓手段提高煤礦工人的安全意識和安全技能,是提高煤礦安全生產水平的必要途徑。

1 煤礦安全培訓現狀

國家安全生產監督管理總局頒布了《安全生產培訓管理辦法》、《煤礦安全培訓規定》和《生產經營單位安全培訓規定》,對生產經營單位在安全培訓中應當承擔的責任做出了明確規定,也對各級政府和監管部門提出了對生產經營單位的安全培訓進行監管的具體要求。目前,煤礦普遍建立起了對員工進行安全培訓的專門機構,煤礦各類人員基本能夠按照有關要求接受培訓。然而,煤礦安全培訓中依然存在著以下幾種比較突出的問題:

(1)教師資源匱乏。盡管各煤礦培訓機構健全,但煤礦偏僻的地理位置和相對惡劣的作業環境,難以吸引高素質教師資源,很多煤礦的教師基本是由有一定經驗的年紀較大的井下工人擔任。

(2)培訓方式單一。在教學方式上,各煤礦培訓機構普遍采用傳統的教師授課方式,教師站在臺上講授安全知識,學員在臺下聽課,這種單調的授課方式難以保證培訓效果。

(3)培訓內容陳舊。在培訓內容方面,許多教師多年使用陳舊的培訓講義,培訓內容無法與新技術、新裝備和新工藝同步更新,導致學員通過安全培訓掌握的知識難以學以致用。

(4)學員積極性不足。學員普遍對接受安全培訓的積極性不足,一方面是由于煤礦工人的學歷水平普遍較低,沒有良好的學習意識;另一方面,也是由于培訓方式的單一和內容的陳舊使得學員缺乏對接受培訓的興趣。

這些問題的存在使得很多煤礦開展安全培訓走過場,煤礦設置了培訓機構,開展了安全培訓,學員也接受培訓取得資質證件,但卻沒有達到安全培訓的真正效果。

2 虛擬現實技術的特點

典型的虛擬現實系統由用戶、輸入輸出設備、高性能計算機、數據庫、三維圖像引擎和應用系統組成,如圖1所示。

圖1 虛擬現實系統結構圖

虛擬現實技術的特點可以用“3I”表示,即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和構想性(Imagination)。

沉浸感是指用戶在虛擬世界中被包圍的感受,理想的虛擬現實系統可以達到讓用戶難以辨別虛實的效果,沉浸感來自于虛擬現實系統對視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等的逼真模擬;交互性是指虛擬現實系統并不是以不變的方式來呈現場景,而是與用戶的行為實時互動,交互性來自于虛擬現實系統對用戶走動、頭的轉動等行為的準確捕捉和實時反饋;構想性是指虛擬現實系統為用戶提供自由的想象空間,用戶可以根據不同需求在虛擬世界中主動地尋求解答,構想性來自于虛擬現實系統先進的內在邏輯和信息智能處理模型。“3I”也是虛擬現實技術區別于其它可視化技術的顯著特征。

3 煤礦可視化安全培訓解決方案

通過對煤礦安全培訓存在問題的分析,可以發現只靠煤礦自身的努力難以在短時間內優化教師資源、改進培訓方式和完善培訓內容,學員的積極性也就難以獲得有效提升。虛擬現實技術提供了解決問題的途徑,因此,研究并綜合利用現代化技術手段,提供能夠直觀可視地開展安全培訓的信息化解決方案,對煤礦安全培訓工作的開展具有現實意義。

3.1 虛擬現實裝備及其在煤礦安全培訓中的應用場景

煤礦安全培訓可以綜合利用CAVE系統、單屏全息系統、多人協同系統實現不同的培訓目的。

3.1.1 CAVE系統的應用

CAVE系統是一種基于立體顯示技術和多通道視景同步技術的房間式投影可視協同環境,該系統可提供一個房間大小的最小3面或最大70面立方體投影顯示空間,供多人參與,所有參與者均完全沉浸在由立體投影畫面所包圍的高級虛擬仿真環境中,借助數據手套和位置跟蹤器等虛擬現實交互設備,從而獲得高分辨率(1080 p或更高)三維視聽影像和六自由度交互感受,給體驗者帶來身臨其境的感受。CAVE系統布局示意圖由圖2所示。

由圖2可以看出,該系統前面、地面、左側及右側分別配備了4塊幕長3000 mm的屏幕,采用4臺專業投影機,將畫面通過工業級反射鏡精確投影到每個面中,超寬屏幕且無視角盲點,結合重低音立體環繞音響,讓學員體驗虛擬現實的高端系統帶來的無比真實的震撼體驗。

圖2 CAVE系統布局示意圖

CAVE系統的沉浸感在所有虛擬現實裝備中是最為出色的,因此,CAVE系統尤其適合用于傳統培訓手段難以取得良好效果的對煤礦災害的安全培訓。體驗者借助CAVE系統可以感受到瓦斯爆炸、透水以及頂板塌陷等煤礦事故的巨大破壞力。由于事故僅靠語言表達難以真實還原切身感受,因此,對于事故模擬的安全培訓,借助虛擬現實技術的體驗式培訓效果要遠優于授課式的培訓方式。

3.1.2 單屏全息系統的應用

在單屏全息系統中,學員通過手持類似一支鋼筆尺寸的六自由度無線交互筆,系統可以捕捉到用戶的手部在空間中的位置信息,學員直接用該操控筆在空氣中對眼前的全息圖像進行交互。筆上按鍵提供簡潔的交互方式,如選擇、旋轉、任意擺放和拼接物體等。學員可以自然地拖動呈現在“空氣”中的物品靠近自己,通過快門式3D眼鏡從多角度地觀看模型細節及透視,感受無與倫比的空間感和真實感,就像將一個真實的物品握在手中操作一樣的自然和簡單。單屏全息系統的技術原理如圖3所示。

圖3 單屏全息系統示意圖

單屏全息系統具有卓越的互動性,特別適用于對機械和設備的安全操作培訓。傳統授課式培訓方式只能通過知識點的講解傳授安全操作技能,學員無法真實體驗,而對于煤礦大型機械和機電設備的培訓,又不可能完全提供實物用于地面教學,單屏全息系統提供了完美的解決方案,可以取得良好的培訓效果。

3.1.3 多人協同系統的應用

CAVE系統和單屏全息系統盡管擁有理想的沉浸感和互動性,但缺點是同時參與的學員數量受設備和空間的限制。一般一套CAVE系統1～3人同時體驗可以獲得較好效果,超過3人則可能無法獲得滿意的沉浸感,而一套單屏全息系統只適用于單人體驗。為了彌補這一不足,可以構建多人協同系統。利用一般的多媒體教室即可實現多人協同系統,除了高性能計算機外,還需為每臺計算機配備一臺頭盔式顯示儀。

多人協同系統根據支持軟件平臺的功能限制,能夠同時支持幾十人甚至上百人同時在線,協同完成培訓任務。這一模式特別適合煤礦開展應急救援演練的培訓,每位學員在系統中可以扮演被困人員、救援人員和指揮人員等不同角色,全部參與的學員協同完成某一救援任務,如同進入一場網絡游戲,在輕松愉快的體驗過程中接受安全培訓。

3.2 煤礦可視化安全培訓軟件支撐平臺

完整的煤礦安全可視化培訓解決方案離不開強大的軟件支撐平臺,為了充分發揮各類虛擬現實裝備的作用,需要配套提供與之相匹配的信息系統。基于虛擬現實的煤礦可視化安全培訓解決方案所需構建的信息系統結構示意圖如圖4所示。

3.2.1 業務管理

業務管理模塊提供支持培訓業務開展所需的功能模塊,包括報名管理、學員管理、培訓項目管理、培訓資源管理、考核管理和培訓反饋評估等功能模塊。該模塊下多數功能模塊均需與虛擬現實軟件對接,對學員在虛擬現實系統中參與的培訓項目可以自動形成培訓記錄和考核成績。

(1)報名管理。該模塊提供學員注冊功能,接受學員報名并在線繳納培訓費用。

(2)學員管理。該模塊對學員分班分組,制定學員培訓日常,并為學員本人通過學員中心提供培訓日程、培訓資料和培訓成績等的查詢功能。

(3)培訓項目管理。該模塊制定培訓項目的培訓方式、培訓目標和培訓內容。

(4)培訓資源管理。該模塊包括對教師資源和內容資源的管理,實現對教師的任務分配以及對培訓涉及到的多媒體內容資源進行維護和更新。

(5)考核管理。該模塊設定培訓項目的考核方式和評價標準。

(6)培訓反饋評估。該模塊為學員提供培訓中評價和培訓后反饋的功能,評估培訓滿意度和培訓效果。

3.2.2 支持輔助

支持輔助模塊提供支持煤礦培訓機構運行的管理型輔助功能模塊,包括公寓管理、費用管理、設備管理和知識管理功能模塊。

(1)公寓管理。多數煤礦培訓機構配備一定數量的學員公寓,該模塊實現對學員住宿的現代化管理。

圖4 煤礦可視化安全培訓軟件支撐平臺結構示意圖

(2)費用管理。該模塊實現對學員培訓費用、培訓機構運行費用以及人員工資的科學管理,并為報名管理通過接口提供支付和結算的功能。

(3)設備管理。由于可視化安全培訓的開展需要大量設備尤其是虛擬現實裝備的支撐,設備管理除提供基礎的設備信息外,還能夠實時監控設備運行狀態,并可實現對設備的自動化控制。

(4)知識管理。該模塊與虛擬現實軟件對接,將學員在體驗式培訓項目中常出現的錯誤形成有效的知識積累,形成安全培訓的動態知識庫。

3.2.3 應急指揮調度平臺

應急指揮調度平臺接入煤礦真實的安全監測數據和應急管理信息,形成支持虛擬現實系統的數據中心。借助于該平臺提供的真實數據,虛擬現實系統甚至可以實時模擬煤礦井下真實場景,為學員完成培訓項目提供更為友好的體驗環境。同時,該平臺還可在事故真正發生時擔負起應急指揮功能。

(1)數據中心。該模塊為虛擬現實軟件的運行提供所需的全部數據,包括地理空間信息以及人員、設備和環境等煤礦實時數據。借助于數據中心提供的真實數據,虛擬現實系統可以實時模擬煤礦井下真實場景,為學員完成培訓項目提供更為友好的體驗環境。

(2)安全監測。該模塊既可以用于對學員進行安全隱患排查和安全監測監控的培訓,同時也可與虛擬現實軟件結合提供可視化安全監測平臺。

(3)應急管理。該模塊對應急預案和應急物資進行管理,為培訓過程提供應急決策信息,同時該模塊還可在事故真正發生時擔負應急指揮功能。

3.2.4 虛擬現實支撐平臺

虛擬現實支撐平臺是發揮虛擬現實技術優勢的關鍵模塊,包括三維圖像引擎、災害模型、虛擬現實軟件、協同演練支持功能和動畫資源庫功能模塊。

(1)三維圖像引擎。該模塊實現對圖像的實時渲染,其運行效率是決定虛擬現實體驗效果的關鍵。

(2)災害模型。該模塊將瓦斯、煤塵、水災、火災和頂板等各類事故的觸發條件和擴散路徑形成模型,為系統提供科學的模型支持,滿足對災害模擬的需求。

(3)虛擬現實軟件。該模塊與虛擬現實裝備相連接,捕獲輸入信息,同時,與三維圖像引擎、災害模型和數據中心相連及時輸出圖像、聲音及控制信號。

(4)協同演練支持。該模塊為多人同時參與培訓項目提供支持,包括對演練任務的設置以及演練過程中對多人行為的識別和任務完成情況的智能評估。

(5)動畫資源庫。該模塊在虛擬現實的沉浸式培訓過程中,配置一些傳統的動畫資源作為培訓項目的補充,使得培訓內容更為豐富。

4 可視化安全培訓在朔州煤電公司的應用

筆者所在研究團隊與朔州煤電公司合作,將以虛擬現實技術為支撐的可視化安全培訓作為該公司安全建設的重要內容。該公司對公司內部擔負安全管理、培訓教育和應急救援職能的機構進行了整合,整合原有安監局、培訓中心和救護大隊的全部資源,成立了安全應急防控中心。

該中心配備了1套CAVE系統、10套單屏全息系統以及1套可支持30人協同演練的多人協同系統,并部署了軟件支撐平臺用于開展日常培訓、安全監控和應急救援。該中心通過可視化安全培訓開展一系列的安全培訓課程如表1所示。

朔州煤電公司借助可視化安全培訓系統開展培訓以來,新穎的培訓方式和卓越的培訓體驗顯著提高了學員的培訓積極性,培訓效果得到了保障,同時,系統形成的安全大數據對于提高該公司安全管理水平產生了非常積極的作用。

表1 可視化安全培訓課程

5 結語

基于虛擬現實的煤礦可視化安全培訓解決方案為解決教師資源匱乏、培訓手段單一以及培訓內容陳舊等煤礦安全培訓中的問題提供了可行的解決途徑。在物聯網、云計算和大數據快速發展的信息時代,應用虛擬現實技術改善煤礦安全培訓效果符合當前技術發展趨勢和我國煤礦的現實需求,具有廣闊的應用前景。

[1] 孫繼平.煤礦事故分析與煤礦大數據和物聯網[J].工礦自動化,2015(3)

[2] 田子建,雷婧,劉社育等.煤礦特種作業人員安全培訓面臨的問題與虛擬現實技術的應用[J].中國煤炭,2015(1)

[3] 孫繼平.煤礦監控新技術與新裝備[J].工礦自動化,2015(1)

[4] 鄭瑋.關于煤礦安全培訓工作的幾點思考[J].礦業安全與環保,2014(3)

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[6] 張紅巖.基于虛擬現實技術的煤礦安全培訓系統[J].工礦自動化,2014(2)

Research on visualization safety training of coal mine based on virtual reality

Liu Yi,Hu Lingfeng,Tan Zhanglu
(China University of Mining&Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Lack of teachers resources,single approach to training,outdated training content and students lack of motivation are common problems of mine safety training.Virtual reality technology has immersion,interaction and imagination,and can be used as effective techniques to improve mine safety training effectiveness.Through the utilization of CAVE system,singlescreen holographic system,multiplayer collaborative systems and other virtual reality equipment which can be applied to different scenarios coal mine safety training,a visualization solution of coal mine safety training based on virtual reality technology is established with the support of a software platform.This solution can effectively solve the many problems of the coal mine safety training and has a application value.

virtual reality,safety training,visualization

TD791

A

劉屹(1984－),男,山東濟南人,博士,現為中國礦業大學(北京)博士后,研究方向為企業信息化與智能管理。

(責任編輯 路 強)

國家自然科學基金資助項目(61471362),中央高校基本科研業務費資助項目(2011YG02)