虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安全培訓(xùn)中應(yīng)用分析

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安全培訓(xùn)中應(yīng)用分析張立強(qiáng) 華北科技學(xué)院安全培訓(xùn)處 燕郊 065201摘 要：在介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)培訓(xùn)上面的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)、國外煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)從業(yè)人員培訓(xùn)方面的應(yīng)用和發(fā)展等現(xiàn)狀，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在安全培訓(xùn)上的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，最后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全中應(yīng)用的研究重點(diǎn)、研究方向和發(fā)展趨勢提出了建議。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)，煤礦安全，煤礦災(zāi)害模擬，安全培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、高度并

2、行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)和人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是模擬仿真技術(shù)的最新、最高層次，是當(dāng)今世界前沿科學(xué)之一。VR系統(tǒng)基本上是一種實(shí)時(shí)的對(duì)真實(shí)世界加以模擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包括快速通用處理器、專用圖像處理器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。軟件部分具有產(chǎn)生虛擬世界圖像和目標(biāo)處理的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的事物，提供了極大的便利。1 在安全培訓(xùn)中應(yīng)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(fù)雜性。煤礦的復(fù)雜環(huán)境和不安全因素等導(dǎo)致煤礦從業(yè)人員的培訓(xùn)不可能在現(xiàn)場進(jìn)行，隨著近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)

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

4、產(chǎn)實(shí)踐中培訓(xùn)露天礦汽車司機(jī)；在常規(guī)安全監(jiān)察中培訓(xùn)和測試新礦工； 在事故反應(yīng)中培訓(xùn)和測試礦山救護(hù)隊(duì)。比如一旦確定某項(xiàng)具體的操作情景，就可以加入各種不同的風(fēng)險(xiǎn)情況，當(dāng)然這些風(fēng)險(xiǎn)(包括靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn))是駕車行駛在礦坑中的司機(jī)可能遇到的。(3) 美國賓西法尼亞大學(xué)開發(fā)了VR礦工培訓(xùn)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(hù)是否合理，查看工作面設(shè)備是否正確放置，以及應(yīng)該采取哪些措施。應(yīng)用該系統(tǒng)可以培訓(xùn)礦工的安全意識(shí)。德國DMT大學(xué)開發(fā)的礦井決策模擬系統(tǒng)STMBERG，是采礦專業(yè)學(xué)生的訓(xùn)練軟件。該軟件包括地質(zhì)、采礦、通風(fēng)、機(jī)械、管理等內(nèi)容，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中提供地質(zhì)、開采設(shè)

5、計(jì)、工作面狀況等方面的簡化條件，學(xué)生可以進(jìn)行管理和決策。目前，中國礦業(yè)大學(xué)和DMTTFH合作，已將STMBERG應(yīng)用于真實(shí)礦井中。(4) 澳洲的新南威爾士大學(xué)(UNSW)采礦工程學(xué)系應(yīng)用法國達(dá)索系統(tǒng)領(lǐng)先的3D技術(shù)，已開發(fā)出面向煤炭開采行業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)培訓(xùn)系統(tǒng)，國外一些先進(jìn)的采礦公司已經(jīng)開始使用。 圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)的采煤工作面 圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)平臺(tái)操控系統(tǒng)該系統(tǒng)通過3D虛擬技術(shù)，可模擬礦坑內(nèi)常出現(xiàn)的問題，提供處理方式的虛擬訓(xùn)練，其中包括自主逃生、倒班前礦車檢查、危險(xiǎn)預(yù)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(shí)訓(xùn)練來有效地保障礦工的安全、減低礦難損失。這項(xiàng)技術(shù)能夠在虛擬的礦

6、山環(huán)境中為新礦工和有經(jīng)驗(yàn)的礦工教授與培訓(xùn)安全工作程序，并使他們免于接觸真實(shí)礦山環(huán)境中的各種危險(xiǎn)因素。煤炭企業(yè)在礦山救援培訓(xùn)方面，率先采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并一直成為礦山救援虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的領(lǐng)先者。2研發(fā)與應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)技術(shù)的研發(fā)歷程大概有以下3個(gè)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(shí)培訓(xùn)”的概念，并出資進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)。2000年，煤炭企業(yè)董事會(huì)請(qǐng)求新南威爾士大學(xué)開展一項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的研究計(jì)劃。煤炭企業(yè)隨后與新南威爾士大學(xué)開展了平板背部投影虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了“概念驗(yàn)證”。澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)研究項(xiàng)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(gè)平板背部投

7、影的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。2.2創(chuàng)新發(fā)展階段2005年，煤炭企業(yè)進(jìn)行了弧形屏幕試驗(yàn)，并開發(fā)了培訓(xùn)軟件(模塊)，這是虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的重要?jiǎng)?chuàng)新。2007年，澳大利亞新南威爾士州4個(gè)礦山救援站建立了虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中心。2009年，煤炭企業(yè)董事會(huì)請(qǐng)求昆士蘭大學(xué)開展一項(xiàng)研究計(jì)劃“虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)在安全和學(xué)習(xí)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(gè)完全身臨其境的三維虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)項(xiàng)目。這種先進(jìn)的培訓(xùn)工具，模擬了危險(xiǎn)的礦山環(huán)境情景，幫助員工積累處理危險(xiǎn)因素的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。2.3商業(yè)化推廣階段2010年，煤炭企業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中心對(duì)原始培訓(xùn)模塊進(jìn)行了改進(jìn)，以提高其靈活性和商業(yè)化水平。新一代的培訓(xùn)模塊涵蓋了井工礦

8、與露天礦的整個(gè)開采過程。同時(shí)，還改進(jìn)了培訓(xùn)師的硬件設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的硬件設(shè)施主要有以下3種類型。圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)穹形劇院穹形屏幕劇院可容納1-4人，主要設(shè)施是1個(gè)3.5m高的180°玻璃纖維半球和1個(gè)投影儀，每個(gè)平臺(tái)有3個(gè)穹形屏幕。圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)弧形劇院弧形屏幕劇院可容納30人，主要設(shè)施是一個(gè)8m長和3.5m寬的110°弧形屏幕，以及3臺(tái)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(chǔ)知識(shí)。圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)360度劇院360°劇院可容納15-20人，12部投影儀(6對(duì)循環(huán)組)呈圓形排列，投影儀在一個(gè)120m2 的360°圓柱形屏幕上投影圖像，6

9、臺(tái)計(jì)算機(jī)生成一個(gè)360°的全景3D影像，1臺(tái)主計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)投影儀生成的圖像。所有虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)使用全環(huán)繞音響系統(tǒng)。3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)煤炭企業(yè)對(duì)參與者和培訓(xùn)者進(jìn)行了觀察與研究，發(fā)現(xiàn)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境所帶來的培訓(xùn)效果比傳統(tǒng)方法要好得多，主要有以下幾個(gè)方面。3.1使用簡單虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為專門的應(yīng)急培訓(xùn)提供了一個(gè)很方便的場所。在設(shè)置和參加適當(dāng)?shù)哪M現(xiàn)場方面，節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，培訓(xùn)者及其培訓(xùn)組不必去尋找與現(xiàn)實(shí)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(jìn)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行“復(fù)制”的虛擬環(huán)境中;沒有專門的設(shè)置，沒有延長旅行時(shí)間，沒有人身安全方面的風(fēng)險(xiǎn);無需將其他員工放假或關(guān)閉整個(gè)工廠

10、，就能在“工作場所”進(jìn)行培訓(xùn);模擬的緊急情況可以很容易地加以重復(fù)對(duì)于新學(xué)員來說，點(diǎn)擊一下按鈕就可以實(shí)現(xiàn)情景再現(xiàn)，而在現(xiàn)實(shí)世界中，重復(fù)設(shè)置一個(gè)模擬的礦山環(huán)境，將會(huì)很費(fèi)時(shí)間，且成本很高；可以輕松進(jìn)入礦山內(nèi)的很多地方，如長壁、支護(hù)內(nèi)部等，一切工作只用幾秒鐘的時(shí)間或按一個(gè)按鈕。3.2安全虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助學(xué)員“安全”地接觸危險(xiǎn)的礦山環(huán)境或緊急情況。在模擬現(xiàn)實(shí)生活中的緊急情況時(shí)，學(xué)員可以鍛煉在一定時(shí)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(shí)環(huán)境有相同的感官信號(hào)，但真正的“危險(xiǎn)”卻不同，有助于學(xué)員做出相關(guān)決策。對(duì)于現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中可能遇到一些危險(xiǎn)因素(如低能見度、不能進(jìn)入的區(qū)域

11、、設(shè)備的破壞等)，學(xué)員可以提前做好思想準(zhǔn)備。3.3更強(qiáng)的真實(shí)感虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以拓寬學(xué)員的視野。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了比培訓(xùn)教材更廣闊的視野。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就像一個(gè)傳感器，拓展了一個(gè)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(xué)員能看到對(duì)現(xiàn)實(shí)工作中“冒頂”的模擬，從一個(gè)“正?！钡慕嵌瓤词鞘裁礃幼?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以幫助他們從“上面”(平視)和“側(cè)面”(站在支護(hù)里面)看是什么樣子，對(duì)事故有一個(gè)更深入的了解。學(xué)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?yàn)槔锩嬗泻窈竦幕覊m、碎片，道路也被堵塞了。在虛擬現(xiàn)實(shí)里，學(xué)員可以進(jìn)入礦山，觀察事故所帶來的全部影響。3

12、.4認(rèn)知和行為改變虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是學(xué)員獲取、回憶信息并應(yīng)用于工作場所的一種新培訓(xùn)模式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以提供一個(gè)極具成本效率、安全、方便易用和逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，它還被發(fā)現(xiàn)能對(duì)有效學(xué)習(xí)中的許多認(rèn)知因素產(chǎn)生積極的影響，如空間意識(shí)、解決問題意識(shí)、危險(xiǎn)感知等。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，緊急情況發(fā)生時(shí)，一個(gè)在虛擬環(huán)境中接受過培訓(xùn)的應(yīng)急服務(wù)小組，能夠更好地駕馭真實(shí)的緊急環(huán)境。他們比那些沒有經(jīng)過虛擬環(huán)境培訓(xùn)的人員，在緊急情況下反應(yīng)更加快速而準(zhǔn)確。這是虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)對(duì)學(xué)員認(rèn)知方面的空間意識(shí)所帶來的影響。澳大利亞在許多不同的領(lǐng)域進(jìn)行的各種研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)開展有效培訓(xùn)的理想環(huán)境?，F(xiàn)實(shí)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(xué)員形成一些有效的記憶，如在某些工作場所活動(dòng)或緊急情況下，如何有效地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件。4虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)效果煤炭企業(yè)的礦山救援培訓(xùn)一般有3種形式：培訓(xùn)室講解、現(xiàn)場示范、虛擬現(xiàn)實(shí)場景參與。這三種培訓(xùn)方式所帶來的不同理念為：“告訴我，我可能會(huì)忘記”“演示給我看，我可能會(huì)記住”“讓我身臨其中，我可能會(huì)理解”。不同的培訓(xùn)方式所帶來的效果是不同的。根據(jù)美國國家培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室(NTL)的研究結(jié)果，通過講課的方式，學(xué)員的學(xué)習(xí)保持率只有5%；通過閱讀的方式，學(xué)員的學(xué)習(xí)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(dá)30%；通過小組討論的方式，為50%；通過變干邊學(xué)的培訓(xùn)方式，學(xué)員的學(xué)習(xí)保持

14、率高達(dá)75%；通過教別人或立即運(yùn)用學(xué)習(xí)到的新知識(shí)的方式，學(xué)員的學(xué)習(xí)保持率可高達(dá)90%。研究發(fā)現(xiàn)，“虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)”是后2種培訓(xùn)方式的混合運(yùn)用，效果顯著。通過將“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”融入礦山救援培訓(xùn)，提高了學(xué)員互動(dòng)交流的水平。這項(xiàng)新的技術(shù)，不僅提供了礦山環(huán)境的視聽演示，同時(shí)提供了示范、討論和邊干邊學(xué)、教別人或立即運(yùn)用新學(xué)到的知識(shí)的機(jī)會(huì)。根據(jù)美國的研究結(jié)果，視聽培訓(xùn)可以使學(xué)員的學(xué)習(xí)保有率達(dá)到20%。如果使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只演示模擬的礦山環(huán)境或采礦任務(wù)，將不會(huì)充分發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的潛能。因此，真正的價(jià)值在于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用方式。5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最新進(jìn)展2011年7月，澳大利亞新南威爾士州紐卡斯?fàn)?Newcastl

15、e)礦山救護(hù)站成為新南威爾士州4個(gè)礦山救援培訓(xùn)中心中第一個(gè)升級(jí)到第三代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)中心。紐卡斯?fàn)柕V山救護(hù)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(shí)現(xiàn)360°視覺沉浸感，讓學(xué)員體驗(yàn)完全身臨其境的礦山環(huán)境。該救護(hù)站可以同時(shí)容納1520名學(xué)員進(jìn)入虛擬礦山進(jìn)行安全培訓(xùn)。第一代和第二代虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)都是利用預(yù)先編制的培訓(xùn)模塊對(duì)學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練的，學(xué)員在虛擬環(huán)境中互動(dòng)性較差。而第三代虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)則具有無可比擬的靈活性，完全可以讓學(xué)員能夠自由地與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。經(jīng)過這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)，學(xué)員們會(huì)在“程序”當(dāng)中發(fā)生微妙的變化，這是過去的重復(fù)訓(xùn)練所難以做到的。

16、第三代虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的另一個(gè)重要變化是，把iPad設(shè)備引進(jìn)到虛擬場景中。培訓(xùn)指導(dǎo)老師可以通過為其配備的iPad設(shè)備連接全球定位系統(tǒng)，在虛擬礦山中跟蹤學(xué)員，并觸發(fā)和控制各種突發(fā)事件。同時(shí)，學(xué)員也配備了類似的系統(tǒng)，他們將在緊急情況下使用iPad設(shè)備。在iPad上還可以運(yùn)行多氣體檢測儀或通風(fēng)儀器的模擬軟件。如果在學(xué)員的iPad上啟動(dòng)了一個(gè)模擬的氣體探測器軟件，學(xué)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(yīng)的行動(dòng)。為了提高新礦工的應(yīng)變能力和礦山救援能力，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在今后的發(fā)展中需要變得更加復(fù)雜。6虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展展望隨著相關(guān)硬件、軟件成本的逐漸降低和技術(shù)方面不斷取得新的突破，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還

17、應(yīng)用于礦井設(shè)計(jì)和規(guī)劃、礦井開采系統(tǒng)優(yōu)化模擬、地質(zhì)構(gòu)造模擬、爆破工藝模擬、水資源利用、環(huán)境保護(hù)、礦山安全與救災(zāi)、奧灰水防治、安全評(píng)價(jià)和危險(xiǎn)評(píng)估、煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)和制造和礦井災(zāi)害模擬與研究等領(lǐng)域。建議通過虛擬培訓(xùn)軟件的開發(fā)，可以增強(qiáng)煤礦安全技術(shù)人員和管理人員的安全意識(shí)，提高安全培訓(xùn)提高管理水平，預(yù)防重大災(zāi)害的發(fā)生，并且能極大地降低培訓(xùn)費(fèi)用。參考文獻(xiàn)：1 李建忠，張俊文，張建平. 基于PC機(jī)的采煤工作面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)J. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003 (1).2 李青，楊威，韓可琦，等. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及礦井工業(yè)廣場的可控可視化研究J. 計(jì)算機(jī)仿真，2002 (2).3 申閆春，才慶祥，張幼蒂，等. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在露天礦生態(tài)