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1、虚拟现实技术在安全培训中应用分析张立强 华北科技学院 安全培训处 燕郊摘要：在介绍虚拟现实技术概况的基础上，系统地分析了虚拟现实技术在煤矿安全生产培训上面的应用，重点介绍了虚拟现实技术的研发、国外煤矿企业安全生产从业人员培训方面的应用和发展等现状，并对虚拟现实应用在安全培训上的优点进行了阐述，最后对虚拟现实技术在煤矿安全中应用的研究重点、研究方向和发展趋势提出了建议。关键词：虚拟现实，煤矿安全，煤矿灾害模拟，安全培训虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪80年代末发展起来的一项高新技术，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人一机接口技术、传感器技术、高度并行实时计算技
2、术和人的行为学研究等多项关键技术，是模拟仿真技术的最新、最高层次，是当今世界前沿科学之一。VR系统基本上是一种实时的对真实世界加以模拟的计算机系统，由硬件和软件两部分构成。硬件部分包括快速通用处理器、专用图像处理器、输入设备和输出设备。软件部分具有产生虚拟世界图像和目标处理的功能。虚拟现实技术为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于直接观察运动变化规律的事物，提供了极大的便利。1. 在安全培训中应用现状煤矿开采特别是井工开采，与地面工业生产相比不仅环境恶劣，而且具有很大的复杂性。煤矿的复杂环境和不安全因素等导致煤矿从业人员的培训不可能在现场进行，随着近年来虚拟现实技术的不断发展和其优点
3、的愈加明显，也逐渐在煤矿安全培训中有所应用。（1）为解决煤矿复杂、多变、危险条件下的岗位培训等方而的难题，英国研究了一种可提高矿井灾害区域识别和危险人员评定质量的虚拟现实(VR)系统1。采用VR系统培训非常安全，且可视性强，使受训者身临其境地去接触、认知和处理各种灾变情况。如矿井布局、动态作业和矿井环境等定型模拟均可随意设定，而矿井人员则可在虚拟的矿井内任意活动并做出重要决定。其决定效果的好坏均能立刻反馈于受训者。该系统主要包括运输卡车灾害识别系统，安全检查培训和矿井事故培训系统。（2）诺丁汉大学的AIMS研究所已经开发了许多与采矿工业安全培训相关的桌而VR系统2,包括：在安全生产实践中培训露
4、天矿汽车司机；在常规安全监察中培训和测试新矿工；在事故反应中培训和测试矿山救护队。比如一旦确定某项具体的操作情景，就可以加入各种不同的风险情况，当然这些风险(包括静态风险和动态风险)是驾车行驶在矿坑中的司机可能遇到的。（3）美国宾西法尼亚大学开发了VR矿工培训系统3。该系统允许用户在虚拟工作而上检查工作面的故障隐患，如顶板支护是否合理，查看工作而设备是否正确放置，以及应该采取哪些措施。应用该系统可以培训矿工的安全意识。德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG,是采矿专业学生的训练软件。该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容，可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计、工作而状况等方
5、而的简化条件，学生可以进行管理和决策。目前，中国矿业大学和DMT-TFH合作，已将STMBERG应用于真实矿井中。(4)澳洲的新南威尔士大学(UNSW)采矿工程学系应用法国达索系统领先的3D技术，已开发出而向煤炭开采行业的虚拟现实(VR)培训系统，国外一些先进的采矿公司已经开始使用。图1虚拟现实的采煤工作面 图2虚拟现实培训平台操控系统 该系统通过3D虚拟技术，可模拟矿坑内常出现的问题，提供处理方式的虚拟训练，其中包括自主逃生、倒班前矿车检查、危险预警、隔离程序、瓦斯突出管理、煤层自燃等各种情况。通过虚拟现实训练来有效地保障矿工的安全、降低矿难损失。这项技术能够在虚拟的矿山环境中为新矿工和有经
6、验的矿工教授与培训安全工作程序，并使他们免于接触真实矿山环境中的各种危险因素。煤炭企业在矿山救援培训方而，率先采用了虚拟现实技术，并一直成为矿山救援虚拟现实培训的领先者。2. 研发与应用虚拟现实培训技术的研发历程大概有以下3个阶段。2.1 概念提出阶段1999年，煤炭企业提出了“虚拟现实培训”的概念，并出资进行了模拟评价。2000年，煤炭企业董事会请求新南威尔士大学开展一项虚拟现实培训的研究计划。煤炭企业随后与新南威尔士大学开展了平板背部投影虚拟现实系统实验，并进行了“概念验证”。澳大利亚煤炭协会研究项目(ACARP)为煤炭企业“矿山救援”部门拨款4万美元，安装了一个平板背部投影的虚拟现实系统
7、。2.2 创新发展阶段2005年，煤炭企业进行了弧形屏幕试验，并开发了培训软件(模块),这是虚拟现实培训的重要创新。2007年，澳大利亚新南威尔士州4个矿山救援站建立了虚拟现实培训中心。2009年，煤炭企业董事会请求昆士兰大学开展一项研究计划“虚拟现实培训在安全和学习保持方而所带来的好处”。煤炭企业投资850万美元，开发了一个完全身临其境的二维虚拟现实培训项目。这种先进的培训工具，模拟了危险的矿山环境情景，帮助员工积累处理危险因素的实际经验。2.3 商业化推广阶段2010年，煤炭企业虚拟现实培训中心对原始培训模块进行了改进，以提高其灵活性和商业化水平。新一代的培训模块涵盖了井工矿与露天矿的整个
8、开采过程。同时，还改进了培训师的硬件设备。虚拟现实培训的硬件设施主要有以下3种类型。图3 虚拟现实穹形剧院穹形屏幕剧院可容纳1-4人，主要设施是1个3.5m高的180。玻璃纤维半球和1个投影仪，每个平台有3个穹形屏幕。图4虚拟现实弧形剧院弧形屏幕剧院可容纳30人，主要设施是一个8m长和3.5m宽的110。弧形屏幕，以及3台投影仪提供虚拟矿山图像。这种屏幕剧院是讲堂式的，适合讲解基础知识。图5虚拟现实360度剧院 360。剧院可容纳15-20人，12部投影仪（6对循环组）呈圆形排列，投影仪在一个120m2的360。圆柱形屏幕上投影图像，6台计算机生成一个360。的全景3D影像，1台主计算机协调投
9、影仪生成的图像。所有虚拟现实平台使用全环绕音响系统。3. 虚拟现实技术培训的优点煤炭企业对参与者和培训者进行了观察与研究，发现虚拟的学习环境所带来的培训效果比传统方法要好得多，主要有以下几个方面。3.1 使用简单虚拟现实技术为专门的应急培训提供了一个很方便的场所。在设置和参加适当的模拟现场方而，节省了时间和经济成本，培训者及其培训组不必去寻找与现实生活中环境或情况相似的物理环境，而是在短短的几分钟内就可以走进对真实世界进行“复制”的虚拟环境中；没有专门的设置，没有延长旅行时间，没有人身安全方而的风险；无需将其他员工放假或关闭整个工厂，就能在“工作场所”进行培训；模拟的紧急情况可以很容易地加以重
10、复对于新学员来说，点击一下按钮就可以实现情景再现，而在现实世界中，重复设置一个模拟的矿山环境，将会很费时间，且成本很高；可以轻松进入矿山内的很多地方，如长壁、支护内部等，一切工作只用几秒钟的时间或按一个按钮。3.2 安全虚拟现实技术可以帮助学员“安全”地接触危险的矿山环境或紧急情况。在模拟现实生活中的紧急情况时，学员可以锻炼在一定时间内作出决策的技能，而人身安全却没有受到威胁。在模拟环境下，虽然与现实环境有相同的感官信号，但真正的“危险”却不同，有助于学员做出相关决策。对于现实工作环境中可能遇到一些危险因素（如低能见度、不能进入的区域、设备的破坏等），学员可以提前做好思想准备。3.3 更强的真
11、实感虚拟现实技术可以拓宽学员的视野。虚拟现实技术提供了比培训教材更广阔的视野。虚拟现实技术就像一个传感器，拓展了一个人的视觉、听觉和触觉方而的能力，所接触到的信息通常超出感官的日常范围。例如学员能看到对现实工作中“冒顶”的模拟，从一个“正常”的角度看是什么样子，虚拟现实技术还可以帮助他们从“上而”（平视）和“侧而”（站在支护里面)看是什么样子，对事故有一个更深入的了解。学员还可以看到塌方后的情形。正常情况下，在这种环境里是无法呼吸的，因为里而有厚厚的灰尘、碎片，道路也被堵塞了。在虚拟现实里，学员可以进入矿山，观察事故所带来的全部影响。3.4 认知和行为改变虚拟现实技术是学员获取、回忆信息并应用
12、于工作场所的一种新培训模式。虚拟现实技术不仅可以提供一个极具成本效率、安全、方便易用和逼真的学习环境，它还被发现能对有效学习中的许多认知因素产生积极的影响，如空间意识、解决问题意识、危险感知等。一项研究发现，紧急情况发生时，一个在虚拟环境中接受过培训的应急服务小组，能够更好地驾驭真实的紧急环境。他们比那些没有经过虚拟环境培训的人员，在紧急情况下反应更加快速而准确。这是虚拟现实培训对学员认知方面的空间意识所带来的影响。澳大利亚在许多不同的领域进行的各种研究表明，虚拟现实是一个开展有效培训的理想环境。现实世界中的各种问题可以呈现在虚拟环境中，可以帮助学员形成一些有效的记忆，如在某些工作场所活动或紧
13、急情况下，如何有效地应对各种突发事件。4. 虚拟现实培训效果煤炭企业的矿山救援培训一般有3种形式：培训室讲解、现场示范、虚拟现实场景参与。这三种培训方式所带来的不同理念为：“告诉我，我可能会忘记” “演示给我看，我可能会记住”“让我身临其中，我可能会理解”。不同的培训方式所带来的效果是不同的。根据美国国家培训实验室（NTL）的研究结果，通过讲课的方式，学员的学习保持率只有5%。如通过阅读的方式，学员的学习保持率为10%；通过视听的方式，则为20%。；通过现场示范的方式，可达30%；通过小组讨论的方式，为50%； 通过变干边学的培训方式，学员的学习保持率高达75%。；通过教别人或立即运用学习到的
14、新知识的方式，学员的学习保持率可高达90%。研究发现，“虚拟现实培训”是后2种培训方式的混合运用，效果显著。通过将“虚拟现实技术”融入矿山救援培训，提高了学员互动交流的水平。这项新的技术，不仅提供了矿山环境的视听演示，同时提供了示范、讨论和边干边学、教别人或立即运用新学到的知识的机会。根据美国的研究结果，视听培训可以使学员的学习保有率达到20%。如果使用虚拟现实技术只演示模拟的矿山环境或采矿任务，将不会充分发挥该项技术的潜能。因此，真正的价值在于虚拟现实技术的使用方式。5. 虚拟现实技术最新进展2011年7月，澳大利亚新南威尔士州纽卡斯尔（Newcastle）矿山救护站成为新南威尔士州4个矿山
15、救援培训中心中第一个升级到第三代虚拟现实技术的培训中心。纽卡斯尔矿山救护站站内拥有直径为10m的3D立体环幕视景仿真环境，120m2的屏幕可以实现360。视觉沉浸感，让学员体验完全身临其境的矿山环境。该救护站可以同时容纳1520名学员进入虚拟矿山进行安全培训。第一代和第二代虚拟现实培训系统都是利用预先编制的培训模块对学员进行训练的，学员在虚拟环境中互动性较差。而第三代虚拟现实培训系统则具有无可比拟的灵活性，完全可以让学员能够自由地与虚拟现实环境进行互动。经过这样的虚拟现实培训，学员们会在“程序”当中发生微妙的变化，这是过去的重复训练所难以做到的第三代虚拟现实培训系统的另一个重要变化是，把iPa
16、d设备引进到虚拟场景中。培训指导老师可以通过为其配备的iPad设备连接全球定位系统，在虚拟矿山中跟踪学员，并触发和控制各种突发事件。同时，学员也配备了类似的系统，他们将在紧急情况下使用iPad设备。在iPad上还可以运行多气体检测仪或通风仪器的模拟软件。如果在学员的iPad上启动了一个模拟的气体探测器软件，学员可以观察气体读数的变化，以在虚拟矿山环境中采取相应的行动。为了提高新矿工的应变能力和矿山救援能力，虚拟现实系统在今后的发展中需要变得更加复杂。6. 虚拟现实技术发展展望随着相关硬件、软件成本的逐渐降低和技术方而不断取得新的突破，虚拟现实技术还应用于矿井设计和规划、矿井开采系统优化模拟、地
17、质构造模拟、爆破工艺模拟、水资源利用、环境保护、矿山安全与救灾、奥灰水防治、安全评价和危险评估、煤矿设备的虚拟设计和制造和矿井灾害模拟与研究等领域。建议通过虚拟培训软件的开发，可以增强煤矿安全技术人员和管理人员的安全意识，提高安全培训提高管理水平，预防重大灾害的发生，并且能极大地降低培训费用。参考文献：1李建忠，张俊文，张建平.基于PC机的采煤工作而虚拟现实系统J.太原理工大学学报,2003.2李青，杨威，韩可琦，等.虚拟现实技术及矿井工业广场的可控可视化研究J.计算机仿真，2002.3申闫春，才庆祥，张幼蒂，等.虚拟现实技术在露天矿生态重建仿真中的应用J中国矿业大学学报，2002(1).4陈福，傅贵，李东.虚拟现实技术在矿井瓦斯爆炸模拟中的应用J.煤炭科学技术，2003(3).5李珍香，杜红兵，夏征义.虚拟现实技术在煤矿安全中的应用研究J煤炭技术，2000(6).6邸为，丁进田，高泉.虚拟现实(VR)系统在矿工安全培训中的应用J.煤矿安全，2002.7登比B，斯科菲尔德D.虚拟现实在矿山人员安全培训中的作用(一)J.国外金属矿山，2000(5).8马旭东.虚拟现实技术及其应用J.国外科技动态，2001(5).