煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统研究与设计
时间:2022-02-14 20:00 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 科技引领 ★ 煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统研究与设计0 引言煤矿生产作业环境复杂、危险源分布广泛，对安全生产和事故救援等领域的虚拟培训演练有十分强烈的需求。近几年，国内出现了一些较为成熟的煤矿安全仿真培训平台，这些平台大多提供的是单机版、交互问答形式的煤矿安全知识培训。一些三维虚拟仿真系统支持了多通道环幕、答题器、操作手柄、头盔、交互屏等最新VR硬件，这些VR硬件为煤矿安全培训系统提供了培训软件，配以环幕、立体眼镜等设备，为用户提供了前所未有的真实感和体验感[1-8]。 虚拟现实技术最大的优势在于对三维空间的表达和演示，尤其是为煤矿特殊作业工种人员通过虚拟场景进行交互式的学习和模拟操作提供了平台和手段。煤矿特种作业人员通过虚拟环境培训，增强沉浸感，增加学员的主动性和积极性，培训以实际生产过程为基础，加强与实际生产的联系，达到身临其境的培训效果。 然而，目前的虚拟培训演练系统缺少针对特殊作业人员的虚拟培训演练软硬件。煤矿特殊作业工种的工作和煤矿的安全生产密不可分，因此提出一套针对煤矿十大特殊作业工种(采煤机/掘进机操作作业人员、井下电器作业人员、井下爆破作业人员、安全监测监控作业人员、瓦斯检查作业人员、安全检查作业人员、提升机操作作业人员、瓦斯抽采作业人员、防突作业人员、探放水作业人员)的安全仿真培训系统。特殊作业人员是煤矿的主力军，提高其综合素质，减少“三违”行为，是遏制煤矿重特大事故的重要手段。针对这一问题，本文以虚拟现实、人工智能技术为基础，研究煤矿十大工种操作规范，增强参与者学习与训练的真实体验感，以期达到引导矿山劳动者自主探索安全问题，强化记忆，提高安全劳作意识并将其作为指导思想运用于生产的目的[9-11]。 1 系统设计1.1 系统架构设计煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统将虚拟现实模块作为基础环境，参考《煤矿十大特殊工种安全技术实际操作考试标准》要求，并结合了最常见的水、火、瓦斯、顶板、机电等事故机理与处理方法，建立特殊工种安全培训模块并将其作为专家知识库来体现安全培训内容，并通过虚拟交互手段引导用户使用。煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统架构设计如图1所示。 
图1 煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统架构 1.1.1 虚拟现实技术 虚拟现实技术包含虚拟仿真模块和游戏化引导模块。这2个模块分别是程序基础功能和基本逻辑的实现。 (1)虚拟仿真模块。虚拟仿真模块是从系统层面建立相应的仿真功能。作为视觉实体与操作对象主要包含：场景管理(仿真实体模型管理)、音效听觉仿真、粒子效果模拟和物理力学仿真等的结合运用。 仿真实体模型即为建立的矿山、地形、井巷、设备工具、人物角色等模型，是面向虚拟角色的可交互对象，亦是场景实现的场地[12-14]；音效听觉仿真注重从音源的维度尽可能逼真还原现实，比如人在草地上和在巷道中不同的脚步声、跑步时的喘息声、罐笼开启时的机械声等；粒子效果是在触发安全事件时尽可能逼真还原现场效果，如开采工作面中的扬尘、冒顶时产生的尘埃等都会加深虚拟现实的真实感；物理力学模型可以强化虚拟角色的现实受力感，不仅有下行的重力加速度，还有岩壁剥落时的重力感；基础数据是构成三维场景的模型、坐标数据、音效、图片等数据。 (2)游戏化引导模块。游戏化引导模块是以游戏化的方式引导受训者完成整个培训考核过程，包括考试科目引导、考试项目引导、操作方式引导、目标位置引导、操作步骤引导等。TPC是以第三人称视角进行操作；AI是操作中有AI交互的过程；探索式引导是通过设置问题或者关卡的方式来引导用户进行操作。 1.1.2 专家知识库 专家知识库以《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》为操作流程主体内容，并结合了最常见的水、火、瓦斯、顶板、机电等事故原因与应对机制。 安全培训模块属于应用层面，所有相关知识点和培训设计都是以专家知识库为准来设计的。基础数据库是灾害模拟、灾害应对机制和角色仿真库的基础。包括《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》规定的每个工种每个科目的操作流程和作业规范，以及水、火、瓦斯、顶板、机电等事故触发的条件与处理流程；灾害模拟是对水、火、瓦斯、顶板、机电等事故进行三维模拟展示；灾害应对机制是发生事故后的处理流程；角色仿真库是不同工种的工作流程、相关设备工具、人物动画等。 1.2 系统功能设计煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统主要包括培训考核基础支撑平台和虚拟实操培训考核系统2个部分。煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统功能架构如图2所示。 
图2 煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统功能架构 1.2.1 培训考核基础支撑平台 培训考核基础支撑平台是虚拟实操培训考核系统的基础，包括三维环境模型系统、评分系统和数据管理系统3个部分。三维环境模型系统提供完整的井下虚拟仿真环境及十大特殊工种作业涉及的采、掘、机、运、通、环等相关的井下设备和工具；评分系统依据《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》设计整个系统的考题及评分规则，使系统考核知识更贴近实际生产、考核结果更能真实地反应考生实际操作水平，虚拟实操培训考核系统基于评分系统将三维模型组合为考试场景，对考试内容进行模拟，考生在虚拟生产环境中进行辨识、分析、操作，并统计考核结果；数据管理系统连接系统与数据库并在数据库中记录培训人员的个人信息及考试成绩。 1.2.2 虚拟实操培训考核系统 虚拟实操培训考核系统中的基础功能模块主要包括考核管理功能、系统基础功能和系统设置3个部分。考核管理功能包括了系统登录人员身份信息认证、保存考核成绩等；系统基础功能包括角色控制、载具控制、角色动画、设备操作、任务提示、地图导航等功能；系统设置主要包括输入、图像和声音等配置功能。具体处理过程为：被考核人员输入身份证号码，系统检验身份信息，如果身份信息正确则考生进入系统。系统基础功能的处理逻辑是考生利用鼠标键盘输入相应的操作，系统基础功能模块依据输入的信息做出对应的响应并展示在屏幕上。比如角色控制，考生按下W、S、A、D键，系统中角色则向前、后、左、右行走。任务提示则在考生完成上一个任务后，在屏幕上展现出考生下一个要完成的任务。 煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统中其余的培训模块主要针对该工种进行培训，模块依据国家矿山安监局下发的特殊作业工种考核文件中对应的工种考核文件进行场景设计并将考核方法集成到系统中，从而达到对特殊作业人员进行虚拟仿真培训的目的。模块的处理过程为特殊作业工种依据自己掌握的知识利用鼠标键盘在三维场景内进行操作。系统在考生完成一项任务后会提示接下来的任务，考生自行选择完成任务的顺序。考试完毕后，系统依据评分系统给出考生的操作结果。 1.2.3 系统处理流程 (1)依据《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》将需要考试的题目、内容、答案及该题的分数以二维表的形式存储在评分系统中。 (2)考生输入信息，登录系统，系统将登录信息发送到数据管理系统，数据管理系统链接后台数据库检验登录信息。如果信息有效则进入系统；如果信息无效则登录界面提示。 (3)在登录成功后，仿真系统依据考生的工种信息及评分系统考题进行场景的构建。 (4)考生在仿真培训系统中答题，每提交一个操作，将考生的操作过程及考题编码发送到评分系统，评分系统依据规则给出分数并记录。 (5)待考生完成所有的考题，系统将展示考生总分、每一道考题的扣分情况以及错误操作。系统将最后得分发送给数据管理系统并将考核结果发送到后台数据库中。 2 关键技术本文在北京龙软科技股份有限公司的三维虚拟仿真平台基础上，对上述系统功能进行了研究，通过脚本语言实现了对矿山虚拟场景的构建和专家知识库的建立等关键技术。 2.1 矿山虚拟场景的构建矿山虚拟场景[15]的构建是指根据煤矿地层数据、巷道数据、钻孔数据等三维空间地理信息及建筑图像、设备图像等各类数据，构建三维矿山井上、井下场景中的模型，模拟出包括煤矿各种自然实体和人工实体在内的三维空间，同时接入设备、环境数据等内容，使用户在其中可以自由地与各种虚拟实体进行交互，并了解井下真实的环境信息。 根据实地调研获得的井巷模型数据、设备图纸和照片、设备布置图纸、人物和工具照片等，采用3D Studio Max、Maya等专业建模软件进行制作，按照先精细模型后简单模型的设计方式进行模型构建，并进行纹理贴图。同时，系统运行过程中，利用多细节层次(Levels Of Detail，LOD)技术，依据展示环境进行资源动态调配，提高系统运行效率。采煤工作面三维虚拟界面如图3所示。 
图3 采煤工作面三维虚拟界面 2.2 专家知识库的建立专家知识库主要包括基础知识库和灾难模拟知识库。基础知识库以《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》为模板将各工种每一步正确操作步骤入库。灾难模拟知识库集中体现在最常见的水、火、瓦斯、顶板、机电等事故方面，根据各种事故的形成原因、事故征兆、发生状态、形成影响等构建针对性的灾难模拟知识库。采用产生式表示法构建系统的知识规则库。产生式的描述形式为“条件→结果”即：R=if P then Q，其中，R代表知识规则，P为前提条件，Q为根据条件产生的某一结果。 建立事件驱动的知识库，因为在每个工种培训操作的过程中，都伴随有大量的事件发生，而且事件之间都是相互关联的。根据事件的类型不同可分为操作流程和事故处理2个类型。 2.2.1 操作流程类型 该类事件驱动的知识规则中前提条件P是前一个操作步骤完成的情况(成功与否)，完成无需复杂的逻辑关联判断即可形成结论。例如，依据《煤矿十大特殊作业工种安全技术实际操作考试标准》中步骤1为“当截割电机即将停止转动时，缓慢挂上截割部离合器”，步骤2为“解除刮板输送机闭锁，发出启动输送机运转信号”，形成事件驱动的知识库规则为：R=采煤机司机：if(步骤1正确完成)then(步骤2)，if(步骤1没有正确完成)then(错误提示OR触发相应事故)。 2.2.2 事故处理类型 事故的产生有2种方式，第1种方式是提前在场景或操作过程中设定，对于这种事故只要完成事故出现后的应对处理操作即可依据条件P评判得分；第2种方式是用户在操作过程中，由于违规操作或者某些关键的步骤操作失误而导致的事故，对于这种事故也会根据专家知识库的流程操作类型的检测条件P判断是否触发对应事故，如果触发则会进入对应的事故模拟部分，但最终会宣告操作失败而不得分。 事故处理类型的知识规则中前提条件P是由一系列事件构成，且事件直接存在逻辑关联。如处理瓦斯超限事故过程中，判断瓦斯超限事故是否处理成功的知识规则包含汇报调度室、停工、断电、撤人、查明原因、处理事故、瓦斯浓度恢复等一系列前提条件。 专家知识库在应用层面分为3个部分。第1部分作为评分系统对模拟工种每步操作的评分依据；第2部分作为NPC对下一步操作提示的引导内容；第3部分作为系统评判用户操作是否触发灾难事故和完成事故处理操作的依据。 2.3 模块牵引与安全培训模拟虚拟仿真模块为系统运行提供了大环境，游戏化引导成为推动系统运行的线索，安全培训模块在前两个模块的牵引下成为最终展现手段，各个模块相互牵制相互促进。 例如采煤机工种的安全培训，系统会在考试科目、考试项目、操作方式、目标位置和操作步骤，这5个方面基于AI系统进行NPC探索式引导，推动整个培训流程的进行。如果操作中触发了某种工作面事故，如煤壁片帮事故，就会进入相应的事故模拟阶段，这里需要用户控制虚拟人物处理事故，这样不仅可以全面了解危险事故，同时也达到了安全培训目的。采煤工作面探索式引导三维虚拟界面如图4所示，触发片帮事故三维虚拟界面如图5所示，处理片帮事故三维虚拟界面如图6所示。 
图4 采煤工作面探索式引导三维虚拟界面 
图5 触发片帮事故三维虚拟界面 
图6 处理片帮事故三维虚拟界面 3 应用效果2020年6月，煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统在陕煤集团陕北矿业有限公司张家峁煤矿(以下简称张家峁煤矿)得到了成功应用。张家峁煤矿使用该系统开展培训以来，新型的培训模式和特殊的培训体验显著提高了学员的培训积极性，培训效果有保障，同时大大提高了特殊作业工种的培训效率，减少了教学培训成本。在实际作业中，特殊工作人员也增强了安全细节的主观重视度，大大降低了张家峁煤矿的月违章操作次数，减少了事故的发生，也产生了较好的经济效益，节省了伤病医疗费用和设备维修费用的开支30万元/a。 在张家峁煤矿应用该系统后，集团公司和其他矿业公司也多次组织人员前来参观学习。期间，煤矿十大特殊作业工种仿真培训系统得到一致好评。集团领导也表示将会全面推广该系统，升级各个矿业公司的培训教学技术，为煤矿人才的培养提供更加先进科学的手段。 4 结语本文在分析近期矿山开采过程中安全事故频发原因以及目前安全培训领域应用虚拟现实技术存在问题的基础上，研究了当下AI系统对人们思维的影响以及游戏化的探索式吸引以引导人们加深潜在意识对事物认知的影响，结合虚拟现实技术开发了针对煤矿十大特殊作业工种的矿山安全仿真培训系统，并得出以下结论： (1)安全仿真培训系统不应是一个单一的高仿真模型场景浏览系统或模型动画展示系统，而应结合实际需求，集成完整井下虚拟仿真环境以及众多工种作业的综合性虚拟仿真培训系统； (2)强化矿工安全意识不应强行灌输安全知识，而应以引导的方式使矿工主动探索加深记忆； (3)虚拟现实的交互性不应只是操作方式上的交互，应加强故事情节的导向作用，如通过与NPC的交流来推进程序的前进，强调在沟通中的交互引导操作来加深记忆。 [1] 刘屹，胡凌凤，谭章禄.基于虚拟现实的煤矿可视化安全培训研究[J].中国煤炭，2015，41(6):79-83. [2] 孙振明，李梅. 基于虚拟现实和协同工作的煤矿安全培训系统[J]. 科技导报，2016，34(9):102-107. [3] 张红岩. 基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统[J]. 工矿自动化，2014，40(2):88-92. [4] 朱红青，秦晓峰，杨成轶，等. 煤与瓦斯突出事故虚拟仿真系统[J]. 煤矿安全，2014，45(6):89-91. [5] 田子建. 虚拟现实教学手段在煤矿特种工培训中的应用[J]. 工矿自动化，2013，39(3):40-42. [6] Grabowski A, Jankowski J. Virtual Reality-based pilot training for underground coal miners[J]. Safety Science，2015，72:310-314. [7] ZhANG X, AN W, LI J. Design and Application of Virtual Reality System in Fully Mechanized Mining Face[J]. Procedia Engineering，2011，26(4):2165-2172. [8] 李涛，孙景丹，郭鹏，等.煤矿特殊工种虚拟实操教学创新研究[J].内蒙古煤炭经济，2018(08):8-9，17. [9] 胡钢铃. 游戏引擎中AI系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2011. [10] 施博譞. 电子游戏AI系统开发中一种面向多NPC的设计方法研究[D].北京：北京化工大学，2019. [11] 刘俊，祝智庭. 游戏化——让乐趣促进学习成为教育技术的新追求[J]. 电化教育研究，2015，36(10):69-76，91. [12] 潘志君，孟传飞，王颖. 基于虚拟仿真技术的煤矿实习培训系统[J]. 中国矿业，2017，26(9):153-155. [13] 申晓丹，陈超，孟浩灿. 基于3DMine的矿山三维地质建模研究进展[J]. 化工矿物与加工，2017，46(4):34-37. [14] 董正乐，董现锋. 煤矿三维仿真通风系统设计研究与应用[J]. 科技展望，2017，27(26):147-148. [15] 毛善君，熊伟. 煤矿虚拟环境系统的总体设计及初步实现[J].煤炭学报，2005，30(5):29-33. Research and design of simulating training system for ten special work types in coal mine
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