地下矿山安全虚拟实训平台建设

张柏 ，寇向宇 ，张翼翔 ，鄢德波 ，李沛俊 ，王亚萍

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

由于我国资源分布的特殊性，矿产资源多以地下矿产为主，而开采地下矿产资源相对复杂，经常出现冒顶片帮、透水、火灾、爆炸等安全事故，使国家与企业遭受重大的财产损失及人员伤亡。为加强非煤地下矿山的安全生产工作，国家相关部门经过多年的不懈努力，建成了《安全生产法》《矿山安全法》《矿山安全法实施条例》《安全生产许可证实施条例》等法律法规来规范矿企的生产作业工作。但是随着社会结构的不断变化，矿山企业中的人员流动也越来越快，人员的安全意识、人员素质参差不齐，安全体系和安全培训工作的形式落后，矿业院校教育模式单一等问题都对矿山企业安全管理和矿业院校教育工作造成了一定的影响。因此，有必要对矿山企业安全培训和矿业院校教育的模式进行改进，将虚拟仿真技术应用到矿山安全的培训教育中，构建完整统一的安全虚拟实训平台，帮助学员有效掌握安全理论知识，指导学员开展各项创新活动，提高矿山企业和矿业院校安全培训教育的效率和质量，培养满足信息化时代要求的专业人才，实现矿山企业员工招聘和矿业院校人才培养的无缝对接，并为企业和高校自身树立良好的标杆形象。

安全贯穿于企业生产全过程，安全教育培训和管理是保障矿山企业生产和效益的前提条件，为此，国内许多学者在安全教育培训方面进行了大量的研究工作。张志勇等[1]从信息安全类课程教学与实践两大环节中的共性问题入手，在分析信息安全技术课程实际教学活动的基础上，提出教学内容点面结合、教学实践知行合一的内容安排与学生认知评价体系，该教学模式在信息安全工程与应用型本科人才培养中取得了较好的效果，达到了厚基础、重实践的培养目标；阳富强等[2]结合安全工程专业实验教学的现状，构建了多层次、多模块虚拟仿真实验教学体系，重点建设消防工程学、机械安全、建筑安全、化工安全等四大领域的虚拟仿真教学平台，从校内资源共享、校际平台分享、社会服务 3个方面分析了本专业虚拟仿真实验教学平台的应用前景；王睿等[3]分析了海洋地质专业实验教学的现状，提出了进行虚拟仿真实验教学平台的建设思路，以及以海洋专业特色和海洋科学研究领域最新成果为导向，在教学资源、教学终端、教学资源管理平台和教学环境平台4个方面的建设内容。

虚拟仿真实验教学是信息技术促进实验教学改革与创新的产物[4]，也是高等教育信息和实验教学示范中心建设的重要内容[5]；矿业虚拟仿真教学实验室[6]是矿业实验室与虚拟仿真技术融合的产物，是矿业院校实验教学的重要组成部分；在地质学中[7]，国内外高校已经将虚拟仿真技术应用到教学中，使其打破了传统教学的时空限制。

刘方等[8]鉴于目前煤矿安全监控系统实训课程中无充足的设备用于实验，开发并实现了煤矿安全监控系统虚拟实训平台，通过平台无须连接真实分站和传感器即可对各类测点数据进行定义，并能验证参数设置的正确性，从而达到节约成本、提高实训质量的目的。

1 安全虚拟实训平台设计

1.1 系统架构

地下矿山安全生产实训平台系统设计架构如图1所示。

图1 矿山安全生产实训平台系统设计架构

（1）硬件层为本系统提供了硬件基础，主要包含工作站、三维立体投影系统、ⅤR头盔、模拟器等。

（2）数据层统一管理仿真实践培训系统的所有数据，包含三维模型库资料、用户资料、培训资源、视频动画等。

（3）管理层是不同用户对本系统相关业务进行日常操作、查看及管理。

（4）应用层为本系统核心层，包含安全生产实训视频、安全虚拟实训系统、设备虚拟实训系统。

（5）表示层为本系统面对的用户包括领导、员工、管理员。

1.2 业务流程

地下矿山安全虚拟实训平台以安全教育培训与生产培训为内容核心，以矿山操作人员、检修人员、现场管理人员、临时参观人员为主要培训对象，培训师及管理人员辅助开展培训工作，其设计业务流程如图2所示。

图2 设计业务流程

1.3 系统部署

地下矿山安全虚拟实训平台、数据服务器统一部署在矿山技术中心网络机房，为了使各使用者及相关单位既可以通过局域网访问，也可以通过应用服务器发布到外网，方便领导或其他人员通过 PC端进行外网访问本系统，应用服务器内外网分开设置两台服务器，后台共享数据库服务器。系统设计部署如图3所示。

图3 系统设计部署

2 安全虚拟实训平台开发

2.1 开发目标

地下矿山安全虚拟实训平台开发的总体目标是汲取国内外先进培训管理和方法的精华，结合自身安全实训需求实际情况，紧紧围绕安全生产根本任务，适应经济社会快速发展对人员的安全培训、实训新要求，以提高员工的安全意识和设备操作实践为核心，以现代信息技术为依托，以矿山安全生产培训、常用设备和常见安全事故内容为指向，以完整的安全仿真培训项目为基础，建设矿山安全虚拟实训系统，采用虚拟仿真+三维动画+信息化平台，开启易于接受、易于理解的培训新模式，可视化表达安全生产知识点，有效提高安全培训质量。

2.2 开发原则

地下矿山安全虚拟实训平台从矿山的实际业务管理模式出发，在开发上应充分考虑到今后系统运行管理的经济性、安全性和可靠性。在采用成熟先进的主流技术和主流产品的基础上，在技术开放和高度集成的基础上，进行高层次的应用开发，使系统易用、易维护、易扩展且高度安全可靠。具体开发遵循实用性、先进性、标准化、可视化和可维护性的原则。

2.3 开发内容

2.3.1 安全生产实训视频

（1）下井安全实训视频。矿山企业岗位基数大，生产过程中会持续有新入矿的施工人员及不定期接待的参观人员，下井安全须知培训需求量大。传统实景拍摄的视频剪辑表达方式有限，拍摄机位受限，难以生动表达安全须知的内容，且井下现场拍摄光线不理想，画面效果不佳，难以达到塑造现代化矿山企业形象的目标。本视频通过三维画面直观生动地展现各项下井安全须知细节，使观看者快速和全面地接受培训内容，从而提高矿山安全水平；高质量的画面制作，细致的场景仿真，可充分展现安全、绿色的现代矿山风貌。部分下井安全须知画面效果如图4所示。

图4 下井安全须知画面效果

（2） 生产认知实训视频。如何向新入矿的施工人员及不定期接待的参观人员快速直观地展现矿山总体面貌，全面讲解生产系统构成、工艺特点、装备及技术水平，需要用到三维CG工业动画的方式。本视频的创作是地下矿山井上井下的三维场景仿真，通过CG技术手段，展现矿山生产状态及发展规划，重点突出矿山工业的现代化、机械化、自动化水平，塑造标杆矿山的企业形象。部分生产认知画面效果如图5所示。

图5 生产认知画面效果

2.3.2 安全虚拟实训系统

矿山现有的安全培训方式较为原始，下井前安全培训采用的视频过于陈旧。单次培训的效果难以达到预期，需要重复多次培训。通用技术培训需要人工讲解，难以短期重复，只能在技术使用中逐渐熟悉。通过安全虚拟实训平台的学习，使下井人员切身体验施工过程中可能发生的各种危险场景，并掌握相应的防范知识及应急措施，实现矿山安全教育和培训演练的目的（见图6）。

图6 矿山安全事故实训ⅤR体验

2.3.3 设备虚拟实训系统

生产实训平台主要服务于生产设备岗位操作的培训，通过虚拟实训，员工可以在实训基地体验高度还原的井下生产仿真场景，熟悉岗位工作内容，统一、规范、科学地培训学员对机械操纵及车辆驾驶，弥补现场培训容易遗漏知识点、场景单一、存在潜在安全风险等不足。随着矿山机械化的快速发展，各类采掘及辅助设备越来越受到各大矿山的青睐，如何安全、高效培训设备操作人员，成为矿山的一个重要课题。

通过虚拟仿真与实体模拟器的结合，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中感受到接近真实效果的视觉、听觉的设备操作体验，进行生产装备操作岗位的培训，帮助不同岗位的司机及设备操作工人了解岗位职责，熟悉所操纵设备的组成与结构，掌握正确的使用及维护方法，掌握设备点检和交接班等工作流程。

2.3.4 虚拟实训管理系统

培训作为矿山案例生产保障的重要一环，应作为数字矿山建设的一部分。培训的记录、成绩的汇总数据应与矿山管理体系融为一体，这需要所有的培训资料、培训考核、课程管理数据集中在一个信息平台来管理。应创建统一的培训管理数据中心，有效管理受训者的培训档案、各类培训资料，实现在线共享，促进培训管理水平的提高。

（1）培训档案管理。以职工入矿为起始，建立培训管理档案，使管理者和教员准确掌握职工的培训记录、培训进度等信息，有针对性地开展培训工作。功能包括：组织机构管理、实训任务管理、账号管理、培训记录管理、系统权限管理。

（2）培训资源管理。培训资源管理模块具有上传、下载、分享、查看的功能，各类虚拟仿真培训资源可按类别在系统有序地归类管理，从资源列表中可预览资源详情页面。管理员具有资源查看、资源上传管理、资源下载管理、资源使用情况统计分析的权限。功能包括：培训资源管理基础功能、培训资源使用记录、培训资源使用权限管理和培训资源使用统计。

3 安全虚拟实训平台应用

安全虚拟实训平台在矿山企业岗位培训和矿业院校学科教育等方面具有较大的市场前景，应对其进行推广及应用。

（1）矿山企业岗位培训。对于矿山企业来说，安全虚拟实训平台的使用将有助于提高全矿人员的安全意识，为企业的安全生产奠定坚实的基础，同时能减少伤亡事故的发生，提高生产效率，为企业带来巨大的使用价值，也为企业自身树立示范性标杆。

（2）矿业院校学科教育。对于矿业院校来说，安全虚拟实训平台的使用将有助于学生对所学专业知识有更加清晰的认知和体验，充分调动学生的学习主动性，提高教师的教学效率，节约学生的现场实习成本，并为学生步入矿山实习和工作打下扎实的基础，同时也使学校自身的特色学科教学得到了升华。

4 总结与展望

我国80%以上的安全伤亡事故都是由于违章指挥、违章作业、违反劳动纪律造成的，加强安全教育培训、提高作业人员安全素质是增强安全管理力度、减少伤亡事故发生的有效措施。地下矿山安全虚拟实训平台的建立，改变了以往传统的矿山企业岗位培训和矿业院校学科教育模式，通过安全警示教育视频，矿山安全事故实训ⅤR体验，生产设备虚拟实训操作台等方式，激发了受训人员的兴趣，改善了企业安全教育培训和院校学科教育的质量，提高了受训人员的安全素质，最终增强了企业安全管理的力度，减少了伤亡事故发生，提升了矿山安全培训管理和院校学科教育水平，为矿山企业和矿业院校带来了巨大的经济效益和社会效益，也为其他相关企业和院校的安全培训管理和学科教育工作提供了一定的借鉴及参考。