基于虛擬現實技術的煤礦安全培訓系統設計研究

摘 要：將虛擬現實技術應用于煤礦安全生產培訓對于提高礦業生產安全性具有重要意義，本文提出利用計算機虛擬技術，綜合三維圖形、感觀反饋、立體聲和語音等技術建立虛擬場景系統，讓工人可以通過這樣的系統提高安全生產意識和處理突發事件的能力，從而達到提高安全生產的目的。

關鍵詞：虛擬現實；培訓系統；煤礦安全

0 引言

安全生產培訓一直是現代煤礦生產中至關重要的環節，提高工作人員安全防范水平、加強其應對和處理事故能力是進行安全培訓的主要目的。傳統的安全培訓多以文字圖片進行宣傳教育或是多媒體視頻播放為主，這些資料雖然可以正面傳達給工作人員如何應對和處理突發事故，但是無法真正達到訓練其對突發事故的應對能力。因此效果不是很理想。

目前，虛擬現實技術已經廣泛應用于航空、機械和礦業等工業領域，在其生產培訓、試驗和創新中發揮著舉足輕重的作用。在礦業領域，虛擬現實技術可以用來建立數據模型、事故重現及仿真訓練等，之所以被如此廣泛應用，原因在于其依靠傳統的方式難于達到提高訓練者預防和處理突發事故的能力。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是綜合了計算機三維圖形技術，感觀反饋、立體聲、語音輸入輸出以及廣角立體顯示技術等，創造出為使用者提供身臨其境的三維世界，并且進行感觀交互的人工環境。近年來，虛擬現實技術以其提供聽覺、觸覺、視覺等感觀模擬的特點廣泛應用于各個領域，發展迅猛。

虛擬現實技術的特點：

（1）環境模擬：利用計算機模型產生實時三維圖形，根據使用者所需工作環境或實驗場所的空間方位及時間參數等數據模型，可以設計出很逼真的模擬圖像，同時結合立體顯示技術呈現給使用者完美的模擬系統，需要注意的是空間或環境變化時顯示刷新頻率對于使用者感觀的影響。

（2）感觀反饋：可以通過立體聲效果實現聲音方位和遠近的改變，通過帶有震動觸點的道具模擬觸覺感應，以此來實現虛擬系統中聽覺觸覺的反饋效果。

（3）人機互動：通過語音識別系統或者計算機進行語音或命令輸入。

虛擬現實技術的以上特點完全適用于煤礦安全生產培訓系統，通過計算機3D技術模擬出煤礦生產環境，用戶以第一視角進入，可以熟悉工作環境、訓練各種工作技能，應對突發情況等。

（4）三維動畫效果：場景制作完成后需要使用Adobe Premiere Pro將音效和動畫進行合成和剪輯，還需要使用轉場效果及特效來達到逼真效果。

2 煤礦安全培訓系統總體架構

如圖1所示，礦井作業模擬系統由計算機控制系統來操控整個系統，用戶登陸后通過計算機控制系統連接運動控制接口，可以通過啟用采掘模塊進行采掘模擬訓練；通過啟用風險識別模塊訓練工人判斷、識別和處理危險的能力；通過互救、逃生訓練鍛煉工人自救和相互救助的意識。同時用戶還可以通過傳感器控制感受第一視覺漫游礦井，熟悉礦井生產環境和生產設備，這對于新員工來說非常必要，可以通過模擬系統盡快熟悉工作環境。

3 模型構建

模型構建主要以創建不規范生產操作、重大生產事故示例和安全事故應急預案演練模型為主，使用戶可以通過模擬系統達到親身體驗的目的，培訓系統主要采用3DS MAX建模和渲染。

其中大型設備采用多邊形建模技術，以先精模后簡模為原則，建模前需要根據設備的實際尺寸確定模型的比例，根據設備運行參數設置模型運動軌跡和參數；小型設備則使用圖片處理軟件和貼圖技術進行處理，多采用紋理貼圖以提高仿真度。

井下巷道模型應該按照實際巷道的尺寸、復雜程度和礦井生產圖紙來構建三維模型，力求模型比例與實際生產環境相符合，為了保證安全培訓系統的可擴展性，按照由簡單到復雜遞進的順序依次創建，形成系統的巷道模型庫，應對生產環境隨時擴展的可能性。

場景建模主要是根據實際巷道環境創建包括電纜、機電設備、管道和支架等輔助設備，主要采用貼圖技術，使場景模型更加逼真。利用特效編輯器生成煙霧，利用燈光設置達到瓦斯爆炸效果，后續連鎖反應會涉及到物理模塊及反應堆力學技術。

人物模型的建立極為關鍵，人物造型是否逼真直接反映了模擬系統的仿真質量。在進行人物建模時首先進行外形創建，以實際生產的不同工種為原型進行分角色設計，人物運動效果要注重細節，如對安全事故發生時人物的反應和動作要進行動作采集并進行數據分析，作為突發事故時人物反應的分析資料。人機交互則利用VIrtools實現。

4 結語

煤礦安全培訓系統與虛擬現實技術的結合可以說為提高煤礦安全生產、增強工作人員處理礦井危機的能力具有重要意義，類似的系統在很多煤炭集團都得到了廣泛的應用，效果也非常顯著，相信其在不久的將來會發揮更為重要的作用。

參考文獻：

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