基于VR技術煤礦災害應急處置培訓模式應用設計

陳強盛 王 云 萬紅紅

（大同煤礦集團有限責任公司礦山救護大隊，山西大同，037003）

通常情況下，在礦井發生重大災害事故初期，災害波及的范圍和對人員的危害都比較小，既是搶救事故的有利時機，又是決定礦井和人員生命安全的關鍵時刻[1]。事故發生后，礦山救護隊不可能由地面馬上趕到事故現場進行搶救，而處于災區的現場作業人員在萬分危急的情況下，依靠自己的智慧和力量，積極、正確地采取應急自救互救，是保證災區人員自身安全、將災害事故消滅在萌芽階段和初始狀態，最大限度地減少人員傷亡和事故損失的重要環節。即使在事故處理中、后期，現場作業人員積極開展應急自救互救，對提高搶險救災工作成效也有重要的作用。因此，如何加強職工對煤礦災害事故的認識、提高自身防范意識、提高應急救援及自救能力，是各大煤礦亟待解決的問題。

1 煤礦災害應急處置培訓現狀分析

目前，我國煤礦災害應急處置的培訓概括起來主要有三種模式，均有各自的優勢和不足。

培訓模式傳統式課堂授課培訓多媒體教室教學培訓模擬事故現場教學培訓優勢課堂培訓多為事故案例分析，剖析事故發生的原因、解析事故發生的過程和相關應急處置措施，并總結經驗。課堂培訓能夠在理論上對事故進行詳細的講解，完善的數據和資料能夠形成一個較為準確的衡量標準，對工作有著強大的理論支持。課堂培訓多為事故案例分析，剖析事故發生的原因、解析事故發生的過程和相關應急處置措施，并總結經驗。課堂培訓能夠在理論上對事故進行詳細的講解，完善的數據和資料能夠形成一個較為準確的衡量標準，對工作有著強大的理論支持。模擬事故現場教學培訓通常以搭建實體模型的方式還原事故災害發生的全過程，此種培訓方式直觀立體，職工可以從各個角度觀察到事故的起因、細節等，有較強的現場感及參與感。不足課堂培訓缺少直觀立體的觀察分析，職工在接受培訓的過程中屬于被動學習，缺乏參與感，并且絕大多數員工難以做到將自己學到的理論知識完全應用到實際工作中。課堂培訓缺少直觀立體的觀察分析，職工在接受培訓的過程中屬于被動學習，缺乏參與感，并且絕大多數員工難以做到將自己學到的理論知識完全應用到實際工作中。模擬事故現場教學培訓需要搭建大量的模型，消耗大量的人力、物力、財力，且實體模型壽命有限，不適合做災難演示。

2 基于VR技術煤礦災害應急處置培訓模式的設計

2.1 VR及VR+煤礦災害應急處置培訓模式

VR技術就是借助于計算機技術及硬件設備，實現人們可以通過視聽等手段所感受到的虛擬幻境。近年來VR逐漸火熱，但將VR技術成功應用于教學領域較少，尤其是以VR+煤礦災害應急處置在我國還沒有一套成熟的解決方案。

VR+煤礦災害應急處置培訓模式的提出，就是利用VR 技術的優勢，還原事故發生前征兆、事故突發時情景、事故發生后應急處理措施，同步反映災害中可能出現的震動、煙熱等。加入煤礦災害應急處置的元素，使受訓者利用人體輸入學設備，結合屏幕畫面仿真實物實施教學引導操作，實現人機交互式體驗。任務操作過程中，系統帶有文字配套語音講解的提示信息幫助操作者更好的實施系統任務操作。受訓者在任務操作過程中若不規范操作，將引起事故擴大并造成更嚴重的損失，從而加深體驗者對安全生產的認識。針對災害事故正確處置進行專業性的培訓，能有效從根本上改善我國煤礦災害應急處置的培訓狀況。

2.2 系統方案

系統由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分包括輕便式的無線VR一體機、高清觸摸顯示屏、網絡路由器等組成，軟件部分包括虛擬礦井建模和事故場景構建，建模以maya、3Dmax等軟件作為建模工具，建模質量為“精模”，仿真程度為“高級”，場景內容逼真度極高，虛擬礦井模型內容主要為采、掘、機、運、通、排六大系統，虛擬礦井建設完全以真實礦井為藍本，1:1 還原煤礦生產系統及機械設備。事故場景構建以事故發生過程體驗和事故發生后的處置為主，加入瓦斯爆炸粒子、火災粒子、煙霧粒子、沖擊波聲音粒子、水浪沖擊粒子等元素，以震撼的VR方法模擬水災、火災、瓦斯、煤塵、頂板等事故發生過程，加入災害發生后避災、選擇正確的路線進行逃生、選擇正確的工具滅火等內容。

2.2.1虛擬現實頭戴顯示系統（VR頭盔）

虛擬現實頭戴顯示系統是實現雙目立體視覺的重要設備（圖1），其內部有左右兩片高分辨率的鏡片式液晶屏幕，配帶者通過左右眼觀察對應屏幕，從而實現雙目立體視覺。此外虛擬現實頭盔顯示器還包含先進追蹤傳感器（激光定位傳感器）、加速計、陀螺儀、手柄、存儲單元、微控制器等，實現定位、跟蹤及交互功能。

圖1 虛擬現實頭戴顯示系統（VR頭盔）

本系統采用Pico Neo-USTEP 無線VR 一體機頭盔，具備inside-out 六自由度定位能力，處理器驍龍835，8 核，單眼分辨率不低于1 440×1 600，刷新率不低于90 Hz，視場角不低于100度，內置VR煤礦災害事故應急處置沉浸式桌面系統，啟動頭盔即可直接進入，不受線纜束縛，操作便捷。

2.2.2 軟件設計方案

VR 煤礦災害應急處置培訓軟件包含礦井基礎認知、煤礦瓦斯災害處置、煤礦火災災害處置、煤礦水災災害處置、煤礦頂板災害處置、煤礦煤塵災害處置六大模塊。通過VR 虛擬仿真技術實現逼真的場景還原，事故重現，從而給予體驗者更加深刻的安全認知。

（1）建立礦井基礎模塊

用虛擬仿真VR 體驗形式認知礦井關鍵位置，包括：綜采工作面、掘進工作面、水泵房、機電硐室、永久避難硐室；場景模型：罐籠、綜采工作面巷道、采煤機、刮板機、液壓支架、端頭支架、皮帶運輸機、破碎機、提升機、掘井工作面巷道、掘進機、水泵房場景、水泵、機電硐室場景、高壓變電設備、永久避難硐室、電氣設備、壓風自救系統、防爆電話等。視角可自由旋轉，場景內自由漫游；手柄點擊學習及排查隱患點，通過地圖前往其他區域。

（2）煤礦瓦斯災害處置

用虛擬仿真VR體驗形式模擬煤礦瓦斯爆炸事故發生時，從爆炸發生地點附近撤離到永久避難硐室的全過程，包括撤離期間使用逃生設備、選擇合理路線、緊急情況處理等。設置多重突發狀況：途中經過頂板冒落區域、途徑爆炸導致的著火點。發生事故時，視覺聽覺雙重震撼逼真模擬爆炸瞬間（圖2）。

處置流程：發生瓦斯爆炸事故→背對躲避沖擊波傷害→沾濕毛巾捂住口鼻→佩戴自救器→迅速撤離→進入臨時避難倉暫時躲避→休整后離開臨時避難倉→通過由于爆炸導致的頂板塌方段→途徑爆炸導致的著火點進行滅火→觸摸鐵軌通過煙霧區→進入避難硐室→打開壓風自救系統→撥打防爆電話向調度室匯報→等待救援→回顧逃生路線。

圖2 模擬瓦斯爆炸場景

（3）煤礦火災災害處置

虛擬仿真VR 體驗形式模擬煤礦火災事故發生，從火災發生點附近撤離到副井井上全過程，包括撤離期間使用逃生設備、選擇合理路線、緊急情況處理等。

處置流程：發現大量煙霧→火災報警裝置啟動、切斷電源→佩戴自救器準備撤離→發現著火點→嘗試使用滅火器滅火→滅火失敗重新選擇撤離路線→蹲下通過煙霧區→使用防爆電話匯報火情→通過工作面-回風平巷-回風巷進入軌道上山—經下部車場-運輸大巷-主石門-副井撤出災區。

（4）煤礦水災災害處置

虛擬仿真VR 體驗形式模擬煤礦水災事故發生，從運輸上山附近撤離到風井井上的全過程，包括撤離期間使用逃生設備、選擇合理路線、緊急情況處理等。

處置流程：水浪涌來→抓住管路躲避水浪→抓住管路逆水流方向撤離→選擇避災路線→留下衣物標記撤離路線→通過風門→根據風流方向判斷巷道方向→沖過出水巷道口→使用防爆電話匯報災情→經回風石門-回風大巷-回風主石門-風井撤離出井。

圖3 模擬煤礦水災事故場景

（5）煤礦頂板災害處置

用虛擬仿真VR體驗形式模擬煤礦頂板事故發生時，被冒落頂板堵住的掘進工作面，撤離到安全位置的全過程，包括撤離期間使用逃生設備、緊急自救、緊急情況處理等。

處置流程：頂板災害發生→劇烈晃動→打開壓風自救系統→通過防爆電話與調度室聯系→敲擊物體與外界聯絡→進行冒落區域周圍頂板的支撐→等待救援人員→救援通道打通→撤離災區。

（6）煤礦煤塵災害處置

用虛擬仿真VR體驗形式模擬煤礦煤塵事故發生時，從煤塵爆炸發生地點附近撤離到副井井上的全過程，包括撤離期間使用逃生設備、選擇合理路線、緊急情況處理等。發生事故時，視覺聽覺雙重震撼逼真模擬煤塵爆炸災害場景。

處置流程：煤塵爆炸災害發生→劇烈晃動→背對躲避沖擊波→佩戴自救器→迅速逃生→進使用壓風自救系統→繞過一側脫落的防爆水袋→通過風門→使用防爆電話匯報災情→進入避難硐室更換自救器→通過副井撤離到井上。

（7）建立考核模式

所有的模塊均以事故征兆、排查、處置、事故發生過程、自救互救為主線，建立完善的考核打分制度，根據學員面對事故征兆、事故發生過程，考察學員對事故判斷和處理能力，并根據學員操作順序、規范程度與系統標準化步驟進行比對（允許學員操作與系統有一定誤差），并綜合打分，如果考核合格，則進入下一環節，如考核不合格，學員應當重新進行學習。

2.3 應用效果

通過同煤集團公司的53座礦井3 500多人參與培訓來看，培訓效果理想，實際操作性強，有效鍛煉了入井人員的心理素質，有利于培訓入井人員在災害現場正確采取應急自救互救措施，正確進行事故初期的處置，控制災情防止進一步擴大。

3 結論

通過VR 虛擬仿真技術實現逼真的場景還原，事故重現，建立事故場景VR體驗模塊，包括事故發生前的征兆，事故發生過程，事故發生后帶來的危害，以及事故發生后如何正確的應急處理。從而給予培訓學員更加深刻的安全認知與技能培訓。培訓職工可以最大限度的感受煤礦災害現場的“真實”環境，培訓效果顯著，尤其是對加強入井員工心理承受能力的培訓和面對災害采取正確的應急處置流程具有絕佳的效果。

（1）實現了培訓內容的創新，改變了傳統煤礦安全培訓以理論知識的講授為主，實現了學員接受的內容由“平面化”向“立體化”的轉變。

（2）實現了培訓過程的創新。傳統的煤礦安全培訓中，培訓老師也會應用多種現代化手段去調動課堂，但是這些手段帶給學員的仍然是“認知性”的教學過程。VR培訓將培訓過程變成了“體驗式”和“沉浸式”。

（3）實現了互動模式的創新。傳統的煤礦安全培訓中，課堂互動一般是老師與學員、學員與學員之間。將互動模式變成了學員與教學內容的互動。利用人體輸入學設備，結合屏幕畫面仿真實物，引導學員完成教學內容的學習。