非煤地下礦山安全生產(chǎn)虛擬實訓平臺構建與應用

向軍,劉曉明

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

0 引言

智能礦山是當代礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢。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產(chǎn)損失。因此,智能礦山建設必須將礦山安全高效生產(chǎn)作為根本目標,特別是要堅持以人為本、聚焦人的安全,注重從業(yè)人員的安全生產(chǎn)培訓教育,提升安全意識和技能。但礦山傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)培訓主要采取老師授課、現(xiàn)場教學、師帶徒等方式進行,形式單一、針對性不強、缺乏系統(tǒng)性,難以達到理想的培訓效果。

近年來,隨著虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality,VR)的不斷發(fā)展,其具有獨特的優(yōu)勢而被廣泛運用于各行各業(yè),將其應用于礦業(yè)逐漸成為智能礦山建設研究熱點之一[12]。當前,虛擬現(xiàn)實技術在礦山培訓和礦山消防教育等行業(yè)不斷推進。王靖等[3]基于Unity3D設計了虛擬礦山漫游系統(tǒng)并制定了礦山災害逃生計劃。Sayali等[4]采用VR培訓解決混凝土行業(yè)的主要安全問題,進一步分析其培訓有效性。侯建明等[5]開發(fā)了礦山事故救援系統(tǒng)框架并用于礦山災害動態(tài)模擬。Andrzej等[6]使用虛擬現(xiàn)實技術讓礦工在安全可控的環(huán)境中進行采礦模擬工作,并采用心理測試對用戶行為進行量表解釋。黃小燕等[7]基于VR技術在礦山開展安全防范意識和操作規(guī)范等方面的培訓。本文以凡口鉛鋅礦安全生產(chǎn)虛擬實訓平臺構建與應用為例,探討如何創(chuàng)新礦山安全生產(chǎn)培訓模式,更好地服務礦山安全生產(chǎn)工作。

1 傳統(tǒng)礦山安全培訓所面臨問題

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,使得整個培訓工作任務繁重,每年投入大量培訓資金。雖然當前凡口礦員工培訓內容豐富,但是形式及考核制度較為單一。

一般崗位培訓通常為集中授課,集中授課雖然傳遞信息量大、內容多,但是場景代入感不強,難以使不熟悉井下環(huán)境的人產(chǎn)生整體的認知。對于專業(yè)技術崗位及操作崗位的員工培訓,采用的是現(xiàn)場操作演練的方式,以師帶徒、經(jīng)驗相傳。此方法雖然能夠使參加培訓人員快速掌握操作要領,但是存在一定的風險性。一方面,老員工們的經(jīng)驗可靠程度不一;另一方面,現(xiàn)場培訓增加機械設備能耗,且可能存在操作不當導致人員受傷的情況[8]。

加強礦山安全教育培訓、提高作業(yè)人員安全素質是增強安全管理力度、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)培訓普遍存在以下問題[10]。

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

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

(3)多項培訓同時開展,針對性不強,講師難以講全每個環(huán)節(jié),學員理解不到位。培訓過程缺乏跟蹤,對培訓效果及人員狀態(tài)缺乏關注。

(4)培訓內容獨立于各自的信息平臺,形成數(shù)據(jù)孤島,缺乏統(tǒng)一的培訓管理機制。

(5)實機培訓存在安全隱患且成本高。

為改善凡口鉛鋅礦礦山安全培訓存在的上述問題,凡口礦規(guī)劃建設礦山安全虛擬實訓平臺,以視頻場景體驗、VR交互等創(chuàng)新方式進行安全教育及生產(chǎn)培訓。

2 平臺總體規(guī)劃與設計

2.1 業(yè)務流程

礦山安全虛擬實訓平臺以安全教育培訓與生產(chǎn)培訓為內容核心,礦山操作崗位、檢修崗位、現(xiàn)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,其業(yè)務流程如圖1所示。

圖1 礦山安全虛擬實訓平臺培訓流程

2.2 系統(tǒng)架構

礦山安全虛擬實訓平臺采用“硬件層—數(shù)據(jù)層—管理層—應用層—表示層”多層系統(tǒng)架構,使得系統(tǒng)具有高內聚、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,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)一管理仿真實踐培訓系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù),包含三維模型庫資料、用戶資料、培訓資源、視頻動畫等。

(3)管理層是不同用戶對本系統(tǒng)相關業(yè)務進行日常操作、查看及管理。

(4)應用層為本系統(tǒng)核心層,包含安全生產(chǎn)培訓視頻、安全實訓系統(tǒng)、生產(chǎn)實訓系統(tǒng)模塊。

(5)表示層為本系統(tǒng)面對的用戶,包括單位領導、教員、學員、管理員。

礦山安全生產(chǎn)實訓平臺系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 礦山安全生產(chǎn)實訓平臺系統(tǒng)架構

2.3 部署架構

礦山安全虛擬實訓平臺應用、數(shù)據(jù)服務器統(tǒng)一部署在礦山技術中心網(wǎng)絡機房。為滿足各使用者及相關單位通過局域網(wǎng)訪問,也可以通過把應用發(fā)布到外網(wǎng),方便領導或其他人員通過PC端進行外網(wǎng)訪問本系統(tǒng),應用服務器內外網(wǎng)分開兩臺服務器,后臺共享數(shù)據(jù)庫服務器。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)凡口鉛鋅礦實際業(yè)務需求將安全虛擬實訓平臺劃分為安全生產(chǎn)培訓視頻、安全虛擬實訓系統(tǒng)、設備虛擬實訓3個部分的內容,具體子系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊組成

3 系統(tǒng)平臺構建與應用

根據(jù)前述系統(tǒng)功能模塊劃分,結合凡口鉛鋅礦歷年安全培訓重點,順應礦山安全管理新思路[11],總結如下:安全生產(chǎn)培訓系統(tǒng)幫助不同崗位職工快速了解崗位職責、安全管理規(guī)范及礦山開采工藝流程;設備虛擬實訓系統(tǒng)幫助操作工人、檢修工人熟悉所操作設備的組成與結構、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;安全虛擬實訓系統(tǒng)針對礦山近10年來所發(fā)生的典型事故案例進行還原并強調同類事故的整改措施和防范措施;虛擬實訓管理新系統(tǒng)為職工建設安全培訓檔案、職工信息庫、培訓檔案管理、培訓資源管理,建立一人一碼安全培訓檔案;虛擬實訓硬件系統(tǒng)為本平臺硬件基礎,為諸軟件功能提供系統(tǒng)支撐。

3.1 安全生產(chǎn)培訓系統(tǒng)

3.1.1 下井安全培訓

改變傳統(tǒng)人工講解、口頭交代等方式進行的下井安全教育,通過三維畫面直觀生動展現(xiàn)人員下井、井下行走、升井等安全注意事項,形象、生動、準確地表達下井安全須知各項規(guī)定,主要內容包括:企業(yè)基本情況介紹、基本法律法規(guī)、入井前的準備、乘坐設備注意事項、井下行走安全注意事項、井下攜帶工具安全注意事項、井下安全信號的辨識、井下安全設施、井下安全標志、勞保用品使用步驟等內容,系統(tǒng)內容界面如圖5所示。

圖5 下井安全須知畫面效果

3.1.2 生產(chǎn)認知培訓

基于凡口鉛鋅礦井上下的三維場景仿真,通過CG技術手段,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、運輸提升、地表轉運,礦物處理到最終的成品,主線貫穿始終,相應的工業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)裝備、自動化智能化建設完美帶出,從而完整展現(xiàn)礦山形象,系統(tǒng)內容界面如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)認知畫面效果

3.2 安全虛擬實訓系統(tǒng)

基于VR技術,結合相關硬件設備,以三維動態(tài)的形式全真模擬出礦山施工作業(yè)的真實場景和險情,實現(xiàn)礦山安全教育和培訓演練的目的。

礦山事故警示教育(VR版)以凡口鉛鋅礦發(fā)生的冒頂片幫、機械傷害、觸電等典型安全事故為藍本,通過VR技術還原事故發(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)結合三維模擬、特效、語音等多種方式分析事故原因、事故責任追究、事故預防、應急救援措施及災害應急處置措施的內容,系統(tǒng)內容界面如圖7所示。

圖7 典型安全事故模擬

3.3 設備虛擬實訓系統(tǒng)

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(huán)境中,感受到接近真實效果的視覺、聽覺的設備操作體驗,進行鏟運機、撬毛臺車、鑿巖臺車等生產(chǎn)裝備操作崗位的培訓,幫助設備操作工人了解崗位職責、熟悉所操作設備的組成與結構、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,圖8為鏟運機虛擬實訓系統(tǒng)培訓場景。

圖8 鏟運機虛擬實訓系統(tǒng)培訓場景

3.4 虛擬實訓管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)創(chuàng)建基于C/S模式,方便知識點維護和共享,支持用戶數(shù)據(jù)管理及相關統(tǒng)計,并能記錄和分析職工任務完成情況,建立后臺管理程序,方便知識點更新和擴展,以及用戶信息庫維護,創(chuàng)建統(tǒng)一的培訓管理數(shù)據(jù)中心,有效管理人員培訓檔案、各類培訓資料,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,有針對性開展培訓工作,實現(xiàn)在線共享,促進培訓管理水平的提高,圖9為該系統(tǒng)架構。

圖9 管理平臺系統(tǒng)架構

3.5 虛擬實訓硬件系統(tǒng)

虛擬實訓硬件系統(tǒng)由主動立體投影系統(tǒng)、VR虛擬實訓裝備、設備實訓操作臺、音響擴音系統(tǒng)和培訓配套系統(tǒng)等組成,硬件平臺架構如圖10所示。

圖10 虛擬實訓平臺硬件架構

為滿足多人同時虛擬實訓,設計立體投影系統(tǒng),其中包括三維立體投影儀、投影環(huán)幕、融合機、3D主動立體眼鏡、3D立體信號發(fā)射器、主機等配套設備。主動立體投影系統(tǒng)由三維立體工程投影儀、投影幕布、投影儀吊裝機構、融合機、3D立體信號發(fā)射器、3D主動立體眼鏡和智能無線傳屏軟件系統(tǒng)組成,系統(tǒng)架構如圖11所示。

圖11 主動立體投影系統(tǒng)架構

4 結語

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