虚拟现实技术在安全培训中应用分析

虚拟现实技术在安全培训中应用分析

张立强华北科技学院安全培训处燕郊 065201

摘要：在介绍虚拟现实技术概况的基础上，系统地分析了虚拟现实技术在煤矿安全生产培训

上面的应用，重点介绍了虚拟现实技术的研发、国外煤矿企业安全生产从业人员培训方面的应

用和发展等现状，并对虚拟现实应用在安全培训上的优点进行了阐述，最后对虚拟现实技术在

煤矿安全中应用的研究重点、研究方向和发展趋势提出了建议。

关键词：虚拟现实，煤矿安全，煤矿灾害模拟，安全培训

虚拟现实(Virtual Reality)技术是20世纪80年代末发展起来的一项高新技术，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人－机接口技术、传感器技术、高度并行实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术，是模拟仿真技术的最新、最高层次，是当今世界前沿科学之一。

VR系统基本上是一种实时的对真实世界加以模拟的计算机系统，由硬件和软件两部分构成。硬件部分包括快速通用处理器、专用图像处理器、输入设备和输出设备。软件部分具有产生虚拟世界图像和目标处理的功能。虚拟现实技术为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察运动变化规律的事物，提供了极大的便利。

1 在安全培训中应用现状

煤矿开采特别是井工开采，与地面工业生产相比不仅环境恶劣，而且具有很大的复杂性。煤矿的复杂环境和不安全因素等导致煤矿从业人员的培训不可能在现场进行，随着近年来虚拟现实技术的不断发展和其优点的愈加明显，也逐渐在煤矿安全培训中有所应用。

(1) 为解决煤矿复杂、多变、危险条件下的岗位培训等方面的难题，英国研究了一种可提高矿井灾害区域识别和危险人员评定质量的虚拟现实(VR)系统[1]。采用VR系统培训非常安全，且可视性强，使受训者身临其境地去接触、认知和处理各种灾变情况。如矿井布局、动态作业和矿井环境等定型模拟均可随意设定，而矿井人员则可在虚拟的矿井内任意活动并做出重要决定。其决定效果的好坏均能立刻反馈于受训者。该系统主要包括运输卡车灾害识别系统，安全检查培训和矿井事故培训系统。

(2) 诺丁汉大学的AIMS研究所已经开发了许多与采矿工业安全培训相关的桌面VR系统[2]，包括：在安全生产实践中培训露天矿汽车司机；在常规安全监察中培训和测试新矿工；在事故反应中培训和测试矿山救护队。比如一旦确定某项具体的操作情景，就可以加入各种不同的风险情况，当然这些风险(包括静态风险和动态风险)是驾车行驶在矿坑中的司机可能遇到的。

(3) 美国宾西法尼亚大学开发了VR矿工培训系统[3]。该系统允许用户在虚拟工作面上检查工作面的故障隐患，如顶板支护是否合理，查看工作面设备是否正确放置，以及应该采取哪些措施。应用该系统可以培训矿工的安全意识。德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG，是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计、工作面状况等方面的简化条件，学生可以进行管理和决策。目前，中国矿业大学和DMT－TFH合作，已将STMBERG应用于真实矿井中。

(4) 澳洲的新南威尔士大学(UNSW)采矿工程学系应用法国达索系统领先的3D技术，已开发出面向煤炭开采行业的虚拟现实(VR)培训系统，国外一些先进的采矿公司已经开始使用。

图1 虚拟现实的采煤工作面图2 虚拟现实培训平台操控系统该系统通过3D虚拟技术，可模拟矿坑内常出现的问题，提供处理方式的虚拟训练，其中包括自主逃生、倒班前矿车检查、危险预警、隔离程序、瓦斯突出管理、煤层自燃等各种情况。通过虚拟现实训练来有效地保障矿工的安全、减低矿难损失。这项技术能够在虚拟的矿山环境中为新矿工和有经验的矿工教授与培训安全工作程序，并使他们免于接触真实矿山环境中的各种危险因素。煤炭企业在矿山救援培训方面，率先采用了虚拟现实技术，并一直成为矿山救援虚拟现实培训的领先者。

2研发与应用

虚拟现实培训技术的研发历程大概有以下3个阶段。

2.1概念提出阶段

1999年，煤炭企业提出了“虚拟现实培训”的概念，并出资进行了模拟评价。2000年，煤炭企业董事会请求新南威尔士大学开展一项虚拟现实培训的研究计划。煤炭企业随后与新南威尔士大学开展了平板背部投影虚拟现实系统实验，并进行了“概念验证”。澳大利亚煤炭协会研究项目(ACARP)为煤炭企业“矿山救援”部门拨款4万美元，安装了一个平板背部投影的虚拟现实系统。

2.2创新发展阶段

2005年，煤炭企业进行了弧形屏幕试验，并开发了培训软件(模块)，这是虚拟现实培训的重要创新。2007年，澳大利亚新南威尔士州4个矿山救援站建立了虚拟现实培训中心。2009年，煤炭企业董事会请求昆士兰大学开展一项研究计划——“虚拟现实培训在安全和学习保持方面所带来的好处。”煤炭企业投资850万美元，开发了一个完全身临其境的三维虚拟现实培训项目。这种先进的培训工具，模拟了危险的矿山环境情景，帮助员工积累处理危险因素的实际经验。

2.3商业化推广阶段

2010年，煤炭企业虚拟现实培训中心对原始培训模块进行了改进，以提高其灵活性和商业化水平。新一代的培训模块涵盖了井工矿与露天矿的整个开采过程。同时，还改进了培训师的硬件设备。

虚拟现实培训的硬件设施主要有以下3种类型。

图3 虚拟现实穹形剧院

穹形屏幕剧院——可容纳1-4人，主要设施是1个3.5m高的180°玻璃纤维半球和1个投影仪，每个平台有3个穹形屏幕。

图4 虚拟现实弧形剧院

弧形屏幕剧院——可容纳30人，主要设施是一个8m长和3.5m宽的110°弧形屏幕，以及3台投影仪提供虚拟矿山图像。这种屏幕剧院是讲堂式的，适合讲解基础知识。

图5 虚拟现实360度剧院

360°剧院——可容纳15-20人，12部投影仪(6对循环组)呈圆形排列，投影仪在一个120m2 的360°圆柱形屏幕上投影图像，6台计算机生成一个360°的全景3D影像，1台主计算机协调投影仪生成的图像。所有虚拟现实平台使用全环绕音响系统。

3虚拟现实技术培训的优点