地下礦山安全虛擬實訓平臺建設

張柏 ，寇向宇 ，張翼翔 ，鄢德波 ，李沛俊 ，王亞萍

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

由于我國資源分布的特殊性，礦產資源多以地下礦產為主，而開采地下礦產資源相對復雜，經常出現冒頂片幫、透水、火災、爆炸等安全事故，使國家與企業遭受重大的財產損失及人員傷亡。為加強非煤地下礦山的安全生產工作，國家相關部門經過多年的不懈努力，建成了《安全生產法》《礦山安全法》《礦山安全法實施條例》《安全生產許可證實施條例》等法律法規來規范礦企的生產作業工作。但是隨著社會結構的不斷變化，礦山企業中的人員流動也越來越快，人員的安全意識、人員素質參差不齊，安全體系和安全培訓工作的形式落后，礦業院校教育模式單一等問題都對礦山企業安全管理和礦業院校教育工作造成了一定的影響。因此，有必要對礦山企業安全培訓和礦業院校教育的模式進行改進，將虛擬仿真技術應用到礦山安全的培訓教育中，構建完整統一的安全虛擬實訓平臺，幫助學員有效掌握安全理論知識，指導學員開展各項創新活動，提高礦山企業和礦業院校安全培訓教育的效率和質量，培養滿足信息化時代要求的專業人才，實現礦山企業員工招聘和礦業院校人才培養的無縫對接，并為企業和高校自身樹立良好的標桿形象。

安全貫穿于企業生產全過程，安全教育培訓和管理是保障礦山企業生產和效益的前提條件，為此，國內許多學者在安全教育培訓方面進行了大量的研究工作。張志勇等[1]從信息安全類課程教學與實踐兩大環節中的共性問題入手，在分析信息安全技術課程實際教學活動的基礎上，提出教學內容點面結合、教學實踐知行合一的內容安排與學生認知評價體系，該教學模式在信息安全工程與應用型本科人才培養中取得了較好的效果，達到了厚基礎、重實踐的培養目標；陽富強等[2]結合安全工程專業實驗教學的現狀，構建了多層次、多模塊虛擬仿真實驗教學體系，重點建設消防工程學、機械安全、建筑安全、化工安全等四大領域的虛擬仿真教學平臺，從校內資源共享、校際平臺分享、社會服務 3個方面分析了本專業虛擬仿真實驗教學平臺的應用前景；王睿等[3]分析了海洋地質專業實驗教學的現狀，提出了進行虛擬仿真實驗教學平臺的建設思路，以及以海洋專業特色和海洋科學研究領域最新成果為導向，在教學資源、教學終端、教學資源管理平臺和教學環境平臺4個方面的建設內容。

虛擬仿真實驗教學是信息技術促進實驗教學改革與創新的產物[4]，也是高等教育信息和實驗教學示范中心建設的重要內容[5]；礦業虛擬仿真教學實驗室[6]是礦業實驗室與虛擬仿真技術融合的產物，是礦業院校實驗教學的重要組成部分；在地質學中[7]，國內外高校已經將虛擬仿真技術應用到教學中，使其打破了傳統教學的時空限制。

劉方等[8]鑒于目前煤礦安全監控系統實訓課程中無充足的設備用于實驗，開發并實現了煤礦安全監控系統虛擬實訓平臺，通過平臺無須連接真實分站和傳感器即可對各類測點數據進行定義，并能驗證參數設置的正確性，從而達到節約成本、提高實訓質量的目的。

1 安全虛擬實訓平臺設計

1.1 系統架構

地下礦山安全生產實訓平臺系統設計架構如圖1所示。

圖1 礦山安全生產實訓平臺系統設計架構

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

（2）數據層統一管理仿真實踐培訓系統的所有數據，包含三維模型庫資料、用戶資料、培訓資源、視頻動畫等。

（3）管理層是不同用戶對本系統相關業務進行日常操作、查看及管理。

（4）應用層為本系統核心層，包含安全生產實訓視頻、安全虛擬實訓系統、設備虛擬實訓系統。

（5）表示層為本系統面對的用戶包括領導、員工、管理員。

1.2 業務流程

地下礦山安全虛擬實訓平臺以安全教育培訓與生產培訓為內容核心，以礦山操作人員、檢修人員、現場管理人員、臨時參觀人員為主要培訓對象，培訓師及管理人員輔助開展培訓工作，其設計業務流程如圖2所示。

圖2 設計業務流程

1.3 系統部署

地下礦山安全虛擬實訓平臺、數據服務器統一部署在礦山技術中心網絡機房，為了使各使用者及相關單位既可以通過局域網訪問，也可以通過應用服務器發布到外網，方便領導或其他人員通過 PC端進行外網訪問本系統，應用服務器內外網分開設置兩臺服務器，后臺共享數據庫服務器。系統設計部署如圖3所示。

圖3 系統設計部署

2 安全虛擬實訓平臺開發

2.1 開發目標

地下礦山安全虛擬實訓平臺開發的總體目標是汲取國內外先進培訓管理和方法的精華，結合自身安全實訓需求實際情況，緊緊圍繞安全生產根本任務，適應經濟社會快速發展對人員的安全培訓、實訓新要求，以提高員工的安全意識和設備操作實踐為核心，以現代信息技術為依托，以礦山安全生產培訓、常用設備和常見安全事故內容為指向，以完整的安全仿真培訓項目為基礎，建設礦山安全虛擬實訓系統，采用虛擬仿真+三維動畫+信息化平臺，開啟易于接受、易于理解的培訓新模式，可視化表達安全生產知識點，有效提高安全培訓質量。

2.2 開發原則

地下礦山安全虛擬實訓平臺從礦山的實際業務管理模式出發，在開發上應充分考慮到今后系統運行管理的經濟性、安全性和可靠性。在采用成熟先進的主流技術和主流產品的基礎上，在技術開放和高度集成的基礎上，進行高層次的應用開發，使系統易用、易維護、易擴展且高度安全可靠。具體開發遵循實用性、先進性、標準化、可視化和可維護性的原則。

2.3 開發內容

2.3.1 安全生產實訓視頻

（1）下井安全實訓視頻。礦山企業崗位基數大，生產過程中會持續有新入礦的施工人員及不定期接待的參觀人員，下井安全須知培訓需求量大。傳統實景拍攝的視頻剪輯表達方式有限，拍攝機位受限，難以生動表達安全須知的內容，且井下現場拍攝光線不理想，畫面效果不佳，難以達到塑造現代化礦山企業形象的目標。本視頻通過三維畫面直觀生動地展現各項下井安全須知細節，使觀看者快速和全面地接受培訓內容，從而提高礦山安全水平；高質量的畫面制作，細致的場景仿真，可充分展現安全、綠色的現代礦山風貌。部分下井安全須知畫面效果如圖4所示。

圖4 下井安全須知畫面效果

（2） 生產認知實訓視頻。如何向新入礦的施工人員及不定期接待的參觀人員快速直觀地展現礦山總體面貌，全面講解生產系統構成、工藝特點、裝備及技術水平，需要用到三維CG工業動畫的方式。本視頻的創作是地下礦山井上井下的三維場景仿真，通過CG技術手段，展現礦山生產狀態及發展規劃，重點突出礦山工業的現代化、機械化、自動化水平，塑造標桿礦山的企業形象。部分生產認知畫面效果如圖5所示。

圖5 生產認知畫面效果

2.3.2 安全虛擬實訓系統

礦山現有的安全培訓方式較為原始，下井前安全培訓采用的視頻過于陳舊。單次培訓的效果難以達到預期，需要重復多次培訓。通用技術培訓需要人工講解，難以短期重復，只能在技術使用中逐漸熟悉。通過安全虛擬實訓平臺的學習，使下井人員切身體驗施工過程中可能發生的各種危險場景，并掌握相應的防范知識及應急措施，實現礦山安全教育和培訓演練的目的（見圖6）。

圖6 礦山安全事故實訓ⅤR體驗

2.3.3 設備虛擬實訓系統

生產實訓平臺主要服務于生產設備崗位操作的培訓，通過虛擬實訓，員工可以在實訓基地體驗高度還原的井下生產仿真場景，熟悉崗位工作內容，統一、規范、科學地培訓學員對機械操縱及車輛駕駛，彌補現場培訓容易遺漏知識點、場景單一、存在潛在安全風險等不足。隨著礦山機械化的快速發展，各類采掘及輔助設備越來越受到各大礦山的青睞，如何安全、高效培訓設備操作人員，成為礦山的一個重要課題。

通過虛擬仿真與實體模擬器的結合，讓體驗者在一個虛擬的駕駛環境中感受到接近真實效果的視覺、聽覺的設備操作體驗，進行生產裝備操作崗位的培訓，幫助不同崗位的司機及設備操作工人了解崗位職責，熟悉所操縱設備的組成與結構，掌握正確的使用及維護方法，掌握設備點檢和交接班等工作流程。

2.3.4 虛擬實訓管理系統

培訓作為礦山案例生產保障的重要一環，應作為數字礦山建設的一部分。培訓的記錄、成績的匯總數據應與礦山管理體系融為一體，這需要所有的培訓資料、培訓考核、課程管理數據集中在一個信息平臺來管理。應創建統一的培訓管理數據中心，有效管理受訓者的培訓檔案、各類培訓資料，實現在線共享，促進培訓管理水平的提高。

（1）培訓檔案管理。以職工入礦為起始，建立培訓管理檔案，使管理者和教員準確掌握職工的培訓記錄、培訓進度等信息，有針對性地開展培訓工作。功能包括：組織機構管理、實訓任務管理、賬號管理、培訓記錄管理、系統權限管理。

（2）培訓資源管理。培訓資源管理模塊具有上傳、下載、分享、查看的功能，各類虛擬仿真培訓資源可按類別在系統有序地歸類管理，從資源列表中可預覽資源詳情頁面。管理員具有資源查看、資源上傳管理、資源下載管理、資源使用情況統計分析的權限。功能包括：培訓資源管理基礎功能、培訓資源使用記錄、培訓資源使用權限管理和培訓資源使用統計。

3 安全虛擬實訓平臺應用

安全虛擬實訓平臺在礦山企業崗位培訓和礦業院校學科教育等方面具有較大的市場前景，應對其進行推廣及應用。

（1）礦山企業崗位培訓。對于礦山企業來說，安全虛擬實訓平臺的使用將有助于提高全礦人員的安全意識，為企業的安全生產奠定堅實的基礎，同時能減少傷亡事故的發生，提高生產效率，為企業帶來巨大的使用價值，也為企業自身樹立示范性標桿。

（2）礦業院校學科教育。對于礦業院校來說，安全虛擬實訓平臺的使用將有助于學生對所學專業知識有更加清晰的認知和體驗，充分調動學生的學習主動性，提高教師的教學效率，節約學生的現場實習成本，并為學生步入礦山實習和工作打下扎實的基礎，同時也使學校自身的特色學科教學得到了升華。

4 總結與展望

我國80%以上的安全傷亡事故都是由于違章指揮、違章作業、違反勞動紀律造成的，加強安全教育培訓、提高作業人員安全素質是增強安全管理力度、減少傷亡事故發生的有效措施。地下礦山安全虛擬實訓平臺的建立，改變了以往傳統的礦山企業崗位培訓和礦業院校學科教育模式，通過安全警示教育視頻，礦山安全事故實訓ⅤR體驗，生產設備虛擬實訓操作臺等方式，激發了受訓人員的興趣，改善了企業安全教育培訓和院校學科教育的質量，提高了受訓人員的安全素質，最終增強了企業安全管理的力度，減少了傷亡事故發生，提升了礦山安全培訓管理和院校學科教育水平，為礦山企業和礦業院校帶來了巨大的經濟效益和社會效益，也為其他相關企業和院校的安全培訓管理和學科教育工作提供了一定的借鑒及參考。