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(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

由于我國資源分布的特殊性，礦產(chǎn)資源多以地下礦產(chǎn)為主，而開采地下礦產(chǎn)資源相對(duì)復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)冒頂片幫、透水、火災(zāi)、爆炸等安全事故，使國家與企業(yè)遭受重大的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。為加強(qiáng)非煤地下礦山的安全生產(chǎn)工作，國家相關(guān)部門經(jīng)過多年的不懈努力，建成了《安全生產(chǎn)法》《礦山安全法》《礦山安全法實(shí)施條例》《安全生產(chǎn)許可證實(shí)施條例》等法律法規(guī)來規(guī)范礦企的生產(chǎn)作業(yè)工作。但是隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)的不斷變化，礦山企業(yè)中的人員流動(dòng)也越來越快，人員的安全意識(shí)、人員素質(zhì)參差不齊，安全體系和安全培訓(xùn)工作的形式落后，礦業(yè)院校教育模式單一等問題都對(duì)礦山企業(yè)安全管理和礦業(yè)院校教育工作造成了一定的影響。因此，有必要對(duì)礦山企業(yè)安全培訓(xùn)和礦業(yè)院校教育的模式進(jìn)行改進(jìn)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到礦山安全的培訓(xùn)教育中，構(gòu)建完整統(tǒng)一的安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，幫助學(xué)員有效掌握安全理論知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)員開展各項(xiàng)創(chuàng)新活動(dòng)，提高礦山企業(yè)和礦業(yè)院校安全培訓(xùn)教育的效率和質(zhì)量，培養(yǎng)滿足信息化時(shí)代要求的專業(yè)人才，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)員工招聘和礦業(yè)院校人才培養(yǎng)的無縫對(duì)接，并為企業(yè)和高校自身樹立良好的標(biāo)桿形象。

安全貫穿于企業(yè)生產(chǎn)全過程，安全教育培訓(xùn)和管理是保障礦山企業(yè)生產(chǎn)和效益的前提條件，為此，國內(nèi)許多學(xué)者在安全教育培訓(xùn)方面進(jìn)行了大量的研究工作。張志勇等[1]從信息安全類課程教學(xué)與實(shí)踐兩大環(huán)節(jié)中的共性問題入手，在分析信息安全技術(shù)課程實(shí)際教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出教學(xué)內(nèi)容點(diǎn)面結(jié)合、教學(xué)實(shí)踐知行合一的內(nèi)容安排與學(xué)生認(rèn)知評(píng)價(jià)體系，該教學(xué)模式在信息安全工程與應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)中取得了較好的效果，達(dá)到了厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐的培養(yǎng)目標(biāo)；陽富強(qiáng)等[2]結(jié)合安全工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，構(gòu)建了多層次、多模塊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，重點(diǎn)建設(shè)消防工程學(xué)、機(jī)械安全、建筑安全、化工安全等四大領(lǐng)域的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，從校內(nèi)資源共享、校際平臺(tái)分享、社會(huì)服務(wù) 3個(gè)方面分析了本專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用前景；王睿等[3]分析了海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)思路，以及以海洋專業(yè)特色和海洋科學(xué)研究領(lǐng)域最新成果為導(dǎo)向，在教學(xué)資源、教學(xué)終端、教學(xué)資源管理平臺(tái)和教學(xué)環(huán)境平臺(tái)4個(gè)方面的建設(shè)內(nèi)容。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的產(chǎn)物[4]，也是高等教育信息和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[5]；礦業(yè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室[6]是礦業(yè)實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真技術(shù)融合的產(chǎn)物，是礦業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分；在地質(zhì)學(xué)中[7]，國內(nèi)外高校已經(jīng)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，使其打破了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制。

劉方等[8]鑒于目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程中無充足的設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過平臺(tái)無須連接真實(shí)分站和傳感器即可對(duì)各類測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，并能驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置的正確性，從而達(dá)到節(jié)約成本、提高實(shí)訓(xùn)質(zhì)量的目的。

1 安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地下礦山安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦山安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

（1）硬件層為本系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)，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(shí)踐培訓(xùn)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(xùn)資源、視頻動(dòng)畫等。

（3）管理層是不同用戶對(duì)本系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行日常操作、查看及管理。

（4）應(yīng)用層為本系統(tǒng)核心層，包含安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)視頻、安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

（5）表示層為本系統(tǒng)面對(duì)的用戶包括領(lǐng)導(dǎo)、員工、管理員。

1.2 業(yè)務(wù)流程

地下礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以安全教育培訓(xùn)與生產(chǎn)培訓(xùn)為內(nèi)容核心，以礦山操作人員、檢修人員、現(xiàn)場(chǎng)管理人員、臨時(shí)參觀人員為主要培訓(xùn)對(duì)象，培訓(xùn)師及管理人員輔助開展培訓(xùn)工作，其設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程

1.3 系統(tǒng)部署

地下礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)器統(tǒng)一部署在礦山技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，為了使各使用者及相關(guān)單位既可以通過局域網(wǎng)訪問，也可以通過應(yīng)用服務(wù)器發(fā)布到外網(wǎng)，方便領(lǐng)導(dǎo)或其他人員通過 PC端進(jìn)行外網(wǎng)訪問本系統(tǒng)，應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)外網(wǎng)分開設(shè)置兩臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)共享數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署

2 安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)

2.1 開發(fā)目標(biāo)

地下礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)的總體目標(biāo)是汲取國內(nèi)外先進(jìn)培訓(xùn)管理和方法的精華，結(jié)合自身安全實(shí)訓(xùn)需求實(shí)際情況，緊緊圍繞安全生產(chǎn)根本任務(wù)，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)人員的安全培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)新要求，以提高員工的安全意識(shí)和設(shè)備操作實(shí)踐為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以礦山安全生產(chǎn)培訓(xùn)、常用設(shè)備和常見安全事故內(nèi)容為指向，以完整的安全仿真培訓(xùn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建設(shè)礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，采用虛擬仿真+三維動(dòng)畫+信息化平臺(tái)，開啟易于接受、易于理解的培訓(xùn)新模式，可視化表達(dá)安全生產(chǎn)知識(shí)點(diǎn)，有效提高安全培訓(xùn)質(zhì)量。

2.2 開發(fā)原則

地下礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)從礦山的實(shí)際業(yè)務(wù)管理模式出發(fā)，在開發(fā)上應(yīng)充分考慮到今后系統(tǒng)運(yùn)行管理的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。在采用成熟先進(jìn)的主流技術(shù)和主流產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，在技術(shù)開放和高度集成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高層次的應(yīng)用開發(fā)，使系統(tǒng)易用、易維護(hù)、易擴(kuò)展且高度安全可靠。具體開發(fā)遵循實(shí)用性、先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和可維護(hù)性的原則。

2.3 開發(fā)內(nèi)容

2.3.1 安全生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)視頻

（1）下井安全實(shí)訓(xùn)視頻。礦山企業(yè)崗位基數(shù)大，生產(chǎn)過程中會(huì)持續(xù)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(xùn)需求量大。傳統(tǒng)實(shí)景拍攝的視頻剪輯表達(dá)方式有限，拍攝機(jī)位受限，難以生動(dòng)表達(dá)安全須知的內(nèi)容，且井下現(xiàn)場(chǎng)拍攝光線不理想，畫面效果不佳，難以達(dá)到塑造現(xiàn)代化礦山企業(yè)形象的目標(biāo)。本視頻通過三維畫面直觀生動(dòng)地展現(xiàn)各項(xiàng)下井安全須知細(xì)節(jié)，使觀看者快速和全面地接受培訓(xùn)內(nèi)容，從而提高礦山安全水平；高質(zhì)量的畫面制作，細(xì)致的場(chǎng)景仿真，可充分展現(xiàn)安全、綠色的現(xiàn)代礦山風(fēng)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(chǎn)認(rèn)知實(shí)訓(xùn)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(xiàn)礦山總體面貌，全面講解生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成、工藝特點(diǎn)、裝備及技術(shù)水平，需要用到三維CG工業(yè)動(dòng)畫的方式。本視頻的創(chuàng)作是地下礦山井上井下的三維場(chǎng)景仿真，通過CG技術(shù)手段，展現(xiàn)礦山生產(chǎn)狀態(tài)及發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)突出礦山工業(yè)的現(xiàn)代化、機(jī)械化、自動(dòng)化水平，塑造標(biāo)桿礦山的企業(yè)形象。部分生產(chǎn)認(rèn)知畫面效果如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)認(rèn)知畫面效果

2.3.2 安全虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

礦山現(xiàn)有的安全培訓(xùn)方式較為原始，下井前安全培訓(xùn)采用的視頻過于陳舊。單次培訓(xùn)的效果難以達(dá)到預(yù)期，需要重復(fù)多次培訓(xùn)。通用技術(shù)培訓(xùn)需要人工講解，難以短期重復(fù)，只能在技術(shù)使用中逐漸熟悉。通過安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)，使下井人員切身體驗(yàn)施工過程中可能發(fā)生的各種危險(xiǎn)場(chǎng)景，并掌握相應(yīng)的防范知識(shí)及應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)礦山安全教育和培訓(xùn)演練的目的（見圖6）。

圖6 礦山安全事故實(shí)訓(xùn)ⅤR體驗(yàn)

2.3.3 設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要服務(wù)于生產(chǎn)設(shè)備崗位操作的培訓(xùn)，通過虛擬實(shí)訓(xùn)，員工可以在實(shí)訓(xùn)基地體驗(yàn)高度還原的井下生產(chǎn)仿真場(chǎng)景，熟悉崗位工作內(nèi)容，統(tǒng)一、規(guī)范、科學(xué)地培訓(xùn)學(xué)員對(duì)機(jī)械操縱及車輛駕駛，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)容易遺漏知識(shí)點(diǎn)、場(chǎng)景單一、存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)等不足。隨著礦山機(jī)械化的快速發(fā)展，各類采掘及輔助設(shè)備越來越受到各大礦山的青睞，如何安全、高效培訓(xùn)設(shè)備操作人員，成為礦山的一個(gè)重要課題。

通過虛擬仿真與實(shí)體模擬器的結(jié)合，讓體驗(yàn)者在一個(gè)虛擬的駕駛環(huán)境中感受到接近真實(shí)效果的視覺、聽覺的設(shè)備操作體驗(yàn)，進(jìn)行生產(chǎn)裝備操作崗位的培訓(xùn)，幫助不同崗位的司機(jī)及設(shè)備操作工人了解崗位職責(zé)，熟悉所操縱設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)，掌握正確的使用及維護(hù)方法，掌握設(shè)備點(diǎn)檢和交接班等工作流程。

2.3.4 虛擬實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)

培訓(xùn)作為礦山案例生產(chǎn)保障的重要一環(huán)，應(yīng)作為數(shù)字礦山建設(shè)的一部分。培訓(xùn)的記錄、成績(jī)的匯總數(shù)據(jù)應(yīng)與礦山管理體系融為一體，這需要所有的培訓(xùn)資料、培訓(xùn)考核、課程管理數(shù)據(jù)集中在一個(gè)信息平臺(tái)來管理。應(yīng)創(chuàng)建統(tǒng)一的培訓(xùn)管理數(shù)據(jù)中心，有效管理受訓(xùn)者的培訓(xùn)檔案、各類培訓(xùn)資料，實(shí)現(xiàn)在線共享，促進(jìn)培訓(xùn)管理水平的提高。

（1）培訓(xùn)檔案管理。以職工入礦為起始，建立培訓(xùn)管理檔案，使管理者和教員準(zhǔn)確掌握職工的培訓(xùn)記錄、培訓(xùn)進(jìn)度等信息，有針對(duì)性地開展培訓(xùn)工作。功能包括：組織機(jī)構(gòu)管理、實(shí)訓(xùn)任務(wù)管理、賬號(hào)管理、培訓(xùn)記錄管理、系統(tǒng)權(quán)限管理。

（2）培訓(xùn)資源管理。培訓(xùn)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(xùn)資源可按類別在系統(tǒng)有序地歸類管理，從資源列表中可預(yù)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(tǒng)計(jì)分析的權(quán)限。功能包括：培訓(xùn)資源管理基礎(chǔ)功能、培訓(xùn)資源使用記錄、培訓(xùn)資源使用權(quán)限管理和培訓(xùn)資源使用統(tǒng)計(jì)。

3 安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用

安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在礦山企業(yè)崗位培訓(xùn)和礦業(yè)院校學(xué)科教育等方面具有較大的市場(chǎng)前景，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行推廣及應(yīng)用。

（1）礦山企業(yè)崗位培訓(xùn)。對(duì)于礦山企業(yè)來說，安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用將有助于提高全礦人員的安全意識(shí)，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)能減少傷亡事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來巨大的使用價(jià)值，也為企業(yè)自身樹立示范性標(biāo)桿。

（2）礦業(yè)院校學(xué)科教育。對(duì)于礦業(yè)院校來說，安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用將有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)有更加清晰的認(rèn)知和體驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高教師的教學(xué)效率，節(jié)約學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)成本，并為學(xué)生步入礦山實(shí)習(xí)和工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也使學(xué)校自身的特色學(xué)科教學(xué)得到了升華。

4 總結(jié)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(yè)、違反勞動(dòng)紀(jì)律造成的，加強(qiáng)安全教育培訓(xùn)、提高作業(yè)人員安全素質(zhì)是增強(qiáng)安全管理力度、減少傷亡事故發(fā)生的有效措施。地下礦山安全虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建立，改變了以往傳統(tǒng)的礦山企業(yè)崗位培訓(xùn)和礦業(yè)院校學(xué)科教育模式，通過安全警示教育視頻，礦山安全事故實(shí)訓(xùn)ⅤR體驗(yàn)，生產(chǎn)設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)等方式，激發(fā)了受訓(xùn)人員的興趣，改善了企業(yè)安全教育培訓(xùn)和院校學(xué)科教育的質(zhì)量，提高了受訓(xùn)人員的安全素質(zhì)，最終增強(qiáng)了企業(yè)安全管理的力度，減少了傷亡事故發(fā)生，提升了礦山安全培訓(xùn)管理和院校學(xué)科教育水平，為礦山企業(yè)和礦業(yè)院校帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也為其他相關(guān)企業(yè)和院校的安全培訓(xùn)管理和學(xué)科教育工作提供了一定的借鑒及參考。