探究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全培訓(xùn)中的應(yīng)用

吳 聰

（黑龍江煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150000）

與傳統(tǒng)培訓(xùn)方式相比，虛擬培訓(xùn)顛覆了原有枯燥死板的教學(xué)培訓(xùn)模式，探索出了一條極具創(chuàng)新力的培訓(xùn)之路。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與安全培訓(xùn)的緊密結(jié)合，為培訓(xùn)者提供一個(gè)和真實(shí)環(huán)境完全一致的虛擬環(huán)境，培訓(xùn)者可以在這個(gè)具有真實(shí)沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境中，通過人機(jī)交互設(shè)備和場景里所有物件進(jìn)行交互，體驗(yàn)實(shí)時(shí)的物理反饋，進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)操作。

1 認(rèn)識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）是一種能夠創(chuàng)建與真實(shí)環(huán)境一模一樣的虛擬環(huán)境的技術(shù)，用它可以去探索虛擬世界中真實(shí)環(huán)境元素。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到了仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種高科技技術(shù)，是一種多源技術(shù)和信息融合式的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原理

從邏輯上劃分，我們可以把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)看成是仿真技術(shù)的一個(gè)分支，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很多設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用原理都是符合仿真學(xué)和仿真技術(shù)的原理。除了前面提到的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)外，還涉及到了傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以說虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)高端的前沿研究領(lǐng)域，具有極強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)成

從構(gòu)成上看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由自然技能、感知、傳感設(shè)備和模擬環(huán)境等四方面組成。其中自然技能是指人的肢體活動(dòng)，如手、頭、腳等，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)人們真實(shí)的活動(dòng)情況來設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，以響應(yīng)用戶的輸入，并回饋至人體的五官；感知是指在最為理想的虛擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下，虛擬環(huán)境中的人應(yīng)該具有真實(shí)狀態(tài)下人的感知，也就是虛擬的質(zhì)量要做到與真實(shí)一致，除了肢體活動(dòng)感知外，還有包括嗅覺和味覺在內(nèi)的各種感受器官的感知；傳感設(shè)備就是三維交互設(shè)備；模擬環(huán)境就是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。

1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征主要表現(xiàn)為：自主性、交互性、多感知性和存在感。其中自主性是指人物的自主性，即虛擬對象應(yīng)在虛擬環(huán)境運(yùn)行中始終處于活動(dòng)的主導(dǎo)體位；交互性是基于虛擬對象的交互，即人物可操作的基礎(chǔ)上應(yīng)該得到虛擬環(huán)境中事物的反饋，而且是實(shí)時(shí)反饋；多感知性就是我們前面所提到的行為感知和感受器官的感知，感知要與現(xiàn)實(shí)保持一致；存在感就是分辨度，即人無法分辨真假的程度。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維模型

三維模型就是使用三維制作工具通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型，從而創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)場景。我們通常先用三維軟件去設(shè)計(jì)和制作物體的三維模型，然后在計(jì)算機(jī)中去模擬相對逼真的三維物體，進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)際培訓(xùn)中。置于物體的屬性，可以是已經(jīng)真實(shí)存在的，如已挖好的煤礦隧道，也可以是我們的構(gòu)想，如理想化煤礦隧道。制作上分網(wǎng)格和紋理，由眾多云點(diǎn)組成的稱為網(wǎng)格，形狀并不是唯一固定的，有三角形、四邊形、多邊形等；而文理所反映的是被描述物體的表面特征，如凹凸不平的溝紋，當(dāng)我們按照某種特定的方式將文理映射到物體網(wǎng)格表面時(shí)，物體看上去會(huì)更加逼真。通常能夠用到的建模工具有3ds Max、Maya、Cinema 4D和Blender。

2.2 三維全景

作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的另一個(gè)分支，三維全景技術(shù)與3D建模技術(shù)（三維模型）相比，并不具備3D建模技術(shù)的良好沉浸體驗(yàn)和深度交互能力，而且會(huì)更弱，雖然也能虛擬真實(shí)場景，但到目前為止還達(dá)不到虛擬現(xiàn)實(shí)。但它也有自身的優(yōu)點(diǎn)，如相對于三維制作來說，它開發(fā)周期短，開發(fā)成本低；播放設(shè)備硬件要求低，可以使用電腦或手機(jī)上的播放器；全景圖片文件數(shù)據(jù)量較小，非常有利于網(wǎng)絡(luò)傳輸，易傳播、易推廣，并且也可以實(shí)現(xiàn)任意視角的任意放大縮小，以及實(shí)現(xiàn)自由瀏覽。

3 建立虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦事故仿真和安全培訓(xùn)系統(tǒng)

3.1 硬件平臺(tái)

在搭建硬件平臺(tái)時(shí)，我們應(yīng)用了360°環(huán)屏沉浸式投影系統(tǒng)。它是一種多功能網(wǎng)絡(luò)化多媒體演變平臺(tái)，主要用來播放煤礦事故發(fā)生，以及預(yù)設(shè)營救活動(dòng)的三維立體動(dòng)畫，主要有以下五部分組成。

（1）系統(tǒng)規(guī)模。在直徑長為10m，高為4m的空間大小下，若想保證模擬演習(xí)質(zhì)量可考慮容納18~22人，在略為復(fù)雜的環(huán)境下，可以考慮將人員保持在15~25人。

（2）播放單元。播放單元一般由6~8臺(tái)3D高清投影儀、10~15臺(tái)環(huán)繞立體音響和360°環(huán)幕組成，屏幕支持1080P全彩色高清畫面，煤礦工作者在環(huán)幕中能夠感受到真實(shí)的工作場景。

（3）控制單元。控制單元一般由1~2臺(tái)服務(wù)器和6~8臺(tái)工作站集群及視頻轉(zhuǎn)換裝置組成，且是立體圖像實(shí)時(shí)生成的。工作站均采用較高端配置，但具體操作還需根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況來做定奪，一般建議采購略高配置的工作站和服務(wù)器，這樣能確保圖像數(shù)據(jù)的順暢處理。在服務(wù)器和工作站的共同作業(yè)下，視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)將會(huì)被傳輸?shù)讲シ艈卧小?/p>

（4）網(wǎng)絡(luò)單元。網(wǎng)絡(luò)單元被看成是連接控制單元與播放單元的橋梁，其作用和意義與我們平時(shí)用的網(wǎng)絡(luò)寬帶是相同性質(zhì)，只不過對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求會(huì)更高。一般我們至少采用千兆高性能視頻網(wǎng)絡(luò)和千兆高性能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，才能保證工作站、服務(wù)器，以及各種硬件設(shè)備相互間的高速通信。

（5）交互設(shè)備。交互設(shè)備采用Ipod和Ipad兩種，其中Ipod是用來給培訓(xùn)者進(jìn)行答題的，是答題終端；Ipad主要作為三維場景的控制器，供培訓(xùn)師控制視角和場景漫游用。

3.2 軟件平臺(tái)

相比于硬件平臺(tái)，軟件平臺(tái)更加豐富，它主要由三維模型動(dòng)畫和場景動(dòng)畫、危險(xiǎn)源識(shí)別培訓(xùn)模塊、事故仿真模擬培訓(xùn)模塊、自救逃生培訓(xùn)模塊、事故營救演練培訓(xùn)模塊、安全培訓(xùn)考核管理模塊六部分組成，應(yīng)用了AutoDesk、3D Max等制作軟件對三維場景進(jìn)行創(chuàng)作。

（1）三維模型動(dòng)畫和場景動(dòng)畫。為了確保實(shí)時(shí)渲染，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)，我們要盡可能保證使用面的有效性，實(shí)現(xiàn)模型的最大限度優(yōu)化；但另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)又需要很真實(shí)的畫面感，太少的制作面會(huì)大大降低場景的真實(shí)性。所以，我們通常會(huì)采取特殊的建模方法來保證順暢的運(yùn)行和真實(shí)的效果，比如用Zbrush法線貼圖對模型進(jìn)行處理可以產(chǎn)生很強(qiáng)的立體感。除了事物本身外，燈光和陰影也是不能忽視的，用AutoDesk和MaYa可以滿足我們的需求。

（2）危險(xiǎn)源識(shí)別培訓(xùn)模塊。與真實(shí)場景相同，危險(xiǎn)源識(shí)別培訓(xùn)模塊可以模擬出真實(shí)環(huán)境下的危險(xiǎn)源征兆，比如瓦斯、煤塵、運(yùn)輸、主扇、壓風(fēng)、排水、供電，以及水、火等。可以再現(xiàn)真實(shí)井下工作中涉及到的一切危險(xiǎn)事故的發(fā)生，以及誘發(fā)事故發(fā)生的因素，培訓(xùn)者可以按照自己所掌握的安全知識(shí)對系統(tǒng)所提出的提問進(jìn)行作答，答案由已被設(shè)定好的考評管理系統(tǒng)進(jìn)行考核，并在糾正答錯(cuò)問題之后，對全部問題進(jìn)行真實(shí)事故演示，包括誘發(fā)原因、事故發(fā)生過程、原因分析，以及事故所造成的嚴(yán)重后果，并在最后演示危險(xiǎn)征兆出現(xiàn)后，工作人員正確處理問題的方式。

（3）事故仿真模擬培訓(xùn)模塊。該模塊可以分析出各種類型事故的發(fā)生原因，從危險(xiǎn)征兆出現(xiàn)，到事故發(fā)生，再到事故發(fā)展過程和導(dǎo)致的后果，整個(gè)一系列完整的過程都能被模擬出來。事故類型包括了水、火、瓦斯、頂板冒落等，這種很強(qiáng)的交互式培訓(xùn)模式，能夠在很大程度上增強(qiáng)工作人員對各種事故發(fā)生的了解，提高他們危險(xiǎn)識(shí)別的意識(shí)，提升發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)征兆的敏感度，從而對事故有著更深刻的認(rèn)識(shí)。

（4）自救逃生培訓(xùn)模塊。自救逃生培訓(xùn)模塊是根據(jù)每種類型事故和以往典型事故發(fā)生時(shí)的狀況，對可能存在和已經(jīng)存在的逃生線路進(jìn)行場景設(shè)計(jì)，真實(shí)再現(xiàn)各樣事故發(fā)生時(shí)的虛擬仿真環(huán)境，包括了對水、火、瓦斯、頂板冒落等事故的模擬。該模塊也是通過人機(jī)交互的方式去讓工作人員面對不同的危險(xiǎn)，以及在逃生過程中可能遇到的各種情況做出選擇和交互式操作。

（5）事故營救演練培訓(xùn)模塊。事故營救演練培訓(xùn)模塊是針對各種可能發(fā)生的事故，以及事故發(fā)生后工作人員所采取的具體營救行為設(shè)計(jì)的。需要我們能夠制定出多種不同的營救方案，并根據(jù)每一種具體方案進(jìn)行場景和設(shè)備的建模及動(dòng)畫、與系統(tǒng)交互的開發(fā)制作，系統(tǒng)將會(huì)展示出每一種營救行動(dòng)最有效、簡單、快速的營救步驟，以及在營救過程中可能遇到的各種突發(fā)狀況的處理方式。

（6）安全培訓(xùn)考核管理模塊。安全培訓(xùn)考核管理模塊是針對工作人員在培訓(xùn)過程中接受一定任務(wù)考核，以及整個(gè)培訓(xùn)工作完畢后接受完整的最終考核而設(shè)計(jì)的。最終考核內(nèi)容就是整個(gè)培訓(xùn)內(nèi)容，包括針對危險(xiǎn)源的識(shí)別、事故方針模擬、自救逃生、事故營救演習(xí)等模塊中的重點(diǎn)內(nèi)容和任務(wù)。基礎(chǔ)知識(shí)通常以選擇題和簡答題的形式呈現(xiàn)給參加考試的人員，除此之外，還有模擬演習(xí)，其考核標(biāo)準(zhǔn)是正確的操作流程和處理方式。最后，所有參加考試人員的成績將被記錄在系統(tǒng)內(nèi)，然后由系統(tǒng)進(jìn)行評估打分，將考試不合格者篩選出來，并通知他們準(zhǔn)備下一次培訓(xùn)。

4 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于煤礦安全培訓(xùn)中的前景展望

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容還是很多的，在結(jié)合計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)的前提下，其應(yīng)用范圍也正在逐漸擴(kuò)展，包括電子傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能，甚至是心理學(xué)等在內(nèi)的自然科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域都在嘗試應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并在個(gè)別領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用中取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成果。但從技術(shù)角度去分析，我們發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在很多需要完善的地方，比如受硬件和軟件因素制約，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還只能達(dá)到部分真實(shí)的程度，特別是對高標(biāo)準(zhǔn)和高要求的模擬。

在煤礦安全培訓(xùn)中，我們既需要強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做支撐，以使安全培訓(xùn)能更好地向真實(shí)場景演習(xí)靠攏；又需要堅(jiān)持煤礦安全培訓(xùn)的總體設(shè)計(jì)和基本原則，讓參加培訓(xùn)的工作人員在現(xiàn)代高科技培訓(xùn)中有效提升自我安全工作意識(shí)和安全作業(yè)的能力，所以我們說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與煤礦安全培訓(xùn)的結(jié)合是有效實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)目的的重要方式和手段。鑒于煤礦作業(yè)本身對先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的使用比較慢，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前所存在的諸多問題暫時(shí)還不會(huì)影響到它在煤礦安全培訓(xùn)中的作用，而且在使用中對硬件和軟件的要求也不會(huì)太高，所以按照當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行操作還是具有很大的現(xiàn)實(shí)意義的。

5 結(jié)束語

當(dāng)前世界范圍內(nèi)對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探索和研發(fā)還處在摸索階段，我們對它的應(yīng)用也僅限于表層，但相信在相關(guān)科研人員的攜手努力下，終有一天它會(huì)成為我們與計(jì)算機(jī)交互方式最大的一種轉(zhuǎn)型，改變?nèi)藗兣c科技之間的關(guān)系，而這種成功的轉(zhuǎn)型和人機(jī)關(guān)系融洽度的逐漸提升，也為我們進(jìn)行煤礦安全培訓(xùn)提供了更加可靠且有利的支持，從而直接推動(dòng)著煤炭安全防護(hù)方式的升級。