虛擬現(xiàn)實技術在安全培訓中應用分析

1、虛擬現(xiàn)實技術在安全培訓中應用分析張立強 華北科技學院安全培訓處 燕郊 065201摘 要：在介紹虛擬現(xiàn)實技術概況的基礎上，系統(tǒng)地分析了虛擬現(xiàn)實技術在煤礦安全生產(chǎn)培訓上面的應用，重點介紹了虛擬現(xiàn)實技術的研發(fā)、國外煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)從業(yè)人員培訓方面的應用和發(fā)展等現(xiàn)狀，并對虛擬現(xiàn)實應用在安全培訓上的優(yōu)點進行了闡述，最后對虛擬現(xiàn)實技術在煤礦安全中應用的研究重點、研究方向和發(fā)展趨勢提出了建議。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實，煤礦安全，煤礦災害模擬，安全培訓虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術是20世紀80年代末發(fā)展起來的一項高新技術，它匯集了計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術、高度并

2、行實時計算技術和人的行為學研究等多項關鍵技術，是模擬仿真技術的最新、最高層次，是當今世界前沿科學之一。VR系統(tǒng)基本上是一種實時的對真實世界加以模擬的計算機系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分包括快速通用處理器、專用圖像處理器、輸入設備和輸出設備。軟件部分具有產(chǎn)生虛擬世界圖像和目標處理的功能。虛擬現(xiàn)實技術為人們探索宏觀世界和微觀世界中由于種種原因不便于直接觀察運動變化規(guī)律的事物，提供了極大的便利。1 在安全培訓中應用現(xiàn)狀煤礦開采特別是井工開采，與地面工業(yè)生產(chǎn)相比不僅環(huán)境惡劣，而且具有很大的復雜性。煤礦的復雜環(huán)境和不安全因素等導致煤礦從業(yè)人員的培訓不可能在現(xiàn)場進行，隨著近年來虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)

3、展和其優(yōu)點的愈加明顯，也逐漸在煤礦安全培訓中有所應用。(1) 為解決煤礦復雜、多變、危險條件下的崗位培訓等方面的難題，英國研究了一種可提高礦井災害區(qū)域識別和危險人員評定質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(VR)系統(tǒng)1。采用VR系統(tǒng)培訓非常安全，且可視性強，使受訓者身臨其境地去接觸、認知和處理各種災變情況。如礦井布局、動態(tài)作業(yè)和礦井環(huán)境等定型模擬均可隨意設定，而礦井人員則可在虛擬的礦井內(nèi)任意活動并做出重要決定。其決定效果的好壞均能立刻反饋于受訓者。該系統(tǒng)主要包括運輸卡車災害識別系統(tǒng)，安全檢查培訓和礦井事故培訓系統(tǒng)。(2) 諾丁漢大學的AIMS研究所已經(jīng)開發(fā)了許多與采礦工業(yè)安全培訓相關的桌面VR系統(tǒng)2，包括：在安全生

4、產(chǎn)實踐中培訓露天礦汽車司機；在常規(guī)安全監(jiān)察中培訓和測試新礦工； 在事故反應中培訓和測試礦山救護隊。比如一旦確定某項具體的操作情景，就可以加入各種不同的風險情況，當然這些風險(包括靜態(tài)風險和動態(tài)風險)是駕車行駛在礦坑中的司機可能遇到的。(3) 美國賓西法尼亞大學開發(fā)了VR礦工培訓系統(tǒng)3。該系統(tǒng)允許用戶在虛擬工作面上檢查工作面的故障隱患，如頂板支護是否合理，查看工作面設備是否正確放置，以及應該采取哪些措施。應用該系統(tǒng)可以培訓礦工的安全意識。德國DMT大學開發(fā)的礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG，是采礦專業(yè)學生的訓練軟件。該軟件包括地質(zhì)、采礦、通風、機械、管理等內(nèi)容，可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中提供地質(zhì)、開采設

5、計、工作面狀況等方面的簡化條件，學生可以進行管理和決策。目前，中國礦業(yè)大學和DMTTFH合作，已將STMBERG應用于真實礦井中。(4) 澳洲的新南威爾士大學(UNSW)采礦工程學系應用法國達索系統(tǒng)領先的3D技術，已開發(fā)出面向煤炭開采行業(yè)的虛擬現(xiàn)實(VR)培訓系統(tǒng)，國外一些先進的采礦公司已經(jīng)開始使用。 圖1 虛擬現(xiàn)實的采煤工作面 圖2 虛擬現(xiàn)實培訓平臺操控系統(tǒng)該系統(tǒng)通過3D虛擬技術，可模擬礦坑內(nèi)常出現(xiàn)的問題，提供處理方式的虛擬訓練，其中包括自主逃生、倒班前礦車檢查、危險預警、隔離程序、瓦斯突出管理、煤層自燃等各種情況。通過虛擬現(xiàn)實訓練來有效地保障礦工的安全、減低礦難損失。這項技術能夠在虛擬的礦

6、山環(huán)境中為新礦工和有經(jīng)驗的礦工教授與培訓安全工作程序，并使他們免于接觸真實礦山環(huán)境中的各種危險因素。煤炭企業(yè)在礦山救援培訓方面，率先采用了虛擬現(xiàn)實技術，并一直成為礦山救援虛擬現(xiàn)實培訓的領先者。2研發(fā)與應用虛擬現(xiàn)實培訓技術的研發(fā)歷程大概有以下3個階段。2.1概念提出階段1999年，煤炭企業(yè)提出了“虛擬現(xiàn)實培訓”的概念，并出資進行了模擬評價。2000年，煤炭企業(yè)董事會請求新南威爾士大學開展一項虛擬現(xiàn)實培訓的研究計劃。煤炭企業(yè)隨后與新南威爾士大學開展了平板背部投影虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實驗，并進行了“概念驗證”。澳大利亞煤炭協(xié)會研究項目(ACARP)為煤炭企業(yè)“礦山救援”部門撥款4萬美元，安裝了一個平板背部投

7、影的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。2.2創(chuàng)新發(fā)展階段2005年，煤炭企業(yè)進行了弧形屏幕試驗，并開發(fā)了培訓軟件(模塊)，這是虛擬現(xiàn)實培訓的重要創(chuàng)新。2007年，澳大利亞新南威爾士州4個礦山救援站建立了虛擬現(xiàn)實培訓中心。2009年，煤炭企業(yè)董事會請求昆士蘭大學開展一項研究計劃“虛擬現(xiàn)實培訓在安全和學習保持方面所帶來的好處。” 煤炭企業(yè)投資850萬美元，開發(fā)了一個完全身臨其境的三維虛擬現(xiàn)實培訓項目。這種先進的培訓工具，模擬了危險的礦山環(huán)境情景，幫助員工積累處理危險因素的實際經(jīng)驗。2.3商業(yè)化推廣階段2010年，煤炭企業(yè)虛擬現(xiàn)實培訓中心對原始培訓模塊進行了改進，以提高其靈活性和商業(yè)化水平。新一代的培訓模塊涵蓋了井工礦

8、與露天礦的整個開采過程。同時，還改進了培訓師的硬件設備。虛擬現(xiàn)實培訓的硬件設施主要有以下3種類型。圖3 虛擬現(xiàn)實穹形劇院穹形屏幕劇院可容納1-4人，主要設施是1個3.5m高的180°玻璃纖維半球和1個投影儀，每個平臺有3個穹形屏幕。圖4 虛擬現(xiàn)實弧形劇院弧形屏幕劇院可容納30人，主要設施是一個8m長和3.5m寬的110°弧形屏幕，以及3臺投影儀提供虛擬礦山圖像。這種屏幕劇院是講堂式的，適合講解基礎知識。圖5 虛擬現(xiàn)實360度劇院360°劇院可容納15-20人，12部投影儀(6對循環(huán)組)呈圓形排列，投影儀在一個120m2 的360°圓柱形屏幕上投影圖像，6

9、臺計算機生成一個360°的全景3D影像，1臺主計算機協(xié)調(diào)投影儀生成的圖像。所有虛擬現(xiàn)實平臺使用全環(huán)繞音響系統(tǒng)。3虛擬現(xiàn)實技術培訓的優(yōu)點煤炭企業(yè)對參與者和培訓者進行了觀察與研究，發(fā)現(xiàn)虛擬的學習環(huán)境所帶來的培訓效果比傳統(tǒng)方法要好得多，主要有以下幾個方面。3.1使用簡單虛擬現(xiàn)實技術為專門的應急培訓提供了一個很方便的場所。在設置和參加適當?shù)哪M現(xiàn)場方面，節(jié)省了時間和經(jīng)濟成本，培訓者及其培訓組不必去尋找與現(xiàn)實生活中環(huán)境或情況相似的物理環(huán)境，而是在短短的幾分鐘內(nèi)就可以走進對真實世界進行“復制”的虛擬環(huán)境中;沒有專門的設置，沒有延長旅行時間，沒有人身安全方面的風險;無需將其他員工放假或關閉整個工廠

10、，就能在“工作場所”進行培訓;模擬的緊急情況可以很容易地加以重復對于新學員來說，點擊一下按鈕就可以實現(xiàn)情景再現(xiàn)，而在現(xiàn)實世界中，重復設置一個模擬的礦山環(huán)境，將會很費時間，且成本很高；可以輕松進入礦山內(nèi)的很多地方，如長壁、支護內(nèi)部等，一切工作只用幾秒鐘的時間或按一個按鈕。3.2安全虛擬現(xiàn)實技術可以幫助學員“安全”地接觸危險的礦山環(huán)境或緊急情況。在模擬現(xiàn)實生活中的緊急情況時，學員可以鍛煉在一定時間內(nèi)作出決策的技能，而人身安全卻沒有受到威脅。在模擬環(huán)境下，雖然與現(xiàn)實環(huán)境有相同的感官信號，但真正的“危險”卻不同，有助于學員做出相關決策。對于現(xiàn)實工作環(huán)境中可能遇到一些危險因素(如低能見度、不能進入的區(qū)域

11、、設備的破壞等)，學員可以提前做好思想準備。3.3更強的真實感虛擬現(xiàn)實技術可以拓寬學員的視野。虛擬現(xiàn)實技術提供了比培訓教材更廣闊的視野。虛擬現(xiàn)實技術就像一個傳感器，拓展了一個人的視覺、聽覺和觸覺方面的能力，所接觸到的信息通常超出感官的日常范圍。例如學員能看到對現(xiàn)實工作中“冒頂”的模擬，從一個“正?！钡慕嵌瓤词鞘裁礃幼樱摂M現(xiàn)實技術還可以幫助他們從“上面”(平視)和“側(cè)面”(站在支護里面)看是什么樣子，對事故有一個更深入的了解。學員還可以看到塌方后的情形。正常情況下，在這種環(huán)境里是無法呼吸的，因為里面有厚厚的灰塵、碎片，道路也被堵塞了。在虛擬現(xiàn)實里，學員可以進入礦山，觀察事故所帶來的全部影響。3

12、.4認知和行為改變虛擬現(xiàn)實技術是學員獲取、回憶信息并應用于工作場所的一種新培訓模式。虛擬現(xiàn)實技術不僅可以提供一個極具成本效率、安全、方便易用和逼真的學習環(huán)境，它還被發(fā)現(xiàn)能對有效學習中的許多認知因素產(chǎn)生積極的影響，如空間意識、解決問題意識、危險感知等。一項研究發(fā)現(xiàn)，緊急情況發(fā)生時，一個在虛擬環(huán)境中接受過培訓的應急服務小組，能夠更好地駕馭真實的緊急環(huán)境。他們比那些沒有經(jīng)過虛擬環(huán)境培訓的人員，在緊急情況下反應更加快速而準確。這是虛擬現(xiàn)實培訓對學員認知方面的空間意識所帶來的影響。澳大利亞在許多不同的領域進行的各種研究表明，虛擬現(xiàn)實是一個開展有效培訓的理想環(huán)境?，F(xiàn)實世界中的各種問題可以呈現(xiàn)在虛擬環(huán)境中，

13、可以幫助學員形成一些有效的記憶，如在某些工作場所活動或緊急情況下，如何有效地應對各種突發(fā)事件。4虛擬現(xiàn)實培訓效果煤炭企業(yè)的礦山救援培訓一般有3種形式：培訓室講解、現(xiàn)場示范、虛擬現(xiàn)實場景參與。這三種培訓方式所帶來的不同理念為：“告訴我，我可能會忘記”“演示給我看，我可能會記住”“讓我身臨其中，我可能會理解”。不同的培訓方式所帶來的效果是不同的。根據(jù)美國國家培訓實驗室(NTL)的研究結果，通過講課的方式，學員的學習保持率只有5%；通過閱讀的方式，學員的學習保持率為10%；通過視聽的方式，則為20%;通過現(xiàn)場示范的方式，可達30%；通過小組討論的方式，為50%；通過變干邊學的培訓方式，學員的學習保持

14、率高達75%；通過教別人或立即運用學習到的新知識的方式，學員的學習保持率可高達90%。研究發(fā)現(xiàn)，“虛擬現(xiàn)實培訓”是后2種培訓方式的混合運用，效果顯著。通過將“虛擬現(xiàn)實技術”融入礦山救援培訓，提高了學員互動交流的水平。這項新的技術，不僅提供了礦山環(huán)境的視聽演示，同時提供了示范、討論和邊干邊學、教別人或立即運用新學到的知識的機會。根據(jù)美國的研究結果，視聽培訓可以使學員的學習保有率達到20%。如果使用虛擬現(xiàn)實技術只演示模擬的礦山環(huán)境或采礦任務，將不會充分發(fā)揮該項技術的潛能。因此，真正的價值在于虛擬現(xiàn)實技術的使用方式。5虛擬現(xiàn)實技術最新進展2011年7月，澳大利亞新南威爾士州紐卡斯爾(Newcastl

15、e)礦山救護站成為新南威爾士州4個礦山救援培訓中心中第一個升級到第三代虛擬現(xiàn)實技術的培訓中心。紐卡斯爾礦山救護站站內(nèi)擁有直徑為10m的3D立體環(huán)幕視景仿真環(huán)境，120m2的屏幕可以實現(xiàn)360°視覺沉浸感，讓學員體驗完全身臨其境的礦山環(huán)境。該救護站可以同時容納1520名學員進入虛擬礦山進行安全培訓。第一代和第二代虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)都是利用預先編制的培訓模塊對學員進行訓練的，學員在虛擬環(huán)境中互動性較差。而第三代虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)則具有無可比擬的靈活性，完全可以讓學員能夠自由地與虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行互動。經(jīng)過這樣的虛擬現(xiàn)實培訓，學員們會在“程序”當中發(fā)生微妙的變化，這是過去的重復訓練所難以做到的。

16、第三代虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)的另一個重要變化是，把iPad設備引進到虛擬場景中。培訓指導老師可以通過為其配備的iPad設備連接全球定位系統(tǒng)，在虛擬礦山中跟蹤學員，并觸發(fā)和控制各種突發(fā)事件。同時，學員也配備了類似的系統(tǒng)，他們將在緊急情況下使用iPad設備。在iPad上還可以運行多氣體檢測儀或通風儀器的模擬軟件。如果在學員的iPad上啟動了一個模擬的氣體探測器軟件，學員可以觀察氣體讀數(shù)的變化，以在虛擬礦山環(huán)境中采取相應的行動。為了提高新礦工的應變能力和礦山救援能力，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在今后的發(fā)展中需要變得更加復雜。6虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展展望隨著相關硬件、軟件成本的逐漸降低和技術方面不斷取得新的突破，虛擬現(xiàn)實技術還

17、應用于礦井設計和規(guī)劃、礦井開采系統(tǒng)優(yōu)化模擬、地質(zhì)構造模擬、爆破工藝模擬、水資源利用、環(huán)境保護、礦山安全與救災、奧灰水防治、安全評價和危險評估、煤礦設備的虛擬設計和制造和礦井災害模擬與研究等領域。建議通過虛擬培訓軟件的開發(fā)，可以增強煤礦安全技術人員和管理人員的安全意識，提高安全培訓提高管理水平，預防重大災害的發(fā)生，并且能極大地降低培訓費用。參考文獻：1 李建忠，張俊文，張建平. 基于PC機的采煤工作面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)J. 太原理工大學學報，2003 (1).2 李青，楊威，韓可琦，等. 虛擬現(xiàn)實技術及礦井工業(yè)廣場的可控可視化研究J. 計算機仿真，2002 (2).3 申閆春，才慶祥，張幼蒂，等. 虛擬現(xiàn)實技術在露天礦生態(tài)