向军,刘晓明

(1.广晟控股集团有限公司, 广东 广州 510000;2.长沙迪迈科技有限公司, 湖南 长沙 410012)

0 引言

智能矿山是当代矿业发展的必然趋势。矿业作为高危行业,生产过程往往伴随安全事故的发生,造成巨大的人员和财产损失。因此,智能矿山建设必须将矿山安全高效生产作为根本目标,特别是要坚持以人为本、聚焦人的安全,注重从业人员的安全生产培训教育,提升安全意识和技能。但矿山传统的安全生产培训主要采取老师授课、现场教学、师带徒等方式进行,形式单一、针对性不强、缺乏系统性,难以达到理想的培训效果。

近年来,随着虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)的不断发展,其具有独特的优势而被广泛运用于各行各业,将其应用于矿业逐渐成为智能矿山建设研究热点之一[12]。当前,虚拟现实技术在矿山培训和矿山消防教育等行业不断推进。王靖等[3]基于Unity3D设计了虚拟矿山漫游系统并制定了矿山灾害逃生计划。Sayali等[4]采用VR培训解决混凝土行业的主要安全问题,进一步分析其培训有效性。侯建明等[5]开发了矿山事故救援系统框架并用于矿山灾害动态模拟。Andrzej等[6]使用虚拟现实技术让矿工在安全可控的环境中进行采矿模拟工作,并采用心理测试对用户行为进行量表解释。黄小燕等[7]基于VR技术在矿山开展安全防范意识和操作规范等方面的培训。本文以凡口铅锌矿安全生产虚拟实训平台构建与应用为例,探讨如何创新矿山安全生产培训模式,更好地服务矿山安全生产工作。

1 传统矿山安全培训所面临问题

目前凡口矿拥有大量正式职工,另有一定数量的外包施工人员、不定期接待的参观人员,使得整个培训工作任务繁重,每年投入大量培训资金。虽然当前凡口矿员工培训内容丰富,但是形式及考核制度较为单一。

一般岗位培训通常为集中授课,集中授课虽然传递信息量大、内容多,但是场景代入感不强,难以使不熟悉井下环境的人产生整体的认知。对于专业技术岗位及操作岗位的员工培训,采用的是现场操作演练的方式,以师带徒、经验相传。此方法虽然能够使参加培训人员快速掌握操作要领,但是存在一定的风险性。一方面,老员工们的经验可靠程度不一;另一方面,现场培训增加机械设备能耗,且可能存在操作不当导致人员受伤的情况[8]。

加强矿山安全教育培训、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[9]。目前,我国非煤地下矿山安全及生产培训普遍存在以下问题[10]。

(1)只能看到局部的、静态的场景,难以完整了解到所处岗位的系统性因素,培训内容与生产系统所配套的岗位划分配合不紧密。

(2)生产培训形式单一,多依靠会议文本及现场培训,难以确保系统性、科学性;培训材料多为传统三视图和文字说明,难以使职工完全理解和掌握矿山复杂繁多的新技术、新系统及安全知识。

(3)多项培训同时开展,针对性不强,讲师难以讲全每个环节,学员理解不到位。培训过程缺乏跟踪,对培训效果及人员状态缺乏关注。

(4)培训内容独立于各自的信息平台,形成数据孤岛,缺乏统一的培训管理机制。

(5)实机培训存在安全隐患且成本高。

为改善凡口铅锌矿矿山安全培训存在的上述问题,凡口矿规划建设矿山安全虚拟实训平台,以视频场景体验、VR交互等创新方式进行安全教育及生产培训。

2 平台总体规划与设计

2.1 业务流程

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,矿山操作岗位、检修岗位、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,其业务流程如图1所示。

图1 矿山安全虚拟实训平台培训流程

2.2 系统架构

矿山安全虚拟实训平台采用“硬件层—数据层—管理层—应用层—表示层”多层系统架构,使得系统具有高内聚、低耦合、可拓展的特性。

(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,包含安全生产培训视频、安全实训系统、生产实训系统模块。

(5)表示层为本系统面对的用户,包括单位领导、教员、学员、管理员。

矿山安全生产实训平台系统架构如图2所示。

图2 矿山安全生产实训平台系统架构

2.3 部署架构

矿山安全虚拟实训平台应用、数据服务器统一部署在矿山技术中心网络机房。为满足各使用者及相关单位通过局域网访问,也可以通过把应用发布到外网,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两台服务器,后台共享数据库服务器。系统部署如图3所示。

图3 系统部署示意

2.4 系统模块

根据凡口铅锌矿实际业务需求将安全虚拟实训平台划分为安全生产培训视频、安全虚拟实训系统、设备虚拟实训3个部分的内容,具体子系统如图4所示。

图4 系统模块组成

3 系统平台构建与应用

根据前述系统功能模块划分,结合凡口铅锌矿历年安全培训重点,顺应矿山安全管理新思路[11],总结如下:安全生产培训系统帮助不同岗位职工快速了解岗位职责、安全管理规范及矿山开采工艺流程;设备虚拟实训系统帮助操作工人、检修工人熟悉所操作设备的组成与结构、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;安全虚拟实训系统针对矿山近10年来所发生的典型事故案例进行还原并强调同类事故的整改措施和防范措施;虚拟实训管理新系统为职工建设安全培训档案、职工信息库、培训档案管理、培训资源管理,建立一人一码安全培训档案;虚拟实训硬件系统为本平台硬件基础,为诸软件功能提供系统支撑。

3.1 安全生产培训系统

3.1.1 下井安全培训

改变传统人工讲解、口头交代等方式进行的下井安全教育,通过三维画面直观生动展现人员下井、井下行走、升井等安全注意事项,形象、生动、准确地表达下井安全须知各项规定,主要内容包括:企业基本情况介绍、基本法律法规、入井前的准备、乘坐设备注意事项、井下行走安全注意事项、井下携带工具安全注意事项、井下安全信号的辨识、井下安全设施、井下安全标志、劳保用品使用步骤等内容,系统内容界面如图5所示。

图5 下井安全须知画面效果

3.1.2 生产认知培训

基于凡口铅锌矿井上下的三维场景仿真,通过CG技术手段,展现矿山安全生产及发展规划,介绍矿山井下各个生产系统及工艺环节。生产系统以矿石物流作为线索,从生产系统的组成、采矿方法、运输提升、地表转运,矿物处理到最终的成品,主线贯穿始终,相应的工业系统、生产装备、自动化智能化建设完美带出,从而完整展现矿山形象,系统内容界面如图6所示。

图6 生产认知画面效果

3.2 安全虚拟实训系统

基于VR技术,结合相关硬件设备,以三维动态的形式全真模拟出矿山施工作业的真实场景和险情,实现矿山安全教育和培训演练的目的。

矿山事故警示教育(VR版)以凡口铅锌矿发生的冒顶片帮、机械伤害、触电等典型安全事故为蓝本,通过VR技术还原事故发生全过程,使观看者在沉浸式的环境中感受事故带来的巨大伤害,系统结合三维模拟、特效、语音等多种方式分析事故原因、事故责任追究、事故预防、应急救援措施及灾害应急处置措施的内容,系统内容界面如图7所示。

图7 典型安全事故模拟

3.3 设备虚拟实训系统

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,进行铲运机、撬毛台车、凿岩台车等生产装备操作岗位的培训,帮助设备操作工人了解岗位职责、熟悉所操作设备的组成与结构、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,图8为铲运机虚拟实训系统培训场景。

图8 铲运机虚拟实训系统培训场景

3.4 虚拟实训管理系统

本系统创建基于C/S模式,方便知识点维护和共享,支持用户数据管理及相关统计,并能记录和分析职工任务完成情况,建立后台管理程序,方便知识点更新和扩展,以及用户信息库维护,创建统一的培训管理数据中心,有效管理人员培训档案、各类培训资料,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,有针对性开展培训工作,实现在线共享,促进培训管理水平的提高,图9为该系统架构。

图9 管理平台系统架构

3.5 虚拟实训硬件系统

虚拟实训硬件系统由主动立体投影系统、VR虚拟实训装备、设备实训操作台、音响扩音系统和培训配套系统等组成,硬件平台架构如图10所示。

图10 虚拟实训平台硬件架构

为满足多人同时虚拟实训,设计立体投影系统,其中包括三维立体投影仪、投影环幕、融合机、3D主动立体眼镜、3D立体信号发射器、主机等配套设备。主动立体投影系统由三维立体工程投影仪、投影幕布、投影仪吊装机构、融合机、3D立体信号发射器、3D主动立体眼镜和智能无线传屏软件系统组成,系统架构如图11所示。

图11 主动立体投影系统架构

4 结语

凡口铅锌矿以智能矿山建设为契机,建成了国内首家矿山安全生产虚拟实训中心,较好地解决了传统矿山安全培训教育通常以口述言传、方式单一的培训方式。开发了一套非煤地下矿山安全生产虚拟实训平台,采用虚拟仿真＋三维动画＋信息化平台的技术手段,可视化表达安全生产知识点,让参训人员易理解、易接受。该平台利用VR技术,并依托于岗位安全操作规程和作业指导书等内容建设,因此具备高度的适应性与适用性。该平台在凡口铅锌矿投入使用以来取得了良好的培训效果,对其他非煤地下矿山企业配置安全生产虚拟实训平台有较大参考借鉴意义。