楊龍杰 王培強(qiáng)

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南 平頂山 467000；2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

近年來，煤炭行業(yè)信息化、智能化建設(shè)加速推進(jìn)，“智能+煤炭”“互聯(lián)網(wǎng)+煤炭”將為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能。截至目前，200 多個(gè)智能化采煤工作面已經(jīng)建成，實(shí)現(xiàn)了地面一鍵啟動(dòng)、井下有人巡視、無人值守。隨著采掘機(jī)械裝備技術(shù)水平的不斷提高，對采掘生產(chǎn)操作崗位人員的專業(yè)技能水平要求也越來越高。智能化采煤技術(shù)能否推廣應(yīng)用，首先要看人的綜合素質(zhì)和專業(yè)技術(shù)能力，能否操控這些先進(jìn)的機(jī)械裝備。

智能礦山采掘崗位群配備人員主要由相關(guān)煤炭類專業(yè)（煤礦開采技術(shù)、礦山機(jī)電、電氣自動(dòng)化）技術(shù)人員過渡和再培訓(xùn)，以保證智能礦山正常生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是目前的智能礦山技術(shù)工人存在年齡偏大、知識結(jié)構(gòu)陳舊等問題，為了盡快滿足智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，急需一批智能化特殊專業(yè)人才充實(shí)到工作一線，投入到礦山智能化升級改造及運(yùn)行維護(hù)工作之中。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在智能礦山建設(shè)與運(yùn)轉(zhuǎn)的初始階段，由于相關(guān)專業(yè)知識欠缺，專業(yè)操作與維修維護(hù)人員匱乏，培訓(xùn)周期較長，傳統(tǒng)培養(yǎng)方式效率低，造成智能礦山正常運(yùn)轉(zhuǎn)相對滯后。因此，在煤礦智能化提質(zhì)增效的同時(shí)，更需要加強(qiáng)新條件下智能設(shè)備安全生產(chǎn)技能與崗位操作技能培訓(xùn)，提高相關(guān)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平對智能礦山安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的意義。

1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以平煤股份十礦“一礦一區(qū)一面”的實(shí)際工作環(huán)境作為虛擬模擬場景，對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面操作，實(shí)現(xiàn)智能礦山生產(chǎn)系統(tǒng)整體漫游，智能采掘裝備的操作、維護(hù)、檢測、拆裝及安全生產(chǎn)知識演繹培訓(xùn)，研發(fā)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能礦山真實(shí)場景交互沉浸式安全培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由培訓(xùn)與考核管理、智能化采煤教學(xué)資源、綜采綜掘設(shè)備三維學(xué)習(xí)、智能采面多人協(xié)同交互操作、安全生產(chǎn)警示教育案例、VR 智能礦山綜合仿真體驗(yàn)六大模塊組成，形成“一中心+五子系統(tǒng)”的整體結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能礦山真實(shí)場景交互沉浸式安全培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)成功后，用于智能化工作面職工安全和技能操作培訓(xùn)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

實(shí)現(xiàn)智能礦山生產(chǎn)系統(tǒng)漫游，智能采掘設(shè)備的操作、維護(hù)、檢測、拆裝及安全生產(chǎn)知識演繹培訓(xùn)，讓職工不用下井也可以達(dá)到實(shí)操訓(xùn)練和考核的目的，能夠更好地將所學(xué)理論知識與實(shí)際工作需要相結(jié)合，真正做到“學(xué)什么、懂什么、干什么、會(huì)什么”，增強(qiáng)職工的安全生產(chǎn)技能，提高職工安全意識。

通過計(jì)算機(jī)數(shù)字建模技術(shù)，模擬真實(shí)的智能礦山生產(chǎn)系統(tǒng)、智能綜采系統(tǒng)，虛擬化交互式智能開采環(huán)境，利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器，將“看不見、進(jìn)不去、動(dòng)不了、難再現(xiàn)”的井下場景呈現(xiàn)在學(xué)員面前，讓學(xué)員通過操作手柄與場景里的物件進(jìn)行仿真交互。

系統(tǒng)由配套的軟、硬件組成，由管理中心統(tǒng)一進(jìn)行控制管理。管理端與培訓(xùn)端各部分PC 主機(jī)通過局域網(wǎng)（WLAN）互聯(lián)，使用TCP/IP 協(xié)議與UDP 協(xié)議交換數(shù)據(jù)。其功能模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容和描述見表1。

表1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 培訓(xùn)與考核管理功能模塊

培訓(xùn)與考核管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的管理端，對其他子系統(tǒng)進(jìn)行管理、設(shè)置、遠(yuǎn)程監(jiān)控。受訓(xùn)人員的考核成績也將匯總在指揮中心。

（1）子系統(tǒng)監(jiān)控?？煞謩e選擇模擬智慧生產(chǎn)系統(tǒng)培訓(xùn)子系統(tǒng)、智能采掘設(shè)備培訓(xùn)子系統(tǒng)、智能采掘工作面協(xié)同作業(yè)實(shí)訓(xùn)子系統(tǒng)、模擬安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)子系統(tǒng)和VR 智能采面綜合仿真子系統(tǒng)等，查看其顯示畫面，了解其工作狀態(tài)。

（2）培訓(xùn)與考核管理。系統(tǒng)提供登陸管理功能，支持受訓(xùn)人員通過賬號密碼、人臉識別等多種方式登陸系統(tǒng)，并可設(shè)置受訓(xùn)人員角色，包括采煤機(jī)司機(jī)、液壓支架工、掘進(jìn)機(jī)司機(jī)等。系統(tǒng)通過模擬各工種在工作現(xiàn)場的實(shí)際操作步驟、程序和方法，實(shí)時(shí)評定受訓(xùn)人員能否按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成操作任務(wù)。系統(tǒng)具備完善的數(shù)據(jù)分析功能，對受訓(xùn)人員的操作過程進(jìn)行自動(dòng)記錄、評估，得出成績，實(shí)現(xiàn)考訓(xùn)一體化。并可以列出扣分項(xiàng)，提示正確操作規(guī)范，使學(xué)員真正達(dá)到規(guī)范操作流程、提高操作水平的目的。

3.2 智能礦山教學(xué)資源功能模塊

可視化教學(xué)資源融合了文本、音頻、視頻、交互控制等富媒體形態(tài)的信息集合，為煤炭專業(yè)知識教材體系開辟全新的教育學(xué)習(xí)模式。

可視化教學(xué)資源分為三大模塊：

（1）核心專業(yè)課程

煤礦地質(zhì)、煤礦開采、巷道施工技術(shù)、煤礦安全、礦井通風(fēng)（采礦）、礦山機(jī)械、礦山電氣設(shè)備使用技術(shù)等7 門核心課程。

（2）采掘安全知識

采煤工作面包括采煤機(jī)司機(jī)、輸送機(jī)司機(jī)、液壓支架工、泵站操作工、端頭維護(hù)工、綜采安裝撤除工、采煤工、煤礦安全檢查工；掘進(jìn)工作面包括裝巖機(jī)司機(jī)、綜掘機(jī)司機(jī)、掘砌工、采掘電鉗工、耙斗裝巖司機(jī)、電機(jī)車司機(jī)。

（3）智能采面技能知識

智能采煤機(jī)巡視工、電液控支架巡視工、集控臺操作工、端頭維護(hù)工、泵站操作工。

3.3 綜采綜掘設(shè)備三維學(xué)習(xí)功能模塊

依托平煤股份某礦智能化采煤工作面、掘進(jìn)工作面，真實(shí)再現(xiàn)智能化采煤、掘進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備。智能化采煤工作面設(shè)備包括：采煤機(jī)、液壓支架、端頭支架、超前支架、智能泵站、乳化液泵、電液控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、噴霧泵、通訊、破碎機(jī)和支架電液控控制系統(tǒng)、支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、光纖慣導(dǎo)定位系統(tǒng)等。掘進(jìn)工作面包括：掘錨一體機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)。

3.4 智能礦山多人協(xié)同交互操作模塊

通過VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化綜采工作面多工種多崗位協(xié)同作業(yè)模擬實(shí)訓(xùn)與模擬實(shí)操考核。主要內(nèi)容包括：（1）煤炭智能采煤系統(tǒng)的組成、控制原理、通訊原理、工作面模擬搭建等內(nèi)容，通過二維動(dòng)畫、三維模型等以可視化方式呈現(xiàn)；（2）智能采掘工作面多工種多崗位協(xié)同作業(yè)；（3）智能采掘工作面模擬實(shí)操考核；（4）礦井虛擬安檢維護(hù)，能夠通過指揮中心設(shè)置預(yù)留故障，包括電氣故障、設(shè)備故障、液壓故障以及機(jī)械故障，通過虛擬三維仿真能夠模擬及進(jìn)行故障維護(hù)排查，交互方式科學(xué)、良好。

3.5 安全生產(chǎn)警示教育案例

利用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，真實(shí)模擬事故災(zāi)害發(fā)生時(shí)的三維環(huán)境，將安全教育與體驗(yàn)相結(jié)合，使五大災(zāi)害場景重現(xiàn)，其中包含事故體驗(yàn)、事故回顧、事故分析、安全演練。真實(shí)還原事故災(zāi)害發(fā)生的各個(gè)細(xì)節(jié)，使學(xué)員產(chǎn)生身臨事故現(xiàn)場的感覺，真切感受安全事故發(fā)生瞬間的震撼，以及會(huì)造成的嚴(yán)重后果，并在安全體驗(yàn)系統(tǒng)的指導(dǎo)下，正確地對事故災(zāi)害實(shí)施救援或正確地規(guī)避事故災(zāi)害，提高自救能力及提升安全生產(chǎn)水平，讓安全理念深入人心。

3.6 VR 智能礦山綜合仿真體驗(yàn)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使受訓(xùn)人員能夠通過VR 設(shè)備在虛擬場景中進(jìn)行煤礦井上、井下工作場景漫游[1-3]，漫游過程中系統(tǒng)隨時(shí)進(jìn)行講解，使受訓(xùn)人員能夠非常方便、高效地對煤礦實(shí)地生產(chǎn)工作環(huán)境有深刻的認(rèn)識。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)的開發(fā)，通過3DMAX 數(shù)字建模、Unity3D 引擎、VR 虛擬現(xiàn)實(shí)和Flash 交互等技術(shù)的綜合運(yùn)用，保證了軟件開發(fā)技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性和可操作性；以平煤股份十礦智能化采煤工作面的實(shí)際工作環(huán)境作為虛擬模擬場景，保證了智能礦山職工培訓(xùn)系統(tǒng)平臺的前沿性、可操作性和實(shí)用性；以智能礦山職工培訓(xùn)需求為基礎(chǔ)編制的職工培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)，保證了智能礦山職工培訓(xùn)系統(tǒng)的功能齊全，可以與職工培訓(xùn)無縫對接，提升培訓(xùn)效果。