基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計研究

摘 要：將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)對于提高礦業(yè)生產(chǎn)安全性具有重要意義，本文提出利用計算機(jī)虛擬技術(shù)，綜合三維圖形、感觀反饋、立體聲和語音等技術(shù)建立虛擬場景系統(tǒng)，讓工人可以通過這樣的系統(tǒng)提高安全生產(chǎn)意識和處理突發(fā)事件的能力，從而達(dá)到提高安全生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；培訓(xùn)系統(tǒng)；煤礦安全

0 引言

安全生產(chǎn)培訓(xùn)一直是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，提高工作人員安全防范水平、加強(qiáng)其應(yīng)對和處理事故能力是進(jìn)行安全培訓(xùn)的主要目的。傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)多以文字圖片進(jìn)行宣傳教育或是多媒體視頻播放為主，這些資料雖然可以正面?zhèn)鬟_(dá)給工作人員如何應(yīng)對和處理突發(fā)事故，但是無法真正達(dá)到訓(xùn)練其對突發(fā)事故的應(yīng)對能力。因此效果不是很理想。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械和礦業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域，在其生產(chǎn)培訓(xùn)、試驗(yàn)和創(chuàng)新中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在礦業(yè)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用來建立數(shù)據(jù)模型、事故重現(xiàn)及仿真訓(xùn)練等，之所以被如此廣泛應(yīng)用，原因在于其依靠傳統(tǒng)的方式難于達(dá)到提高訓(xùn)練者預(yù)防和處理突發(fā)事故的能力。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是綜合了計算機(jī)三維圖形技術(shù)，感觀反饋、立體聲、語音輸入輸出以及廣角立體顯示技術(shù)等，創(chuàng)造出為使用者提供身臨其境的三維世界，并且進(jìn)行感觀交互的人工環(huán)境。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其提供聽覺、觸覺、視覺等感觀模擬的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，發(fā)展迅猛。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)：

（1）環(huán)境模擬：利用計算機(jī)模型產(chǎn)生實(shí)時三維圖形，根據(jù)使用者所需工作環(huán)境或?qū)嶒?yàn)場所的空間方位及時間參數(shù)等數(shù)據(jù)模型，可以設(shè)計出很逼真的模擬圖像，同時結(jié)合立體顯示技術(shù)呈現(xiàn)給使用者完美的模擬系統(tǒng)，需要注意的是空間或環(huán)境變化時顯示刷新頻率對于使用者感觀的影響。

（2）感觀反饋：可以通過立體聲效果實(shí)現(xiàn)聲音方位和遠(yuǎn)近的改變，通過帶有震動觸點(diǎn)的道具模擬觸覺感應(yīng)，以此來實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)中聽覺觸覺的反饋效果。

（3）人機(jī)互動：通過語音識別系統(tǒng)或者計算機(jī)進(jìn)行語音或命令輸入。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的以上特點(diǎn)完全適用于煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)系統(tǒng)，通過計算機(jī)3D技術(shù)模擬出煤礦生產(chǎn)環(huán)境，用戶以第一視角進(jìn)入，可以熟悉工作環(huán)境、訓(xùn)練各種工作技能，應(yīng)對突發(fā)情況等。

（4）三維動畫效果：場景制作完成后需要使用Adobe Premiere Pro將音效和動畫進(jìn)行合成和剪輯，還需要使用轉(zhuǎn)場效果及特效來達(dá)到逼真效果。

2 煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1所示，礦井作業(yè)模擬系統(tǒng)由計算機(jī)控制系統(tǒng)來操控整個系統(tǒng)，用戶登陸后通過計算機(jī)控制系統(tǒng)連接運(yùn)動控制接口，可以通過啟用采掘模塊進(jìn)行采掘模擬訓(xùn)練；通過啟用風(fēng)險識別模塊訓(xùn)練工人判斷、識別和處理危險的能力；通過互救、逃生訓(xùn)練鍛煉工人自救和相互救助的意識。同時用戶還可以通過傳感器控制感受第一視覺漫游礦井，熟悉礦井生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)設(shè)備，這對于新員工來說非常必要，可以通過模擬系統(tǒng)盡快熟悉工作環(huán)境。

3 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建主要以創(chuàng)建不規(guī)范生產(chǎn)操作、重大生產(chǎn)事故示例和安全事故應(yīng)急預(yù)案演練模型為主，使用戶可以通過模擬系統(tǒng)達(dá)到親身體驗(yàn)的目的，培訓(xùn)系統(tǒng)主要采用3DS MAX建模和渲染。

其中大型設(shè)備采用多邊形建模技術(shù)，以先精模后簡模為原則，建模前需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際尺寸確定模型的比例，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模型運(yùn)動軌跡和參數(shù)；小型設(shè)備則使用圖片處理軟件和貼圖技術(shù)進(jìn)行處理，多采用紋理貼圖以提高仿真度。

井下巷道模型應(yīng)該按照實(shí)際巷道的尺寸、復(fù)雜程度和礦井生產(chǎn)圖紙來構(gòu)建三維模型，力求模型比例與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境相符合，為了保證安全培訓(xùn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，按照由簡單到復(fù)雜遞進(jìn)的順序依次創(chuàng)建，形成系統(tǒng)的巷道模型庫，應(yīng)對生產(chǎn)環(huán)境隨時擴(kuò)展的可能性。

場景建模主要是根據(jù)實(shí)際巷道環(huán)境創(chuàng)建包括電纜、機(jī)電設(shè)備、管道和支架等輔助設(shè)備，主要采用貼圖技術(shù)，使場景模型更加逼真。利用特效編輯器生成煙霧，利用燈光設(shè)置達(dá)到瓦斯爆炸效果，后續(xù)連鎖反應(yīng)會涉及到物理模塊及反應(yīng)堆力學(xué)技術(shù)。

人物模型的建立極為關(guān)鍵，人物造型是否逼真直接反映了模擬系統(tǒng)的仿真質(zhì)量。在進(jìn)行人物建模時首先進(jìn)行外形創(chuàng)建，以實(shí)際生產(chǎn)的不同工種為原型進(jìn)行分角色設(shè)計，人物運(yùn)動效果要注重細(xì)節(jié)，如對安全事故發(fā)生時人物的反應(yīng)和動作要進(jìn)行動作采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，作為突發(fā)事故時人物反應(yīng)的分析資料。人機(jī)交互則利用VIrtools實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合可以說為提高煤礦安全生產(chǎn)、增強(qiáng)工作人員處理礦井危機(jī)的能力具有重要意義，類似的系統(tǒng)在很多煤炭集團(tuán)都得到了廣泛的應(yīng)用，效果也非常顯著，相信其在不久的將來會發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅巖.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)[J].工礦自動化，2014.

[2]高紅森.基于3D和Virtools的煤礦安全行為模擬[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2010.

[3]韓可琦.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在綜采工作面仿真中的應(yīng)用[J].計算機(jī)仿真，2006.

[4]沈?qū)W利.基于虛擬現(xiàn)實(shí)大型礦山機(jī)械建模研究[J].煤礦機(jī)械，2010.