基于VR技术煤矿灾害应急处置培训模式应用设计

陈强盛 王 云 万红红

（大同煤矿集团有限责任公司矿山救护大队，山西大同，037003）

通常情况下，在矿井发生重大灾害事故初期，灾害波及的范围和对人员的危害都比较小，既是抢救事故的有利时机，又是决定矿井和人员生命安全的关键时刻[1]。事故发生后，矿山救护队不可能由地面马上赶到事故现场进行抢救，而处于灾区的现场作业人员在万分危急的情况下，依靠自己的智慧和力量，积极、正确地采取应急自救互救，是保证灾区人员自身安全、将灾害事故消灭在萌芽阶段和初始状态，最大限度地减少人员伤亡和事故损失的重要环节。即使在事故处理中、后期，现场作业人员积极开展应急自救互救，对提高抢险救灾工作成效也有重要的作用。因此，如何加强职工对煤矿灾害事故的认识、提高自身防范意识、提高应急救援及自救能力，是各大煤矿亟待解决的问题。

1 煤矿灾害应急处置培训现状分析

目前，我国煤矿灾害应急处置的培训概括起来主要有三种模式，均有各自的优势和不足。

培训模式传统式课堂授课培训多媒体教室教学培训模拟事故现场教学培训优势课堂培训多为事故案例分析，剖析事故发生的原因、解析事故发生的过程和相关应急处置措施，并总结经验。课堂培训能够在理论上对事故进行详细的讲解，完善的数据和资料能够形成一个较为准确的衡量标准，对工作有着强大的理论支持。课堂培训多为事故案例分析，剖析事故发生的原因、解析事故发生的过程和相关应急处置措施，并总结经验。课堂培训能够在理论上对事故进行详细的讲解，完善的数据和资料能够形成一个较为准确的衡量标准，对工作有着强大的理论支持。模拟事故现场教学培训通常以搭建实体模型的方式还原事故灾害发生的全过程，此种培训方式直观立体，职工可以从各个角度观察到事故的起因、细节等，有较强的现场感及参与感。不足课堂培训缺少直观立体的观察分析，职工在接受培训的过程中属于被动学习，缺乏参与感，并且绝大多数员工难以做到将自己学到的理论知识完全应用到实际工作中。课堂培训缺少直观立体的观察分析，职工在接受培训的过程中属于被动学习，缺乏参与感，并且绝大多数员工难以做到将自己学到的理论知识完全应用到实际工作中。模拟事故现场教学培训需要搭建大量的模型，消耗大量的人力、物力、财力，且实体模型寿命有限，不适合做灾难演示。

2 基于VR技术煤矿灾害应急处置培训模式的设计

2.1 VR及VR+煤矿灾害应急处置培训模式

VR技术就是借助于计算机技术及硬件设备，实现人们可以通过视听等手段所感受到的虚拟幻境。近年来VR逐渐火热，但将VR技术成功应用于教学领域较少，尤其是以VR+煤矿灾害应急处置在我国还没有一套成熟的解决方案。

VR+煤矿灾害应急处置培训模式的提出，就是利用VR 技术的优势，还原事故发生前征兆、事故突发时情景、事故发生后应急处理措施，同步反映灾害中可能出现的震动、烟热等。加入煤矿灾害应急处置的元素，使受训者利用人体输入学设备，结合屏幕画面仿真实物实施教学引导操作，实现人机交互式体验。任务操作过程中，系统带有文字配套语音讲解的提示信息帮助操作者更好的实施系统任务操作。受训者在任务操作过程中若不规范操作，将引起事故扩大并造成更严重的损失，从而加深体验者对安全生产的认识。针对灾害事故正确处置进行专业性的培训，能有效从根本上改善我国煤矿灾害应急处置的培训状况。

2.2 系统方案

系统由硬件部分和软件部分组成，硬件部分包括轻便式的无线VR一体机、高清触摸显示屏、网络路由器等组成，软件部分包括虚拟矿井建模和事故场景构建，建模以maya、3Dmax等软件作为建模工具，建模质量为“精模”，仿真程度为“高级”，场景内容逼真度极高，虚拟矿井模型内容主要为采、掘、机、运、通、排六大系统，虚拟矿井建设完全以真实矿井为蓝本，1:1 还原煤矿生产系统及机械设备。事故场景构建以事故发生过程体验和事故发生后的处置为主，加入瓦斯爆炸粒子、火灾粒子、烟雾粒子、冲击波声音粒子、水浪冲击粒子等元素，以震撼的VR方法模拟水灾、火灾、瓦斯、煤尘、顶板等事故发生过程，加入灾害发生后避灾、选择正确的路线进行逃生、选择正确的工具灭火等内容。

2.2.1虚拟现实头戴显示系统（VR头盔）

虚拟现实头戴显示系统是实现双目立体视觉的重要设备（图1），其内部有左右两片高分辨率的镜片式液晶屏幕，配带者通过左右眼观察对应屏幕，从而实现双目立体视觉。此外虚拟现实头盔显示器还包含先进追踪传感器（激光定位传感器）、加速计、陀螺仪、手柄、存储单元、微控制器等，实现定位、跟踪及交互功能。

图1 虚拟现实头戴显示系统（VR头盔）

本系统采用Pico Neo-USTEP 无线VR 一体机头盔，具备inside-out 六自由度定位能力，处理器骁龙835，8 核，单眼分辨率不低于1 440×1 600，刷新率不低于90 Hz，视场角不低于100度，内置VR煤矿灾害事故应急处置沉浸式桌面系统，启动头盔即可直接进入，不受线缆束缚，操作便捷。

2.2.2 软件设计方案

VR 煤矿灾害应急处置培训软件包含矿井基础认知、煤矿瓦斯灾害处置、煤矿火灾灾害处置、煤矿水灾灾害处置、煤矿顶板灾害处置、煤矿煤尘灾害处置六大模块。通过VR 虚拟仿真技术实现逼真的场景还原，事故重现，从而给予体验者更加深刻的安全认知。

（1）建立矿井基础模块

用虚拟仿真VR 体验形式认知矿井关键位置，包括：综采工作面、掘进工作面、水泵房、机电硐室、永久避难硐室；场景模型：罐笼、综采工作面巷道、采煤机、刮板机、液压支架、端头支架、皮带运输机、破碎机、提升机、掘井工作面巷道、掘进机、水泵房场景、水泵、机电硐室场景、高压变电设备、永久避难硐室、电气设备、压风自救系统、防爆电话等。视角可自由旋转，场景内自由漫游；手柄点击学习及排查隐患点，通过地图前往其他区域。

（2）煤矿瓦斯灾害处置

用虚拟仿真VR体验形式模拟煤矿瓦斯爆炸事故发生时，从爆炸发生地点附近撤离到永久避难硐室的全过程，包括撤离期间使用逃生设备、选择合理路线、紧急情况处理等。设置多重突发状况：途中经过顶板冒落区域、途径爆炸导致的着火点。发生事故时，视觉听觉双重震撼逼真模拟爆炸瞬间（图2）。

处置流程：发生瓦斯爆炸事故→背对躲避冲击波伤害→沾湿毛巾捂住口鼻→佩戴自救器→迅速撤离→进入临时避难仓暂时躲避→休整后离开临时避难仓→通过由于爆炸导致的顶板塌方段→途径爆炸导致的着火点进行灭火→触摸铁轨通过烟雾区→进入避难硐室→打开压风自救系统→拨打防爆电话向调度室汇报→等待救援→回顾逃生路线。

图2 模拟瓦斯爆炸场景

（3）煤矿火灾灾害处置

虚拟仿真VR 体验形式模拟煤矿火灾事故发生，从火灾发生点附近撤离到副井井上全过程，包括撤离期间使用逃生设备、选择合理路线、紧急情况处理等。

处置流程：发现大量烟雾→火灾报警装置启动、切断电源→佩戴自救器准备撤离→发现着火点→尝试使用灭火器灭火→灭火失败重新选择撤离路线→蹲下通过烟雾区→使用防爆电话汇报火情→通过工作面-回风平巷-回风巷进入轨道上山—经下部车场-运输大巷-主石门-副井撤出灾区。

（4）煤矿水灾灾害处置

虚拟仿真VR 体验形式模拟煤矿水灾事故发生，从运输上山附近撤离到风井井上的全过程，包括撤离期间使用逃生设备、选择合理路线、紧急情况处理等。

处置流程：水浪涌来→抓住管路躲避水浪→抓住管路逆水流方向撤离→选择避灾路线→留下衣物标记撤离路线→通过风门→根据风流方向判断巷道方向→冲过出水巷道口→使用防爆电话汇报灾情→经回风石门-回风大巷-回风主石门-风井撤离出井。

图3 模拟煤矿水灾事故场景

（5）煤矿顶板灾害处置

用虚拟仿真VR体验形式模拟煤矿顶板事故发生时，被冒落顶板堵住的掘进工作面，撤离到安全位置的全过程，包括撤离期间使用逃生设备、紧急自救、紧急情况处理等。

处置流程：顶板灾害发生→剧烈晃动→打开压风自救系统→通过防爆电话与调度室联系→敲击物体与外界联络→进行冒落区域周围顶板的支撑→等待救援人员→救援通道打通→撤离灾区。

（6）煤矿煤尘灾害处置

用虚拟仿真VR体验形式模拟煤矿煤尘事故发生时，从煤尘爆炸发生地点附近撤离到副井井上的全过程，包括撤离期间使用逃生设备、选择合理路线、紧急情况处理等。发生事故时，视觉听觉双重震撼逼真模拟煤尘爆炸灾害场景。

处置流程：煤尘爆炸灾害发生→剧烈晃动→背对躲避冲击波→佩戴自救器→迅速逃生→进使用压风自救系统→绕过一侧脱落的防爆水袋→通过风门→使用防爆电话汇报灾情→进入避难硐室更换自救器→通过副井撤离到井上。

（7）建立考核模式

所有的模块均以事故征兆、排查、处置、事故发生过程、自救互救为主线，建立完善的考核打分制度，根据学员面对事故征兆、事故发生过程，考察学员对事故判断和处理能力，并根据学员操作顺序、规范程度与系统标准化步骤进行比对（允许学员操作与系统有一定误差），并综合打分，如果考核合格，则进入下一环节，如考核不合格，学员应当重新进行学习。

2.3 应用效果

通过同煤集团公司的53座矿井3 500多人参与培训来看，培训效果理想，实际操作性强，有效锻炼了入井人员的心理素质，有利于培训入井人员在灾害现场正确采取应急自救互救措施，正确进行事故初期的处置，控制灾情防止进一步扩大。

3 结论

通过VR 虚拟仿真技术实现逼真的场景还原，事故重现，建立事故场景VR体验模块，包括事故发生前的征兆，事故发生过程，事故发生后带来的危害，以及事故发生后如何正确的应急处理。从而给予培训学员更加深刻的安全认知与技能培训。培训职工可以最大限度的感受煤矿灾害现场的“真实”环境，培训效果显著，尤其是对加强入井员工心理承受能力的培训和面对灾害采取正确的应急处置流程具有绝佳的效果。

（1）实现了培训内容的创新，改变了传统煤矿安全培训以理论知识的讲授为主，实现了学员接受的内容由“平面化”向“立体化”的转变。

（2）实现了培训过程的创新。传统的煤矿安全培训中，培训老师也会应用多种现代化手段去调动课堂，但是这些手段带给学员的仍然是“认知性”的教学过程。VR培训将培训过程变成了“体验式”和“沉浸式”。

（3）实现了互动模式的创新。传统的煤矿安全培训中，课堂互动一般是老师与学员、学员与学员之间。将互动模式变成了学员与教学内容的互动。利用人体输入学设备，结合屏幕画面仿真实物，引导学员完成教学内容的学习。