智能礦山真實場景交互沉浸式安全培訓系統開發

楊龍杰 王培強

（1.平頂山天安煤業股份有限公司六礦，河南 平頂山 467000；2.平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467000）

近年來，煤炭行業信息化、智能化建設加速推進，“智能+煤炭”“互聯網+煤炭”將為行業轉型升級賦能。截至目前，200 多個智能化采煤工作面已經建成，實現了地面一鍵啟動、井下有人巡視、無人值守。隨著采掘機械裝備技術水平的不斷提高，對采掘生產操作崗位人員的專業技能水平要求也越來越高。智能化采煤技術能否推廣應用，首先要看人的綜合素質和專業技術能力，能否操控這些先進的機械裝備。

智能礦山采掘崗位群配備人員主要由相關煤炭類專業（煤礦開采技術、礦山機電、電氣自動化）技術人員過渡和再培訓，以保證智能礦山正常生產的運轉。但是目前的智能礦山技術工人存在年齡偏大、知識結構陳舊等問題，為了盡快滿足智能化轉型發展，急需一批智能化特殊專業人才充實到工作一線，投入到礦山智能化升級改造及運行維護工作之中。經調研發現，在智能礦山建設與運轉的初始階段，由于相關專業知識欠缺，專業操作與維修維護人員匱乏，培訓周期較長，傳統培養方式效率低，造成智能礦山正常運轉相對滯后。因此，在煤礦智能化提質增效的同時，更需要加強新條件下智能設備安全生產技能與崗位操作技能培訓，提高相關技術人員的業務水平對智能礦山安全穩定運行有著非常重要的意義。

1 軟件架構設計

系統以平煤股份十礦“一礦一區一面”的實際工作環境作為虛擬模擬場景，對礦井生產系統進行三維實體建模，利用虛擬仿真技術實現人機交互界面操作，實現智能礦山生產系統整體漫游，智能采掘裝備的操作、維護、檢測、拆裝及安全生產知識演繹培訓，研發一套基于虛擬現實技術的智能礦山真實場景交互沉浸式安全培訓系統。該系統主要由培訓與考核管理、智能化采煤教學資源、綜采綜掘設備三維學習、智能采面多人協同交互操作、安全生產警示教育案例、VR 智能礦山綜合仿真體驗六大模塊組成，形成“一中心+五子系統”的整體結構，如圖1。

圖1 系統整體架構示意圖

2 系統功能設計

基于虛擬現實技術的智能礦山真實場景交互沉浸式安全培訓系統開發成功后，用于智能化工作面職工安全和技能操作培訓，可以實現以下功能：

實現智能礦山生產系統漫游，智能采掘設備的操作、維護、檢測、拆裝及安全生產知識演繹培訓，讓職工不用下井也可以達到實操訓練和考核的目的，能夠更好地將所學理論知識與實際工作需要相結合，真正做到“學什么、懂什么、干什么、會什么”，增強職工的安全生產技能，提高職工安全意識。

通過計算機數字建模技術，模擬真實的智能礦山生產系統、智能綜采系統，虛擬化交互式智能開采環境，利用沉浸式虛擬現實頭戴式顯示器，將“看不見、進不去、動不了、難再現”的井下場景呈現在學員面前，讓學員通過操作手柄與場景里的物件進行仿真交互。

系統由配套的軟、硬件組成，由管理中心統一進行控制管理。管理端與培訓端各部分PC 主機通過局域網（WLAN）互聯，使用TCP/IP 協議與UDP 協議交換數據。其功能模塊的設計內容和描述見表1。

表1 系統功能模塊設計

3 系統軟件的功能實現

3.1 培訓與考核管理功能模塊

培訓與考核管理模塊是整個系統的管理端，對其他子系統進行管理、設置、遠程監控。受訓人員的考核成績也將匯總在指揮中心。

（1）子系統監控?？煞謩e選擇模擬智慧生產系統培訓子系統、智能采掘設備培訓子系統、智能采掘工作面協同作業實訓子系統、模擬安全避險六大系統子系統和VR 智能采面綜合仿真子系統等，查看其顯示畫面，了解其工作狀態。

（2）培訓與考核管理。系統提供登陸管理功能，支持受訓人員通過賬號密碼、人臉識別等多種方式登陸系統，并可設置受訓人員角色，包括采煤機司機、液壓支架工、掘進機司機等。系統通過模擬各工種在工作現場的實際操作步驟、程序和方法，實時評定受訓人員能否按照標準要求完成操作任務。系統具備完善的數據分析功能，對受訓人員的操作過程進行自動記錄、評估，得出成績，實現考訓一體化。并可以列出扣分項，提示正確操作規范，使學員真正達到規范操作流程、提高操作水平的目的。

3.2 智能礦山教學資源功能模塊

可視化教學資源融合了文本、音頻、視頻、交互控制等富媒體形態的信息集合，為煤炭專業知識教材體系開辟全新的教育學習模式。

可視化教學資源分為三大模塊：

（1）核心專業課程

煤礦地質、煤礦開采、巷道施工技術、煤礦安全、礦井通風（采礦）、礦山機械、礦山電氣設備使用技術等7 門核心課程。

（2）采掘安全知識

采煤工作面包括采煤機司機、輸送機司機、液壓支架工、泵站操作工、端頭維護工、綜采安裝撤除工、采煤工、煤礦安全檢查工；掘進工作面包括裝巖機司機、綜掘機司機、掘砌工、采掘電鉗工、耙斗裝巖司機、電機車司機。

（3）智能采面技能知識

智能采煤機巡視工、電液控支架巡視工、集控臺操作工、端頭維護工、泵站操作工。

3.3 綜采綜掘設備三維學習功能模塊

依托平煤股份某礦智能化采煤工作面、掘進工作面，真實再現智能化采煤、掘進生產設備。智能化采煤工作面設備包括：采煤機、液壓支架、端頭支架、超前支架、智能泵站、乳化液泵、電液控系統、轉載機、刮板輸送機、噴霧泵、通訊、破碎機和支架電液控控制系統、支架姿態監測系統、視頻監控系統、光纖慣導定位系統等。掘進工作面包括：掘錨一體機、轉載機、膠帶輸送機。

3.4 智能礦山多人協同交互操作模塊

通過VR 技術實現智能化綜采工作面多工種多崗位協同作業模擬實訓與模擬實操考核。主要內容包括：（1）煤炭智能采煤系統的組成、控制原理、通訊原理、工作面模擬搭建等內容，通過二維動畫、三維模型等以可視化方式呈現；（2）智能采掘工作面多工種多崗位協同作業；（3）智能采掘工作面模擬實操考核；（4）礦井虛擬安檢維護，能夠通過指揮中心設置預留故障，包括電氣故障、設備故障、液壓故障以及機械故障，通過虛擬三維仿真能夠模擬及進行故障維護排查，交互方式科學、良好。

3.5 安全生產警示教育案例

利用VR 虛擬現實技術，真實模擬事故災害發生時的三維環境，將安全教育與體驗相結合，使五大災害場景重現，其中包含事故體驗、事故回顧、事故分析、安全演練。真實還原事故災害發生的各個細節，使學員產生身臨事故現場的感覺，真切感受安全事故發生瞬間的震撼，以及會造成的嚴重后果，并在安全體驗系統的指導下，正確地對事故災害實施救援或正確地規避事故災害，提高自救能力及提升安全生產水平，讓安全理念深入人心。

3.6 VR 智能礦山綜合仿真體驗

利用虛擬現實技術使受訓人員能夠通過VR 設備在虛擬場景中進行煤礦井上、井下工作場景漫游[1-3]，漫游過程中系統隨時進行講解，使受訓人員能夠非常方便、高效地對煤礦實地生產工作環境有深刻的認識。

4 結語

該系統的開發，通過3DMAX 數字建模、Unity3D 引擎、VR 虛擬現實和Flash 交互等技術的綜合運用，保證了軟件開發技術的先進性、可靠性和可操作性；以平煤股份十礦智能化采煤工作面的實際工作環境作為虛擬模擬場景，保證了智能礦山職工培訓系統平臺的前沿性、可操作性和實用性；以智能礦山職工培訓需求為基礎編制的職工培訓標準，保證了智能礦山職工培訓系統的功能齊全，可以與職工培訓無縫對接，提升培訓效果。