探究虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用

吴 聪

（黑龙江煤矿安全监察局安全技术中心，黑龙江 哈尔滨 150000）

与传统培训方式相比，虚拟培训颠覆了原有枯燥死板的教学培训模式，探索出了一条极具创新力的培训之路。虚拟现实技术与安全培训的紧密结合，为培训者提供一个和真实环境完全一致的虚拟环境，培训者可以在这个具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境中，通过人机交互设备和场景里所有物件进行交互，体验实时的物理反馈，进行多种实验操作。

1 认识虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是一种能够创建与真实环境一模一样的虚拟环境的技术，用它可以去探索虚拟世界中真实环境元素。虚拟现实技术应用到了仿真技术与计算机图形学、人机交互技术、多媒体技术等多种高科技技术，是一种多源技术和信息融合式的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真。

1.2 虚拟现实技术的原理

从逻辑上划分，我们可以把虚拟现实技术看成是仿真技术的一个分支，因此虚拟现实技术很多设计原理和应用原理都是符合仿真学和仿真技术的原理。除了前面提到的计算机图形学、人机交互技术、多媒体技术外，还涉及到了传感技术和网络技术，可以说虚拟现实技术是一个高端的前沿研究领域，具有极强的挑战性。

1.3 虚拟现实技术的构成

从构成上看，虚拟现实技术主要由自然技能、感知、传感设备和模拟环境等四方面组成。其中自然技能是指人的肢体活动，如手、头、脚等，计算机会根据人们真实的活动情况来设计相关数据，以响应用户的输入，并回馈至人体的五官；感知是指在最为理想的虚拟现实状态下，虚拟环境中的人应该具有真实状态下人的感知，也就是虚拟的质量要做到与真实一致，除了肢体活动感知外，还有包括嗅觉和味觉在内的各种感受器官的感知；传感设备就是三维交互设备；模拟环境就是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。

1.4 虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术的特征主要表现为：自主性、交互性、多感知性和存在感。其中自主性是指人物的自主性，即虚拟对象应在虚拟环境运行中始终处于活动的主导体位；交互性是基于虚拟对象的交互，即人物可操作的基础上应该得到虚拟环境中事物的反馈，而且是实时反馈；多感知性就是我们前面所提到的行为感知和感受器官的感知，感知要与现实保持一致；存在感就是分辨度，即人无法分辨真假的程度。

2 关键技术

2.1 三维模型

三维模型就是使用三维制作工具通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型，从而创建虚拟现实场景。我们通常先用三维软件去设计和制作物体的三维模型，然后在计算机中去模拟相对逼真的三维物体，进而应用于实际培训中。置于物体的属性，可以是已经真实存在的，如已挖好的煤矿隧道，也可以是我们的构想，如理想化煤矿隧道。制作上分网格和纹理，由众多云点组成的称为网格，形状并不是唯一固定的，有三角形、四边形、多边形等；而文理所反映的是被描述物体的表面特征，如凹凸不平的沟纹，当我们按照某种特定的方式将文理映射到物体网格表面时，物体看上去会更加逼真。通常能够用到的建模工具有3ds Max、Maya、Cinema 4D和Blender。

2.2 三维全景

作为虚拟现实技术的另一个分支，三维全景技术与3D建模技术（三维模型）相比，并不具备3D建模技术的良好沉浸体验和深度交互能力，而且会更弱，虽然也能虚拟真实场景，但到目前为止还达不到虚拟现实。但它也有自身的优点，如相对于三维制作来说，它开发周期短，开发成本低；播放设备硬件要求低，可以使用电脑或手机上的播放器；全景图片文件数据量较小，非常有利于网络传输，易传播、易推广，并且也可以实现任意视角的任意放大缩小，以及实现自由浏览。

3 建立虚拟现实的煤矿事故仿真和安全培训系统

3.1 硬件平台

在搭建硬件平台时，我们应用了360°环屏沉浸式投影系统。它是一种多功能网络化多媒体演变平台，主要用来播放煤矿事故发生，以及预设营救活动的三维立体动画，主要有以下五部分组成。

（1）系统规模。在直径长为10m，高为4m的空间大小下，若想保证模拟演习质量可考虑容纳18~22人，在略为复杂的环境下，可以考虑将人员保持在15~25人。

（2）播放单元。播放单元一般由6~8台3D高清投影仪、10~15台环绕立体音响和360°环幕组成，屏幕支持1080P全彩色高清画面，煤矿工作者在环幕中能够感受到真实的工作场景。

（3）控制单元。控制单元一般由1~2台服务器和6~8台工作站集群及视频转换装置组成，且是立体图像实时生成的。工作站均采用较高端配置，但具体操作还需根据企业实际情况来做定夺，一般建议采购略高配置的工作站和服务器，这样能确保图像数据的顺畅处理。在服务器和工作站的共同作业下，视频数据和音频数据将会被传输到播放单元中。

（4）网络单元。网络单元被看成是连接控制单元与播放单元的桥梁，其作用和意义与我们平时用的网络宽带是相同性质，只不过对数据传输速率的要求会更高。一般我们至少采用千兆高性能视频网络和千兆高性能数据网络，才能保证工作站、服务器，以及各种硬件设备相互间的高速通信。

（5）交互设备。交互设备采用Ipod和Ipad两种，其中Ipod是用来给培训者进行答题的，是答题终端；Ipad主要作为三维场景的控制器，供培训师控制视角和场景漫游用。

3.2 软件平台

相比于硬件平台，软件平台更加丰富，它主要由三维模型动画和场景动画、危险源识别培训模块、事故仿真模拟培训模块、自救逃生培训模块、事故营救演练培训模块、安全培训考核管理模块六部分组成，应用了AutoDesk、3D Max等制作软件对三维场景进行创作。

（1）三维模型动画和场景动画。为了确保实时渲染，在虚拟现实环境时，我们要尽可能保证使用面的有效性，实现模型的最大限度优化；但另一方面，虚拟现实又需要很真实的画面感，太少的制作面会大大降低场景的真实性。所以，我们通常会采取特殊的建模方法来保证顺畅的运行和真实的效果，比如用Zbrush法线贴图对模型进行处理可以产生很强的立体感。除了事物本身外，灯光和阴影也是不能忽视的，用AutoDesk和MaYa可以满足我们的需求。

（2）危险源识别培训模块。与真实场景相同，危险源识别培训模块可以模拟出真实环境下的危险源征兆，比如瓦斯、煤尘、运输、主扇、压风、排水、供电，以及水、火等。可以再现真实井下工作中涉及到的一切危险事故的发生，以及诱发事故发生的因素，培训者可以按照自己所掌握的安全知识对系统所提出的提问进行作答，答案由已被设定好的考评管理系统进行考核，并在纠正答错问题之后，对全部问题进行真实事故演示，包括诱发原因、事故发生过程、原因分析，以及事故所造成的严重后果，并在最后演示危险征兆出现后，工作人员正确处理问题的方式。

（3）事故仿真模拟培训模块。该模块可以分析出各种类型事故的发生原因，从危险征兆出现，到事故发生，再到事故发展过程和导致的后果，整个一系列完整的过程都能被模拟出来。事故类型包括了水、火、瓦斯、顶板冒落等，这种很强的交互式培训模式，能够在很大程度上增强工作人员对各种事故发生的了解，提高他们危险识别的意识，提升发现危险征兆的敏感度，从而对事故有着更深刻的认识。

（4）自救逃生培训模块。自救逃生培训模块是根据每种类型事故和以往典型事故发生时的状况，对可能存在和已经存在的逃生线路进行场景设计，真实再现各样事故发生时的虚拟仿真环境，包括了对水、火、瓦斯、顶板冒落等事故的模拟。该模块也是通过人机交互的方式去让工作人员面对不同的危险，以及在逃生过程中可能遇到的各种情况做出选择和交互式操作。

（5）事故营救演练培训模块。事故营救演练培训模块是针对各种可能发生的事故，以及事故发生后工作人员所采取的具体营救行为设计的。需要我们能够制定出多种不同的营救方案，并根据每一种具体方案进行场景和设备的建模及动画、与系统交互的开发制作，系统将会展示出每一种营救行动最有效、简单、快速的营救步骤，以及在营救过程中可能遇到的各种突发状况的处理方式。

（6）安全培训考核管理模块。安全培训考核管理模块是针对工作人员在培训过程中接受一定任务考核，以及整个培训工作完毕后接受完整的最终考核而设计的。最终考核内容就是整个培训内容，包括针对危险源的识别、事故方针模拟、自救逃生、事故营救演习等模块中的重点内容和任务。基础知识通常以选择题和简答题的形式呈现给参加考试的人员，除此之外，还有模拟演习，其考核标准是正确的操作流程和处理方式。最后，所有参加考试人员的成绩将被记录在系统内，然后由系统进行评估打分，将考试不合格者筛选出来，并通知他们准备下一次培训。

4 应用虚拟现实技术于煤矿安全培训中的前景展望

当前，虚拟现实技术所能实现的内容还是很多的，在结合计算机先进技术的前提下，其应用范围也正在逐渐扩展，包括电子传感器、计算机图形学、人工智能，甚至是心理学等在内的自然科学、应用科学和社会科学领域都在尝试应用虚拟现实技术，并在个别领域和行业的应用中取得了相当不错的成果。但从技术角度去分析，我们发现虚拟现实技术还存在很多需要完善的地方，比如受硬件和软件因素制约，虚拟现实系统还只能达到部分真实的程度，特别是对高标准和高要求的模拟。

在煤矿安全培训中，我们既需要强大的虚拟现实技术做支撑，以使安全培训能更好地向真实场景演习靠拢；又需要坚持煤矿安全培训的总体设计和基本原则，让参加培训的工作人员在现代高科技培训中有效提升自我安全工作意识和安全作业的能力，所以我们说，虚拟现实技术与煤矿安全培训的结合是有效实现培训目的的重要方式和手段。鉴于煤矿作业本身对先进科学技术的使用比较慢，因此虚拟现实技术目前所存在的诸多问题暂时还不会影响到它在煤矿安全培训中的作用，而且在使用中对硬件和软件的要求也不会太高，所以按照当前的标准去进行操作还是具有很大的现实意义的。

5 结束语

当前世界范围内对虚拟现实技术的探索和研发还处在摸索阶段，我们对它的应用也仅限于表层，但相信在相关科研人员的携手努力下，终有一天它会成为我们与计算机交互方式最大的一种转型，改变人们与科技之间的关系，而这种成功的转型和人机关系融洽度的逐渐提升，也为我们进行煤矿安全培训提供了更加可靠且有利的支持，从而直接推动着煤炭安全防护方式的升级。