基于VR技术的矿井应急救援宣教平台设计
（410151 湖南安全技术职业学院机电信息学院 湖南 长沙）
【摘 要】矿井安全培训是提高矿井员工安全意识、确保安全生产的重要措施和有效途径之一。利用虚拟现实（VR）与人工智能（AI）技术，开发矿井应急救援宣教平台，学员不用下井即可身临其境体验矿井作业环境，智能化跟随系统进行学习、培训与考试，有效解决矿井培训高危险、高成本、低效率的问题。
【关键词】VR 技术；矿井；应急救援；宣教平台1?引言矿井事故调查与统计研究发现，我国80%的矿井事故直接或间接源于矿井员工的不安全行为,即明显的人为因素。
目前在培训方面，模式较为简单传统，方法教条，一味灌输被动式的学习；以考核通过为目的,未能紧密联系工作实际解决问题，致使培训难以收到理想效果。基于此，开发基于VR技术的矿井应急救援安全培训软件，通过VR设备高逼真地模拟矿井生产过程中的安全事故及灾害逃生过程，从而加强对安全生产的重要认知与自救技能的掌握。
2?VR宣教平台
矿井VR宣教平台主要包括数字VR三维矿井漫游、矿井灾害逃生VR培训、矿井应急救援VR体验、矿井事故案例VR警示教育、矿井特种作业VR培训与考核、矿井冲击地压与防治水专题教学六个子系统。培训时，学员以第一视角进入培训系统，进行系列学习和体验，各子系统及其功能如表1所示。
3?系统设计
3.1 系统功能
系统包含硬件和软件两部分，硬件部分由轻便式的无线VR一体机、高清触摸显示屏、网络路由器等组成，软件部分以虚拟矿井建模和事故场景构建，建模以maya、3Dmax等软件作为建模工具。矿井应急救援平台包含矿井基础认知、矿井瓦斯爆炸事故警示教育、矿井瓦斯灾害逃生、矿井火灾灾害逃生、矿井水灾灾害逃生、矿井顶板灾害逃生、矿井煤尘灾害逃生五大模块。通过VR虚拟仿真技术实现逼真的场景还原，事故重现，从而给予体验者更加深刻的安全认知与技能掌握。
(1)漫游功能
实现三维仿真环境模拟实际工程现场，操作者可以在系统中任意走动体验，视角可以实现旋转、缩放功能。
(2)演示功能
每个体验区操作过程中，配套全过程操作方法演示指导，能够帮助体验者更轻松掌握软件操作方法和软件的架构。
(3)互动功能
应可以使学习者利用人体输入学设备，结合屏幕画面仿真实物实施教学引导操作，实现人机交互式体验模式。
(4)提示功能
任务操作过程中，系统带有文字配套语音讲解的提示信息帮助操作者更好的实施系统任务操作。
(5)角色功能
根据系统所包含具体安全操作任务模块的不同，操作者在任务操作过程中以第一人称视角和第三人称视角来完成操作任务，从而加深理解现场安全生产的重要性和安全事故的严重性。
(6)事故体验
根据系统所包含具体操作任务模块的不同，操作者在任务操作过程中若不按照规范操作，将会引起严重的质量安全事故，从而加深体验者对安全生产的认识。
(8)考核功能
根据模块需求，体验者凭借自己的专业熟知能力，选择作业过程中需要的物品。
3.2 系统建模
3DS-MAX功能强大，扩展性好，效果逼真。可以直接在三维的视图中建立模型，是一体化操作,建模和材质是完全可视，广泛应用于工程可视化多种场合。矿井场景十分复杂，模型主要分静态实体和动态实体。其中矿井井筒、矿井巷道、矿井铜室属于前者，而掘进系统、提升系统、采煤系统运输系统属于后者。
表1 系统功能模块
子系统 功能
数字VR三维矿井漫游 通过虚拟仿真技术手段建立矿井虚拟现实模型，真实还原矿井工业广场和矿井井下生产场所模型，依托头戴式VR硬件设备，实现矿井的漫游功能。学员佩戴VR设备，进入高度逼真的虚拟矿井，通过交互式操作认识矿井，学习矿井采煤、掘进、机电、运输、通风、排水等基础知识。
矿井灾害逃生VR培训 主要用于矿井不同灾害条件下逃生演练，学员佩戴VR头盔，身临其境感受矿井五大灾害，以交互式训练的形式掌握灾害逃生的自救与互救技能，包括矿井瓦斯灾害逃生培训、矿井火灾灾害逃生培训、矿井水灾灾害逃生培训、矿井顶板灾害逃生培训、矿井粉尘灾害逃生培训。
矿井应急救援VR体验 针对矿山灾害，体验者扮演救护队员的角色，通过交互式虚拟现实设备，以第一人称游戏式操控各个角色，完成矿山灾害救援演练任务。体验者在虚拟环境中携带救援装备，进行灭火、灾情处理，系统体现出救援全过程，包括闻警出动、下井准备、灾区侦察、灾害处置、返回驻地等各阶段。
矿井事故案例VR警示教育 学员在VR头盔中以沉浸立体电影模式感受事故发生过程，充分体验事故悲惨性，增强安全意识；并通过手柄交互分析事故原因及教训，包括：运输巷无极绳伤人事故、掘进巷机电伤人事故、运输巷梭车伤人事故、运输列车伤人事故、掘进迎头工字钢伤人事故。
矿井特种作业人员VR培训与
考核系统
特种作业人员VR实训系统，依托VR头戴式立体显示平台，依据特种作业对象建立相应的三维仿真模型，结合《矿井特种作业安全技术实际操作考试标准》的有关规定，进行特种作业实操内容的设置，通过人机交互，实现作业内容的体验。实操过程中，学员可身临其境进行检查的各项训练，对知识点进行交互操作。包括矿井采煤机作业VR实训、矿井安全检查作业VR实训。图2巷道编辑查询采用基于图像建模技术（如Solidworks、UG等）和3DS-MAX结合的方式进行模型的构建，对矿井设备、巷道、人物等进行模型构建，虚拟矿井场景的构建是一项关键步骤。虚拟模型构建流程:收集矿井的数据和资料进行预处理，确定模型结构→构建静态模型→构建动态模型→模型场景优化→场景调度管理。根据培训内容的需求，对漫游所需以及灾害事故培训所需的虚拟场景进行建模，实现人机交互。部分操作如图1和图2所示。
4?结语
宣教平台利用3DS-MAX虚拟建模技术，采用C++源码进行实时的矿井安全应急救援仿真的管理和控制，从而提高了使用者的工作效率，具有更好、更优质的用户体验，方便快捷易懂的操作方式，能让各类人群迅速掌握操作流程，包括课程软件、VR硬件、实训室设计、升级维护解决方案，能有效提升实训效率节约实操培训成本。
参考文献：
[1] 陈强盛,王云,万红红.基于VR技术煤矿灾害应急处置培训模式应用设计[J].同煤 科技，2020(6)：21-23.
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[3] 戴正烈.基于虚拟现实技术的矿山应急救援培训研究[D].华北科技学院，2015.
[4] 邢少妹.基于虚拟现实技术的煤矿救援演练系统的研究[J].内蒙古煤炭，2018（15）:110-112.
作者简介：李禹（1978.08- ）,男，籍贯：湖南安化，硕士，职称：讲师，主要研究方向为应用电子技术和虚拟现实应用技术。
湖南省自科基金（科教联合）项目（编号：2018JJ5001） ；湖南安全科学关键技术项目（编号：XAKX201702）
