非煤地下礦山安全生產(chǎn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

向軍,劉曉明

(1.廣晟控股集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510000;2.長沙迪邁科技有限公司, 湖南 長沙 410012)

0 引言

智能礦山是當(dāng)代礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。礦業(yè)作為高危行業(yè),生產(chǎn)過程往往伴隨安全事故的發(fā)生,造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此,智能礦山建設(shè)必須將礦山安全高效生產(chǎn)作為根本目標(biāo),特別是要堅(jiān)持以人為本、聚焦人的安全,注重從業(yè)人員的安全生產(chǎn)培訓(xùn)教育,提升安全意識(shí)和技能。但礦山傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)培訓(xùn)主要采取老師授課、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、師帶徒等方式進(jìn)行,形式單一、針對(duì)性不強(qiáng)、缺乏系統(tǒng)性,難以達(dá)到理想的培訓(xùn)效果。

近年來,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,VR)的不斷發(fā)展,其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè),將其應(yīng)用于礦業(yè)逐漸成為智能礦山建設(shè)研究熱點(diǎn)之一[12]。當(dāng)前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在礦山培訓(xùn)和礦山消防教育等行業(yè)不斷推進(jìn)。王靖等[3]基于Unity3D設(shè)計(jì)了虛擬礦山漫游系統(tǒng)并制定了礦山災(zāi)害逃生計(jì)劃。Sayali等[4]采用VR培訓(xùn)解決混凝土行業(yè)的主要安全問題,進(jìn)一步分析其培訓(xùn)有效性。侯建明等[5]開發(fā)了礦山事故救援系統(tǒng)框架并用于礦山災(zāi)害動(dòng)態(tài)模擬。Andrzej等[6]使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓礦工在安全可控的環(huán)境中進(jìn)行采礦模擬工作,并采用心理測(cè)試對(duì)用戶行為進(jìn)行量表解釋。黃小燕等[7]基于VR技術(shù)在礦山開展安全防范意識(shí)和操作規(guī)范等方面的培訓(xùn)。本文以凡口鉛鋅礦安全生產(chǎn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用為例,探討如何創(chuàng)新礦山安全生產(chǎn)培訓(xùn)模式,更好地服務(wù)礦山安全生產(chǎn)工作。

1 傳統(tǒng)礦山安全培訓(xùn)所面臨問題

目前凡口礦擁有大量正式職工,另有一定數(shù)量的外包施工人員、不定期接待的參觀人員,使得整個(gè)培訓(xùn)工作任務(wù)繁重,每年投入大量培訓(xùn)資金。雖然當(dāng)前凡口礦員工培訓(xùn)內(nèi)容豐富,但是形式及考核制度較為單一。

一般崗位培訓(xùn)通常為集中授課,集中授課雖然傳遞信息量大、內(nèi)容多,但是場(chǎng)景代入感不強(qiáng),難以使不熟悉井下環(huán)境的人產(chǎn)生整體的認(rèn)知。對(duì)于專業(yè)技術(shù)崗位及操作崗位的員工培訓(xùn),采用的是現(xiàn)場(chǎng)操作演練的方式,以師帶徒、經(jīng)驗(yàn)相傳。此方法雖然能夠使參加培訓(xùn)人員快速掌握操作要領(lǐng),但是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。一方面,老員工們的經(jīng)驗(yàn)可靠程度不一;另一方面,現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)增加機(jī)械設(shè)備能耗,且可能存在操作不當(dāng)導(dǎo)致人員受傷的情況[8]。

加強(qiáng)礦山安全教育培訓(xùn)、提高作業(yè)人員安全素質(zhì)是增強(qiáng)安全管理力度、減少傷亡事故發(fā)生的有效措施[9]。目前,我國非煤地下礦山安全及生產(chǎn)培訓(xùn)普遍存在以下問題[10]。

(1)只能看到局部的、靜態(tài)的場(chǎng)景,難以完整了解到所處崗位的系統(tǒng)性因素,培訓(xùn)內(nèi)容與生產(chǎn)系統(tǒng)所配套的崗位劃分配合不緊密。

(2)生產(chǎn)培訓(xùn)形式單一,多依靠會(huì)議文本及現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn),難以確保系統(tǒng)性、科學(xué)性;培訓(xùn)材料多為傳統(tǒng)三視圖和文字說明,難以使職工完全理解和掌握礦山復(fù)雜繁多的新技術(shù)、新系統(tǒng)及安全知識(shí)。

(3)多項(xiàng)培訓(xùn)同時(shí)開展,針對(duì)性不強(qiáng),講師難以講全每個(gè)環(huán)節(jié),學(xué)員理解不到位。培訓(xùn)過程缺乏跟蹤,對(duì)培訓(xùn)效果及人員狀態(tài)缺乏關(guān)注。

(4)培訓(xùn)內(nèi)容獨(dú)立于各自的信息平臺(tái),形成數(shù)據(jù)孤島,缺乏統(tǒng)一的培訓(xùn)管理機(jī)制。

(5)實(shí)機(jī)培訓(xùn)存在安全隱患且成本高。

為改善凡口鉛鋅礦礦山安全培訓(xùn)存在的上述問題,凡口礦規(guī)劃建設(shè)礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái),以視頻場(chǎng)景體驗(yàn)、VR交互等創(chuàng)新方式進(jìn)行安全教育及生產(chǎn)培訓(xùn)。

2 平臺(tái)總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)

2.1 業(yè)務(wù)流程

礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以安全教育培訓(xùn)與生產(chǎn)培訓(xùn)為內(nèi)容核心,礦山操作崗位、檢修崗位、現(xiàn)場(chǎng)管理人員、臨時(shí)參觀人員為主要培訓(xùn)對(duì)象,培訓(xùn)師及管理人員輔助開展培訓(xùn)工作,其業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)培訓(xùn)流程

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用“硬件層—數(shù)據(jù)層—管理層—應(yīng)用層—表示層”多層系統(tǒng)架構(gòu),使得系統(tǒng)具有高內(nèi)聚、低耦合、可拓展的特性。

(1)硬件層為本系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ),主要包含工作站、三維立體投影系統(tǒng)、VR頭盔、模擬器等。

(2)數(shù)據(jù)層統(tǒng)一管理仿真實(shí)踐培訓(xùn)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包含三維模型庫資料、用戶資料、培訓(xùn)資源、視頻動(dòng)畫等。

(3)管理層是不同用戶對(duì)本系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行日常操作、查看及管理。

(4)應(yīng)用層為本系統(tǒng)核心層,包含安全生產(chǎn)培訓(xùn)視頻、安全實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模塊。

(5)表示層為本系統(tǒng)面對(duì)的用戶,包括單位領(lǐng)導(dǎo)、教員、學(xué)員、管理員。

礦山安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 礦山安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 部署架構(gòu)

礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用、數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一部署在礦山技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房。為滿足各使用者及相關(guān)單位通過局域網(wǎng)訪問,也可以通過把應(yīng)用發(fā)布到外網(wǎng),方便領(lǐng)導(dǎo)或其他人員通過PC端進(jìn)行外網(wǎng)訪問本系統(tǒng),應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)外網(wǎng)分開兩臺(tái)服務(wù)器,后臺(tái)共享數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。系統(tǒng)部署如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)部署示意

2.4 系統(tǒng)模塊

根據(jù)凡口鉛鋅礦實(shí)際業(yè)務(wù)需求將安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)劃分為安全生產(chǎn)培訓(xùn)視頻、安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)3個(gè)部分的內(nèi)容,具體子系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊組成

3 系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

根據(jù)前述系統(tǒng)功能模塊劃分,結(jié)合凡口鉛鋅礦歷年安全培訓(xùn)重點(diǎn),順應(yīng)礦山安全管理新思路[11],總結(jié)如下:安全生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)幫助不同崗位職工快速了解崗位職責(zé)、安全管理規(guī)范及礦山開采工藝流程;設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)幫助操作工人、檢修工人熟悉所操作設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)、掌握正確的使用及維護(hù)方法、掌握設(shè)備點(diǎn)檢和交接班等工作流程;安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)針對(duì)礦山近10年來所發(fā)生的典型事故案例進(jìn)行還原并強(qiáng)調(diào)同類事故的整改措施和防范措施;虛擬實(shí)訓(xùn)管理新系統(tǒng)為職工建設(shè)安全培訓(xùn)檔案、職工信息庫、培訓(xùn)檔案管理、培訓(xùn)資源管理,建立一人一碼安全培訓(xùn)檔案;虛擬實(shí)訓(xùn)硬件系統(tǒng)為本平臺(tái)硬件基礎(chǔ),為諸軟件功能提供系統(tǒng)支撐。

3.1 安全生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)

3.1.1 下井安全培訓(xùn)

改變傳統(tǒng)人工講解、口頭交代等方式進(jìn)行的下井安全教育,通過三維畫面直觀生動(dòng)展現(xiàn)人員下井、井下行走、升井等安全注意事項(xiàng),形象、生動(dòng)、準(zhǔn)確地表達(dá)下井安全須知各項(xiàng)規(guī)定,主要內(nèi)容包括:企業(yè)基本情況介紹、基本法律法規(guī)、入井前的準(zhǔn)備、乘坐設(shè)備注意事項(xiàng)、井下行走安全注意事項(xiàng)、井下攜帶工具安全注意事項(xiàng)、井下安全信號(hào)的辨識(shí)、井下安全設(shè)施、井下安全標(biāo)志、勞保用品使用步驟等內(nèi)容,系統(tǒng)內(nèi)容界面如圖5所示。

圖5 下井安全須知畫面效果

3.1.2 生產(chǎn)認(rèn)知培訓(xùn)

基于凡口鉛鋅礦井上下的三維場(chǎng)景仿真,通過CG技術(shù)手段,展現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)及發(fā)展規(guī)劃,介紹礦山井下各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝環(huán)節(jié)。生產(chǎn)系統(tǒng)以礦石物流作為線索,從生產(chǎn)系統(tǒng)的組成、采礦方法、運(yùn)輸提升、地表轉(zhuǎn)運(yùn),礦物處理到最終的成品,主線貫穿始終,相應(yīng)的工業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)裝備、自動(dòng)化智能化建設(shè)完美帶出,從而完整展現(xiàn)礦山形象,系統(tǒng)內(nèi)容界面如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)認(rèn)知畫面效果

3.2 安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

基于VR技術(shù),結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備,以三維動(dòng)態(tài)的形式全真模擬出礦山施工作業(yè)的真實(shí)場(chǎng)景和險(xiǎn)情,實(shí)現(xiàn)礦山安全教育和培訓(xùn)演練的目的。

礦山事故警示教育(VR版)以凡口鉛鋅礦發(fā)生的冒頂片幫、機(jī)械傷害、觸電等典型安全事故為藍(lán)本,通過VR技術(shù)還原事故發(fā)生全過程,使觀看者在沉浸式的環(huán)境中感受事故帶來的巨大傷害,系統(tǒng)結(jié)合三維模擬、特效、語音等多種方式分析事故原因、事故責(zé)任追究、事故預(yù)防、應(yīng)急救援措施及災(zāi)害應(yīng)急處置措施的內(nèi)容,系統(tǒng)內(nèi)容界面如圖7所示。

圖7 典型安全事故模擬

3.3 設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

通過虛擬仿真與實(shí)體模擬器的結(jié)合讓體驗(yàn)者在一個(gè)虛擬的駕駛環(huán)境中,感受到接近真實(shí)效果的視覺、聽覺的設(shè)備操作體驗(yàn),進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)、撬毛臺(tái)車、鑿巖臺(tái)車等生產(chǎn)裝備操作崗位的培訓(xùn),幫助設(shè)備操作工人了解崗位職責(zé)、熟悉所操作設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)、掌握正確的使用及維護(hù)方法、掌握設(shè)備點(diǎn)檢和交接班等工作流程,圖8為鏟運(yùn)機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)場(chǎng)景。

圖8 鏟運(yùn)機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)場(chǎng)景

3.4 虛擬實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)創(chuàng)建基于C/S模式,方便知識(shí)點(diǎn)維護(hù)和共享,支持用戶數(shù)據(jù)管理及相關(guān)統(tǒng)計(jì),并能記錄和分析職工任務(wù)完成情況,建立后臺(tái)管理程序,方便知識(shí)點(diǎn)更新和擴(kuò)展,以及用戶信息庫維護(hù),創(chuàng)建統(tǒng)一的培訓(xùn)管理數(shù)據(jù)中心,有效管理人員培訓(xùn)檔案、各類培訓(xùn)資料,建立培訓(xùn)管理檔案,使管理者和教員準(zhǔn)確掌握職工的培訓(xùn)記錄、培訓(xùn)進(jìn)度等信息,有針對(duì)性開展培訓(xùn)工作,實(shí)現(xiàn)在線共享,促進(jìn)培訓(xùn)管理水平的提高,圖9為該系統(tǒng)架構(gòu)。

圖9 管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

3.5 虛擬實(shí)訓(xùn)硬件系統(tǒng)

虛擬實(shí)訓(xùn)硬件系統(tǒng)由主動(dòng)立體投影系統(tǒng)、VR虛擬實(shí)訓(xùn)裝備、設(shè)備實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)、音響擴(kuò)音系統(tǒng)和培訓(xùn)配套系統(tǒng)等組成,硬件平臺(tái)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件架構(gòu)

為滿足多人同時(shí)虛擬實(shí)訓(xùn),設(shè)計(jì)立體投影系統(tǒng),其中包括三維立體投影儀、投影環(huán)幕、融合機(jī)、3D主動(dòng)立體眼鏡、3D立體信號(hào)發(fā)射器、主機(jī)等配套設(shè)備。主動(dòng)立體投影系統(tǒng)由三維立體工程投影儀、投影幕布、投影儀吊裝機(jī)構(gòu)、融合機(jī)、3D立體信號(hào)發(fā)射器、3D主動(dòng)立體眼鏡和智能無線傳屏軟件系統(tǒng)組成,系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。

圖11 主動(dòng)立體投影系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)語

凡口鉛鋅礦以智能礦山建設(shè)為契機(jī),建成了國內(nèi)首家礦山安全生產(chǎn)虛擬實(shí)訓(xùn)中心,較好地解決了傳統(tǒng)礦山安全培訓(xùn)教育通常以口述言傳、方式單一的培訓(xùn)方式。開發(fā)了一套非煤地下礦山安全生產(chǎn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái),采用虛擬仿真＋三維動(dòng)畫＋信息化平臺(tái)的技術(shù)手段,可視化表達(dá)安全生產(chǎn)知識(shí)點(diǎn),讓參訓(xùn)人員易理解、易接受。該平臺(tái)利用VR技術(shù),并依托于崗位安全操作規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書等內(nèi)容建設(shè),因此具備高度的適應(yīng)性與適用性。該平臺(tái)在凡口鉛鋅礦投入使用以來取得了良好的培訓(xùn)效果,對(duì)其他非煤地下礦山企業(yè)配置安全生產(chǎn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有較大參考借鑒意義。