矿山灾害仿真模拟与救援培训系统研究

徐华龙

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2. 煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·机电与信息化 ★

矿山灾害仿真模拟与救援培训系统研究

徐华龙1，2，3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2. 煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京市朝阳区，100013)

针对我国目前矿山救护技能的培训手段单一、成本较高、培训效果差的问题，研究与设计了矿山灾害仿真模拟与救援培训系统，介绍了该系统的系统架构设计、系统功能设计和系统关键技术，阐述了该系统的应用效果。实际应用表明，该系统运用三维地理信息技术和虚拟仿真技术，能够模拟矿山灾害演化过程，仿真矿山灾害救援演练，进行多媒体安全教育培训，为矿山救护队员安全培训和技术演练提供了技术支持。

矿山灾害 仿真模拟 救援培训 VR眼镜

相关研究表明，我国企业工伤事故产生的原因50%～80% 与不安全行为有关，人的不安全行为是导致煤矿事故发生的最主要原因。由心理学、行为科学理论以及大量事故案例分析可以得出，从业人员安全知识匮乏、安全意识欠缺、安全习惯不良是一切事故的共性原因。目前，矿山企业大多采用传统“填鸭式”培训方式，加上学员普遍素质不高，通常较难激起学员的学习兴趣和积极性，达不到安全培训的目的。

针对我国目前矿山救护技能存在的培训手段单一、成本较高、培训效果差等问题，本文通过研究基于虚拟现实与三维地理信息的灾害模拟协同演练技术，创建一个逼真的虚拟现实世界，使学员在体验各种真实场景的同时，以角色和任务驱动机制来学习各模块相关操作知识，认识灾害的发生、发展过程及危害，并通过问答式的交互学习，快速掌握每个模块的操作步骤及要点，从而满足培训部门针对救护队员由易到难和不同技能层次的培训需要，提高学员的整体技术水平、思想素质以及各种突发状况的应对能力，达到寓教于乐和学以致用的教学目标，最终提高学员整体操作能力及防范意识，使煤矿真正进入规范化管理阶段，降低各种事故发生的概率。

1 系统架构设计

1.1 总体架构

矿山灾害仿真模拟与救援培训系统由环幕立体投影系统、题板交互及控制系统、仿真模拟系统软件三大部分组成。其中，环幕立体投影系统是由3套120°环幕融合而成360°环幕立体投影，为用户提供沉浸式的临场感受，题板交互及控制系统允许用户根据投影系统显示的画面和声音等信息，在培训过程中与仿真模拟软件进行交互与实操演练，模拟软件响应用户的控制，并对场景进行实时模拟，从而将三维立体画面输出到环幕立体投影系统中。矿山灾害仿真模拟与救援培训系统总体架构如图1所示。

图1 矿山灾害仿真模拟与救援培训系统总体架构

(1)环幕立体投影系统。环幕立体投影系统由高清立体投影机、投影环幕及其他辅助设备(如高清立体融合器、主动立体眼镜、吊架等)、图形工作站、中控系统、音响系统、震动仿真系统等设备。通过投影环幕产生高度逼真的视觉效果，配以声音、震动等多维度效果沉浸于虚拟现实当中。环幕立体投影系统如图2所示。

图2 环幕立体投影系统

(2)题板交互及控制系统。题板交互及控制系统是连接立体投影系统与仿真模拟软件的纽带。用户根据立体投影系统提供的画面与声音判断当前的场景情况，并在题板交互系统上进行操作，题板交互系统将用户输入传达给仿真模拟软件，仿真模拟软件对相应的交互与控制信息做出响应。

(3)仿真模拟系统。仿真模拟系统利用计算机虚拟仿真技术和3D立体显示技术，将矿山事故的发生、发展以及救援处置等过程，通过360°立体环幕全方位的呈现灾害三维仿真效果。针对煤矿事故的特点，系统涵盖了从灾害征兆出现、到事故发生、再到最后的自救逃生与救护救援(包括救援工具的使用培训)等一系列虚拟培训和演练。

1.2 脚本设计

脚本是仿真模拟系统的中心，是整个培训过程的“剧本”，具有指导和决定的作用。系统中脚本主要包括五大灾害事故处理脚本、矿山基础知识培训脚本、消防基本技能培训脚本和标准化救援中队建设标准脚本。以火灾事故为例，针对某矿回风巷道火灾，设计关键位置的火灾事故救援方案的脚本，软件中包含事故处理的综合救援演习以及对队员事故救灾能力的测评考核。

2 系统功能设计

矿山灾害仿真模拟与救援培训系统主要包括灾害仿真模拟、救援装备培训、救援演练模拟、考核培训管理功能模块。该系统应用3DMAX等建模工具制作三维精细建模和动画，基于强大的三维图形引擎Unity3D进行应用开发。

2.1 灾害仿真模拟功能模块

该模块对五大灾害(瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘)发生的整体过程进行三维模拟，并且配有视频、音频、图片等内容对整个灾害过程进行展示。通过编制完整的灾害事故脚本，模拟灾害爆炸事故发生预兆、爆炸条件、爆炸危害、灾后场景再现，让学员通过逼真的场景可以对灾害发生的过程进行系统的学习，让学员可通过各个角度进行观察学习。

(1)事故形成条件讲解模块。该模块通过选用多媒体教学方式，把枯燥的安全培训内容与多媒体计算机结合起来，利用文字、图形、动画、视频、音频一体化界面，加大学员的感官刺激，使教学变得形象化、立体化和生动化，便于学员理解和接受矿山五大灾害(瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘)的形成条件，从而提高学员的培训效率。

(2)事故征兆模拟模块。该模块通过三维场景精细建模，以及各类危险源场景设计及后期的开发制作，形成一套灾前征兆模拟的培训模块。该模块真实再现矿井井下工作环境，通过沉浸式的仿真交互学习，达到能够快速识别井下透水、火灾、瓦斯和顶板等危险源的目的。例如，征兆模拟巷道两帮出现“挂红”现象，并且三维场景出现有异味的提示信息，学员在看到此画面后，需要第一时间做出判断，该处可能具有透水的危险。该模块主要是为了让学员掌握该危险源是属于哪类危险源、能产生哪些严重后果以及如何处理出现的危险源，以达到在现实环境中避免事故发生的目的。火灾事故征兆三维场景如图3所示。

(3)灾害过程模拟模块 。该模块通过对各类灾害的发展过程及其严重后果进行详细动画设计与后期开发制作，形成对透水、瓦斯、冒顶、顶板等典型事故的模拟仿真。该模块采用物理引擎对灾害发生时环境的变化、设备与人员受到影响进行模拟计算以体现逼真效果，提升培训学员的自我安全保护意识，使学员在面临各种灾害时能做出果断地和正确地选择抢险逃生等处理步骤，从而降低灾害的危害程度，保障事故发生后的生命财产安全。火灾过程模拟三维场景如图4所示。

2.2 救援装备培训功能模块

应急救援中有多类救援工具与装备，各个工具的功能不同，使用条件与使用方法也不相同。该功能模块通过三维精细建模和虚拟仿真技术，将救援设备外观、特性、优劣、消耗状况等进行直观展示，同时以语音、文字、图片、动画相结合的方式演示操作步骤和组装工艺，为应急设备使用提供形象生动的指导，使学员掌握必备的救援工具基础知识与使用技能，增强用户在灾害面前的自救互救能力。

(1)3D外形展示模块。该模块采用先进的图形建模技术，以三维立体化方式对工具外形进行全方位的展示，使得学员初步认识工具。

(2)结构组装模块。该模块包含讲解演示与培训考核，软件对各类救援工具的组成部分进行精细化建模，采用部件分离与安装的动画形式对结构进行讲解。用户通过该模块可以操作三维模型，进行实时交互，对工具的各个部件进行拆分或安装。装备讲解三维场景如图5所示。

(3)操作流程模块。该模块对各救援装备进行三维模拟，通过视频、文字叙述和动画模拟等方式，对各个装备的原理、使用方法和注意事项进行讲解和三维交互式培训，操作流程讲解过程中用户可操作救援装备模型，从多方位多角度浏览观察以全面认识其操作过程，当学员操作错误的时候，系统会给出正确的引导和提示。实操培训三维场景如图6所示。

图6 实操培训三维场景

2.3 救援演练培训功能模块

该功能模块要求学员按照不同的灾害模式进行灾害救援的实际操作。针对矿山常见的五大灾害事故，制定出不同的救援方案，再根据不同的救援方案进行场景和设备的建模及动画、人机交互的开发制作。通过灾害场景和模拟救援模板，学员可手动或者由软件自动的配置灾害环境，该模块根据灾害环境配置对灾害场景和灾害救援流程进行模拟，针对不同的任务，应急处理流程也有所不同。该模块通过与学员的交互，培训学员救护救援的技能，使之在真实的救援中，能够从容地面对各种困难，成功的对被困人员实施救援。救援演练三维场景如图7所示。

图7 救援演练三维场景

2.4 培训考核管理功能模块

该功能模块是根据灾害事故的类型以及预先设定的预案处理数据，对救援环节进行判定，从而对受训人员的演练情况做出公正的评估，以方便学员自我学习、自我总结和自我提高，强化训练效果。该功能模块通过记录训练人员在实操演练中的所有轨迹路径、动作行为、完成时间等信息，与正确的操作进行比对和分析，对过程中的错误操作进行提示，对训练人员的操作过程给出客观的、科学的分析评价，得出考核结果成绩表。灾害事故演练的评估还可由参加演练评审专家进行实时或事后点评。考核培训如图8所示。

图8 考核培训

3 系统关键技术研究

3.1 煤矿典型灾害救援多工种协同演练技术

针对煤矿灾害救援传统培训范围有限和培训效果不理想等问题，基于虚拟现实技术、网络协同技术、虚拟角色控制技术和多通道立体环幕投影技术，研究煤矿典型灾害救援多工种协同演练技术，实现三维动感环境中仿真模拟五大灾害(瓦斯、火灾、水灾、顶板、煤尘)事故救援处理，支持多人并行交互和协同指挥训练，实现救护队员在救护队长的带领下可协同完成指定的救援任务，有效掌握救援的流程，为应急管理演练式培训提供支持。

3.2 煤矿典型灾害救援人机互动考核培训技术

针对煤矿灾害救援传统培训考核效果不理想等问题，基于计算机虚拟仿真技术、人机交互技术和多通道立体环幕投影技术，研究煤矿典型灾害救援人机互动考核培训技术，通过创建逼真沉浸式的视觉和交互环境，在灾害救援培训的过程中结合IPAD平板、PC电脑和操作杆等交互设备，实现矿山救护人员救援操作和答题互动培训。演练过程中系统自动进行综合评价，获取救援过程中的不达标项，以便对学员在学习过程中的成绩进行记录和评估，救护队员针对自身弱项反复演练熟悉和掌握救援流程，弥补了传统考核培训的缺陷。

4 系统应用效果

2016年8月，矿山灾害仿真模拟与救援培训系统自正式在神东煤炭集团有限责任公司上线，得到了较好的应用，先后为神东救护消防大队机关、8个救护中队、24个救护小队进行了约1200余人次培训。该系统首次将360°立体环幕投影技术、多工种协同演练和人机互动考核培训技术应用于煤矿典型灾害模拟演练中，创新了煤矿应急救援的培训方式。该系统以国家统一的煤矿应急救援培训教材为基础，采用虚拟现实技术构建煤矿井下场景，让救护队员快速掌握了矿井巷道的布局和行走路线，熟悉救援位置的真实环境，实现了井下环境的实景认知，通过对井下虚拟场景中火灾、水灾、瓦斯、煤尘、顶板事故等五大灾害的发生及处理过程的动态模拟，使救援队伍更加直观的学习五大灾害发生及处置过程，并结合虚拟场景中的综合救援演习过程，对救护队员的应急处置能力进行综合测评考核，获取救援过程中的不达标项，通过反复演练，直到掌握全部救援流程，减少了学员实际井下演练的次数，节约了训练费用，有效提升了神东煤炭矿山救护队员的整体水平。矿山灾害仿真模拟与救援培训系统应用案例如图9所示。

图9 矿山灾害仿真模拟与救援培训系统应用案例

5 结语

矿山灾害仿真模拟与救援培训系统针对矿山五大灾害的特点，运用三维地理信息技术和虚拟仿真技术，为矿山安全培训和救援演练提供了一种新的技术手段，通过构建虚拟的煤矿生产环境，模拟矿山常见五大灾害事故演化过程，仿真矿山灾害救援演练，使学员直观形象地了解井下环境，身临其境地体验事故发生的场景，采用多媒体培训方式讲解矿井灾害的基本知识，以及各大救援装备的正确使用方法等，从而提高学员的救灾能力，提高矿山企业应对突发事故的组织指挥、快速响应及处置能力，为提升救护队员的救灾能力提供了有效虚拟训练平台。

本系统已在国内多个矿区得到成功应用，随着国家和矿山企业对安全培训越来越重视，该系统应用前景广阔。随着虚拟现实技术的不断发展，结合VR眼镜和VR头盔等沉浸体验设备的矿山安全培训必将成为未来新的研究领域。

[1] 龚声武.我国矿山危险性控制与安全培训体系研究[D].中南大学，2010

[2] 周杰.安全生产培训体系的理论探索与运行改进研究[D].浙江工业大学，2007

[3] 傅贵.推动行为安全学研究发展[J].现代职业安全，2011(123)

[4] 赵鹏飞.煤矿企业安全培训存在的问题及对策分析[J].煤矿安全， 2013 (1)

[5] 戴正烈.基于虚拟现实技术的矿山应急救援培训研究[D].华北科技学院，2015[6] 刘屹，胡凌凤，谭章禄.基于虚拟现实的煤矿可视化安全培训研究[J].中国煤炭，2015(6)

[7] 潘海军.煤矿互动仿真模拟实操培训系统在煤矿实操培训的应用[J].经营管理者， 2015 (2)

[8] 聂伟.新媒体技术在煤矿安全培训中的应用展望[J].煤矿安全，2015(2)

[9] 陈静.我国煤矿安全培训管理体系的现状及存在问题研究[D].昆明:云南大学，2013

[10] 张红岩.基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统[J].工矿自动化，2014(2)

[11] 刘海洋，王大虎，王敬冲等.基于Quest3D的采煤机虚拟培训系统设计[J]. 工矿自动化，2015(4)

[12] 张辉.煤矿虚拟现实技术应用与发展[J].煤矿安全，2016(10)

[13] 沈学利，张纪锁，张红岩等.基于虚拟现实大型矿山机械建模研究[J].煤矿机械，2010(4)

[14] 高红森，栗继祖等.基于3D和VIRTOOLS的煤矿安全行为模拟[J].太原理工大学学报， 2010(1)

[15] 王兵建，张盛，张亚伟等.虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用[J]. 煤炭科学技术，2009(5)

Researchonminedisasteranaloguesimulationandrescuetrainingsystem

Xu Hualong1,2,3

(1. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Coal Mine Emergency and Refuge Technology Equipment Engineering Research Center,Chaoyang, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the current situation of mine rescue skill with single training method, high cost, poor training effect, a mine disaster analogue simulation and rescue training system was designed, and the architecture design, functional design and key technology of the system were introduced, and the application effects were elaborated. The actual application results showed that by using 3D geographic information technology and virtual simulation technology, the system could simulate the mine disaster evolution process and disaster rescue exercise, conduct multimedia safety education training, and provide technique support for mine rescuer's safety training and skill exercise.

mine disaster, analogue simulation, rescue exercise, VR glasses

TD-9

A

煤科院技术创新基金——煤矿典型灾害多媒体模拟仿真演练系统研究2015CX12，国家科技重大专项——煤与煤层气协调开发模式及技术的优化集成应用(2016ZX05045-007)

徐华龙. 矿山灾害仿真模拟与救援培训系统研究[J].中国煤炭，2017，43(11)：69-73，96.

Xu Hualong. Research on mine disaster analogue simulation and rescue training system.[J].China Coal，2017，43(11)：69-73，96.

徐华龙(1981- )，男，江西丰城人，高级工程师，硕士，主要从事数字矿山和三维地理信息技术相关研究工作。

(责任编辑 路 强)