煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統研究與設計

高 彬，杜亞林，楊 帆，李 軍，譚 政，陳金川，王淵源

(1.陜煤集團陜北礦業張家峁礦業有限公司，陜西省榆林市，719313;2.北京龍軟科技股份有限公司，北京市海淀區，100190)

0 引言

煤礦生產作業環境復雜、危險源分布廣泛，對安全生產和事故救援等領域的虛擬培訓演練有十分強烈的需求。近幾年，國內出現了一些較為成熟的煤礦安全仿真培訓平臺，這些平臺大多提供的是單機版、交互問答形式的煤礦安全知識培訓。一些三維虛擬仿真系統支持了多通道環幕、答題器、操作手柄、頭盔、交互屏等最新VR硬件，這些VR硬件為煤礦安全培訓系統提供了培訓軟件，配以環幕、立體眼鏡等設備，為用戶提供了前所未有的真實感和體驗感[1-8]。

虛擬現實技術最大的優勢在于對三維空間的表達和演示，尤其是為煤礦特殊作業工種人員通過虛擬場景進行交互式的學習和模擬操作提供了平臺和手段。煤礦特種作業人員通過虛擬環境培訓，增強沉浸感，增加學員的主動性和積極性，培訓以實際生產過程為基礎，加強與實際生產的聯系，達到身臨其境的培訓效果。

然而，目前的虛擬培訓演練系統缺少針對特殊作業人員的虛擬培訓演練軟硬件。煤礦特殊作業工種的工作和煤礦的安全生產密不可分，因此提出一套針對煤礦十大特殊作業工種(采煤機/掘進機操作作業人員、井下電器作業人員、井下爆破作業人員、安全監測監控作業人員、瓦斯檢查作業人員、安全檢查作業人員、提升機操作作業人員、瓦斯抽采作業人員、防突作業人員、探放水作業人員)的安全仿真培訓系統。特殊作業人員是煤礦的主力軍，提高其綜合素質，減少“三違”行為，是遏制煤礦重特大事故的重要手段。針對這一問題，本文以虛擬現實、人工智能技術為基礎，研究煤礦十大工種操作規范，增強參與者學習與訓練的真實體驗感，以期達到引導礦山勞動者自主探索安全問題，強化記憶，提高安全勞作意識并將其作為指導思想運用于生產的目的[9-11]。

1 系統設計

1.1 系統架構設計

煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統將虛擬現實模塊作為基礎環境，參考《煤礦十大特殊工種安全技術實際操作考試標準》要求，并結合了最常見的水、火、瓦斯、頂板、機電等事故機理與處理方法，建立特殊工種安全培訓模塊并將其作為專家知識庫來體現安全培訓內容，并通過虛擬交互手段引導用戶使用。煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統架構設計如圖1所示。

圖1 煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統架構

1.1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術包含虛擬仿真模塊和游戲化引導模塊。這2個模塊分別是程序基礎功能和基本邏輯的實現。

(1)虛擬仿真模塊。虛擬仿真模塊是從系統層面建立相應的仿真功能。作為視覺實體與操作對象主要包含：場景管理(仿真實體模型管理)、音效聽覺仿真、粒子效果模擬和物理力學仿真等的結合運用。

仿真實體模型即為建立的礦山、地形、井巷、設備工具、人物角色等模型，是面向虛擬角色的可交互對象，亦是場景實現的場地[12-14]；音效聽覺仿真注重從音源的維度盡可能逼真還原現實，比如人在草地上和在巷道中不同的腳步聲、跑步時的喘息聲、罐籠開啟時的機械聲等；粒子效果是在觸發安全事件時盡可能逼真還原現場效果，如開采工作面中的揚塵、冒頂時產生的塵埃等都會加深虛擬現實的真實感；物理力學模型可以強化虛擬角色的現實受力感，不僅有下行的重力加速度，還有巖壁剝落時的重力感；基礎數據是構成三維場景的模型、坐標數據、音效、圖片等數據。

(2)游戲化引導模塊。游戲化引導模塊是以游戲化的方式引導受訓者完成整個培訓考核過程，包括考試科目引導、考試項目引導、操作方式引導、目標位置引導、操作步驟引導等。TPC是以第三人稱視角進行操作；AI是操作中有AI交互的過程；探索式引導是通過設置問題或者關卡的方式來引導用戶進行操作。

1.1.2 專家知識庫

專家知識庫以《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》為操作流程主體內容，并結合了最常見的水、火、瓦斯、頂板、機電等事故原因與應對機制。

安全培訓模塊屬于應用層面，所有相關知識點和培訓設計都是以專家知識庫為準來設計的。基礎數據庫是災害模擬、災害應對機制和角色仿真庫的基礎。包括《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》規定的每個工種每個科目的操作流程和作業規范，以及水、火、瓦斯、頂板、機電等事故觸發的條件與處理流程；災害模擬是對水、火、瓦斯、頂板、機電等事故進行三維模擬展示；災害應對機制是發生事故后的處理流程；角色仿真庫是不同工種的工作流程、相關設備工具、人物動畫等。

1.2 系統功能設計

煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統主要包括培訓考核基礎支撐平臺和虛擬實操培訓考核系統2個部分。煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統功能架構如圖2所示。

圖2 煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統功能架構

1.2.1 培訓考核基礎支撐平臺

培訓考核基礎支撐平臺是虛擬實操培訓考核系統的基礎，包括三維環境模型系統、評分系統和數據管理系統3個部分。三維環境模型系統提供完整的井下虛擬仿真環境及十大特殊工種作業涉及的采、掘、機、運、通、環等相關的井下設備和工具；評分系統依據《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》設計整個系統的考題及評分規則，使系統考核知識更貼近實際生產、考核結果更能真實地反應考生實際操作水平，虛擬實操培訓考核系統基于評分系統將三維模型組合為考試場景，對考試內容進行模擬，考生在虛擬生產環境中進行辨識、分析、操作，并統計考核結果；數據管理系統連接系統與數據庫并在數據庫中記錄培訓人員的個人信息及考試成績。

1.2.2 虛擬實操培訓考核系統

虛擬實操培訓考核系統中的基礎功能模塊主要包括考核管理功能、系統基礎功能和系統設置3個部分。考核管理功能包括了系統登錄人員身份信息認證、保存考核成績等；系統基礎功能包括角色控制、載具控制、角色動畫、設備操作、任務提示、地圖導航等功能；系統設置主要包括輸入、圖像和聲音等配置功能。具體處理過程為：被考核人員輸入身份證號碼，系統檢驗身份信息，如果身份信息正確則考生進入系統。系統基礎功能的處理邏輯是考生利用鼠標鍵盤輸入相應的操作，系統基礎功能模塊依據輸入的信息做出對應的響應并展示在屏幕上。比如角色控制，考生按下W、S、A、D鍵，系統中角色則向前、后、左、右行走。任務提示則在考生完成上一個任務后，在屏幕上展現出考生下一個要完成的任務。

煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統中其余的培訓模塊主要針對該工種進行培訓，模塊依據國家礦山安監局下發的特殊作業工種考核文件中對應的工種考核文件進行場景設計并將考核方法集成到系統中，從而達到對特殊作業人員進行虛擬仿真培訓的目的。模塊的處理過程為特殊作業工種依據自己掌握的知識利用鼠標鍵盤在三維場景內進行操作。系統在考生完成一項任務后會提示接下來的任務，考生自行選擇完成任務的順序。考試完畢后，系統依據評分系統給出考生的操作結果。

1.2.3 系統處理流程

(1)依據《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》將需要考試的題目、內容、答案及該題的分數以二維表的形式存儲在評分系統中。

(2)考生輸入信息，登錄系統，系統將登錄信息發送到數據管理系統，數據管理系統鏈接后臺數據庫檢驗登錄信息。如果信息有效則進入系統；如果信息無效則登錄界面提示。

(3)在登錄成功后，仿真系統依據考生的工種信息及評分系統考題進行場景的構建。

(4)考生在仿真培訓系統中答題，每提交一個操作，將考生的操作過程及考題編碼發送到評分系統，評分系統依據規則給出分數并記錄。

(5)待考生完成所有的考題，系統將展示考生總分、每一道考題的扣分情況以及錯誤操作。系統將最后得分發送給數據管理系統并將考核結果發送到后臺數據庫中。

2 關鍵技術

本文在北京龍軟科技股份有限公司的三維虛擬仿真平臺基礎上，對上述系統功能進行了研究，通過腳本語言實現了對礦山虛擬場景的構建和專家知識庫的建立等關鍵技術。

2.1 礦山虛擬場景的構建

礦山虛擬場景[15]的構建是指根據煤礦地層數據、巷道數據、鉆孔數據等三維空間地理信息及建筑圖像、設備圖像等各類數據，構建三維礦山井上、井下場景中的模型，模擬出包括煤礦各種自然實體和人工實體在內的三維空間，同時接入設備、環境數據等內容，使用戶在其中可以自由地與各種虛擬實體進行交互，并了解井下真實的環境信息。

根據實地調研獲得的井巷模型數據、設備圖紙和照片、設備布置圖紙、人物和工具照片等，采用3D Studio Max、Maya等專業建模軟件進行制作，按照先精細模型后簡單模型的設計方式進行模型構建，并進行紋理貼圖。同時，系統運行過程中，利用多細節層次(Levels Of Detail，LOD)技術，依據展示環境進行資源動態調配，提高系統運行效率。采煤工作面三維虛擬界面如圖3所示。

圖3 采煤工作面三維虛擬界面

2.2 專家知識庫的建立

專家知識庫主要包括基礎知識庫和災難模擬知識庫。基礎知識庫以《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》為模板將各工種每一步正確操作步驟入庫。災難模擬知識庫集中體現在最常見的水、火、瓦斯、頂板、機電等事故方面，根據各種事故的形成原因、事故征兆、發生狀態、形成影響等構建針對性的災難模擬知識庫。采用產生式表示法構建系統的知識規則庫。產生式的描述形式為“條件→結果”即：R=ifPthenQ，其中，R代表知識規則，P為前提條件，Q為根據條件產生的某一結果。

建立事件驅動的知識庫，因為在每個工種培訓操作的過程中，都伴隨有大量的事件發生，而且事件之間都是相互關聯的。根據事件的類型不同可分為操作流程和事故處理2個類型。

2.2.1 操作流程類型

該類事件驅動的知識規則中前提條件P是前一個操作步驟完成的情況(成功與否)，完成無需復雜的邏輯關聯判斷即可形成結論。例如，依據《煤礦十大特殊作業工種安全技術實際操作考試標準》中步驟1為“當截割電機即將停止轉動時，緩慢掛上截割部離合器”，步驟2為“解除刮板輸送機閉鎖，發出啟動輸送機運轉信號”，形成事件驅動的知識庫規則為：R=采煤機司機：if(步驟1正確完成)then(步驟2)，if(步驟1沒有正確完成)then(錯誤提示OR觸發相應事故)。

2.2.2 事故處理類型

事故的產生有2種方式，第1種方式是提前在場景或操作過程中設定，對于這種事故只要完成事故出現后的應對處理操作即可依據條件P評判得分；第2種方式是用戶在操作過程中，由于違規操作或者某些關鍵的步驟操作失誤而導致的事故，對于這種事故也會根據專家知識庫的流程操作類型的檢測條件P判斷是否觸發對應事故，如果觸發則會進入對應的事故模擬部分，但最終會宣告操作失敗而不得分。

事故處理類型的知識規則中前提條件P是由一系列事件構成，且事件直接存在邏輯關聯。如處理瓦斯超限事故過程中，判斷瓦斯超限事故是否處理成功的知識規則包含匯報調度室、停工、斷電、撤人、查明原因、處理事故、瓦斯濃度恢復等一系列前提條件。

專家知識庫在應用層面分為3個部分。第1部分作為評分系統對模擬工種每步操作的評分依據；第2部分作為NPC對下一步操作提示的引導內容；第3部分作為系統評判用戶操作是否觸發災難事故和完成事故處理操作的依據。

2.3 模塊牽引與安全培訓模擬

虛擬仿真模塊為系統運行提供了大環境，游戲化引導成為推動系統運行的線索，安全培訓模塊在前兩個模塊的牽引下成為最終展現手段，各個模塊相互牽制相互促進。

例如采煤機工種的安全培訓，系統會在考試科目、考試項目、操作方式、目標位置和操作步驟，這5個方面基于AI系統進行NPC探索式引導，推動整個培訓流程的進行。如果操作中觸發了某種工作面事故，如煤壁片幫事故，就會進入相應的事故模擬階段，這里需要用戶控制虛擬人物處理事故，這樣不僅可以全面了解危險事故，同時也達到了安全培訓目的。采煤工作面探索式引導三維虛擬界面如圖4所示，觸發片幫事故三維虛擬界面如圖5所示，處理片幫事故三維虛擬界面如圖6所示。

圖4 采煤工作面探索式引導三維虛擬界面

圖5 觸發片幫事故三維虛擬界面

圖6 處理片幫事故三維虛擬界面

3 應用效果

2020年6月，煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統在陜煤集團陜北礦業有限公司張家峁煤礦(以下簡稱張家峁煤礦)得到了成功應用。張家峁煤礦使用該系統開展培訓以來，新型的培訓模式和特殊的培訓體驗顯著提高了學員的培訓積極性，培訓效果有保障，同時大大提高了特殊作業工種的培訓效率，減少了教學培訓成本。在實際作業中，特殊工作人員也增強了安全細節的主觀重視度，大大降低了張家峁煤礦的月違章操作次數，減少了事故的發生，也產生了較好的經濟效益，節省了傷病醫療費用和設備維修費用的開支30萬元/a。

在張家峁煤礦應用該系統后，集團公司和其他礦業公司也多次組織人員前來參觀學習。期間，煤礦十大特殊作業工種仿真培訓系統得到一致好評。集團領導也表示將會全面推廣該系統，升級各個礦業公司的培訓教學技術，為煤礦人才的培養提供更加先進科學的手段。

4 結語

本文在分析近期礦山開采過程中安全事故頻發原因以及目前安全培訓領域應用虛擬現實技術存在問題的基礎上，研究了當下AI系統對人們思維的影響以及游戲化的探索式吸引以引導人們加深潛在意識對事物認知的影響，結合虛擬現實技術開發了針對煤礦十大特殊作業工種的礦山安全仿真培訓系統，并得出以下結論：

(1)安全仿真培訓系統不應是一個單一的高仿真模型場景瀏覽系統或模型動畫展示系統，而應結合實際需求，集成完整井下虛擬仿真環境以及眾多工種作業的綜合性虛擬仿真培訓系統；

(2)強化礦工安全意識不應強行灌輸安全知識，而應以引導的方式使礦工主動探索加深記憶；

(3)虛擬現實的交互性不應只是操作方式上的交互，應加強故事情節的導向作用，如通過與NPC的交流來推進程序的前進，強調在溝通中的交互引導操作來加深記憶。