智能矿山真实场景交互沉浸式安全培训系统开发

杨龙杰 王培强

（1.平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南 平顶山 467000；2.平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467000）

近年来，煤炭行业信息化、智能化建设加速推进，“智能+煤炭”“互联网+煤炭”将为行业转型升级赋能。截至目前，200 多个智能化采煤工作面已经建成，实现了地面一键启动、井下有人巡视、无人值守。随着采掘机械装备技术水平的不断提高，对采掘生产操作岗位人员的专业技能水平要求也越来越高。智能化采煤技术能否推广应用，首先要看人的综合素质和专业技术能力，能否操控这些先进的机械装备。

智能矿山采掘岗位群配备人员主要由相关煤炭类专业（煤矿开采技术、矿山机电、电气自动化）技术人员过渡和再培训，以保证智能矿山正常生产的运转。但是目前的智能矿山技术工人存在年龄偏大、知识结构陈旧等问题，为了尽快满足智能化转型发展，急需一批智能化特殊专业人才充实到工作一线，投入到矿山智能化升级改造及运行维护工作之中。经调研发现，在智能矿山建设与运转的初始阶段，由于相关专业知识欠缺，专业操作与维修维护人员匮乏，培训周期较长，传统培养方式效率低，造成智能矿山正常运转相对滞后。因此，在煤矿智能化提质增效的同时，更需要加强新条件下智能设备安全生产技能与岗位操作技能培训，提高相关技术人员的业务水平对智能矿山安全稳定运行有着非常重要的意义。

1 软件架构设计

系统以平煤股份十矿“一矿一区一面”的实际工作环境作为虚拟模拟场景，对矿井生产系统进行三维实体建模，利用虚拟仿真技术实现人机交互界面操作，实现智能矿山生产系统整体漫游，智能采掘装备的操作、维护、检测、拆装及安全生产知识演绎培训，研发一套基于虚拟现实技术的智能矿山真实场景交互沉浸式安全培训系统。该系统主要由培训与考核管理、智能化采煤教学资源、综采综掘设备三维学习、智能采面多人协同交互操作、安全生产警示教育案例、VR 智能矿山综合仿真体验六大模块组成，形成“一中心+五子系统”的整体结构，如图1。

图1 系统整体架构示意图

2 系统功能设计

基于虚拟现实技术的智能矿山真实场景交互沉浸式安全培训系统开发成功后，用于智能化工作面职工安全和技能操作培训，可以实现以下功能：

实现智能矿山生产系统漫游，智能采掘设备的操作、维护、检测、拆装及安全生产知识演绎培训，让职工不用下井也可以达到实操训练和考核的目的，能够更好地将所学理论知识与实际工作需要相结合，真正做到“学什么、懂什么、干什么、会什么”，增强职工的安全生产技能，提高职工安全意识。

通过计算机数字建模技术，模拟真实的智能矿山生产系统、智能综采系统，虚拟化交互式智能开采环境，利用沉浸式虚拟现实头戴式显示器，将“看不见、进不去、动不了、难再现”的井下场景呈现在学员面前，让学员通过操作手柄与场景里的物件进行仿真交互。

系统由配套的软、硬件组成，由管理中心统一进行控制管理。管理端与培训端各部分PC 主机通过局域网（WLAN）互联，使用TCP/IP 协议与UDP 协议交换数据。其功能模块的设计内容和描述见表1。

表1 系统功能模块设计

3 系统软件的功能实现

3.1 培训与考核管理功能模块

培训与考核管理模块是整个系统的管理端，对其他子系统进行管理、设置、远程监控。受训人员的考核成绩也将汇总在指挥中心。

（1）子系统监控。可分别选择模拟智慧生产系统培训子系统、智能采掘设备培训子系统、智能采掘工作面协同作业实训子系统、模拟安全避险六大系统子系统和VR 智能采面综合仿真子系统等，查看其显示画面，了解其工作状态。

（2）培训与考核管理。系统提供登陆管理功能，支持受训人员通过账号密码、人脸识别等多种方式登陆系统，并可设置受训人员角色，包括采煤机司机、液压支架工、掘进机司机等。系统通过模拟各工种在工作现场的实际操作步骤、程序和方法，实时评定受训人员能否按照标准要求完成操作任务。系统具备完善的数据分析功能，对受训人员的操作过程进行自动记录、评估，得出成绩，实现考训一体化。并可以列出扣分项，提示正确操作规范，使学员真正达到规范操作流程、提高操作水平的目的。

3.2 智能矿山教学资源功能模块

可视化教学资源融合了文本、音频、视频、交互控制等富媒体形态的信息集合，为煤炭专业知识教材体系开辟全新的教育学习模式。

可视化教学资源分为三大模块：

（1）核心专业课程

煤矿地质、煤矿开采、巷道施工技术、煤矿安全、矿井通风（采矿）、矿山机械、矿山电气设备使用技术等7 门核心课程。

（2）采掘安全知识

采煤工作面包括采煤机司机、输送机司机、液压支架工、泵站操作工、端头维护工、综采安装撤除工、采煤工、煤矿安全检查工；掘进工作面包括装岩机司机、综掘机司机、掘砌工、采掘电钳工、耙斗装岩司机、电机车司机。

（3）智能采面技能知识

智能采煤机巡视工、电液控支架巡视工、集控台操作工、端头维护工、泵站操作工。

3.3 综采综掘设备三维学习功能模块

依托平煤股份某矿智能化采煤工作面、掘进工作面，真实再现智能化采煤、掘进生产设备。智能化采煤工作面设备包括：采煤机、液压支架、端头支架、超前支架、智能泵站、乳化液泵、电液控系统、转载机、刮板输送机、喷雾泵、通讯、破碎机和支架电液控控制系统、支架姿态监测系统、视频监控系统、光纤惯导定位系统等。掘进工作面包括：掘锚一体机、转载机、胶带输送机。

3.4 智能矿山多人协同交互操作模块

通过VR 技术实现智能化综采工作面多工种多岗位协同作业模拟实训与模拟实操考核。主要内容包括：（1）煤炭智能采煤系统的组成、控制原理、通讯原理、工作面模拟搭建等内容，通过二维动画、三维模型等以可视化方式呈现；（2）智能采掘工作面多工种多岗位协同作业；（3）智能采掘工作面模拟实操考核；（4）矿井虚拟安检维护，能够通过指挥中心设置预留故障，包括电气故障、设备故障、液压故障以及机械故障，通过虚拟三维仿真能够模拟及进行故障维护排查，交互方式科学、良好。

3.5 安全生产警示教育案例

利用VR 虚拟现实技术，真实模拟事故灾害发生时的三维环境，将安全教育与体验相结合，使五大灾害场景重现，其中包含事故体验、事故回顾、事故分析、安全演练。真实还原事故灾害发生的各个细节，使学员产生身临事故现场的感觉，真切感受安全事故发生瞬间的震撼，以及会造成的严重后果，并在安全体验系统的指导下，正确地对事故灾害实施救援或正确地规避事故灾害，提高自救能力及提升安全生产水平，让安全理念深入人心。

3.6 VR 智能矿山综合仿真体验

利用虚拟现实技术使受训人员能够通过VR 设备在虚拟场景中进行煤矿井上、井下工作场景漫游[1-3]，漫游过程中系统随时进行讲解，使受训人员能够非常方便、高效地对煤矿实地生产工作环境有深刻的认识。

4 结语

该系统的开发，通过3DMAX 数字建模、Unity3D 引擎、VR 虚拟现实和Flash 交互等技术的综合运用，保证了软件开发技术的先进性、可靠性和可操作性；以平煤股份十矿智能化采煤工作面的实际工作环境作为虚拟模拟场景，保证了智能矿山职工培训系统平台的前沿性、可操作性和实用性；以智能矿山职工培训需求为基础编制的职工培训标准，保证了智能矿山职工培训系统的功能齐全，可以与职工培训无缝对接，提升培训效果。