基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统.pdf

第 4 0卷 第 2期 2 0 1 4年 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 0 NO ． 2 Fe b ．2 01 4 文章 编号 1 6 7 卜 2 5 1 X 2 O 1 4 0 2 0 0 8 8 0 5 张红 岩． 基 于虚 拟现 实技 术 的煤矿安 全 培{ J DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 3 系统[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 O 2 8 8 9 2 ． 基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统 张 红 岩 中煤 能源鄂 尔 多斯分 公 司 母 杜柴登 矿 ，内蒙古 鄂 尔多斯0 1 7 3 1 8 摘 要 针 对传 统煤矿 安全 培训 手段 单一 、 效 果不理 想 的 问题 ， 提 出了基 于虚 拟现 实技 术 的煤 矿安 全培 训 系统 。该 系统应 用虚 拟现 实开发 软件 3 DS MAX和 Vi r t o o l s D E V 来 完成设 备建模 、 场景构 建和 交互 式 系统 的开发 ， 实现了煤矿风险预控 、 事故案例再现和事故应急救援的仿真。应用结果表 明， 该 系统通过三维仿真 和 交互形式可有效提 高煤矿安全培训的针对性和实施效果， 达到提 高安全意识 、 减少安全事故的 目的。 关键词 煤矿安全培训 ；虚拟现 实；交互形式；煤矿风险预控 ；事故案例再线；事故应急救援 中图分 类号 T D7 9 1 文献 标志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 4 0 1 2 4 0 8 3 3 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 O 1 4 ． 0 2 ． 0 2 3 ． h t ml Co a l mi n e s a f e t y t r a i n i ng s y s t e m b a s e d o n v i r t ua l r e a l i t y t e c h n o l o g y ZH AN G H o ng y a n M ud uc ha i de ng M i n e，Or do s Br a nc h o f Ch i na Co a l Ene r g y Co． ，Lt d． ，Or d os 01 7 31 8，Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w of p r ob l e ms o f s i ng l e me a n s a nd un s a t i s f a c t o r y e f f e c t o f t r a d i t i o n a l c o a l m i ne s a f e t y t r a i ni ng，t he pa pe r pr o po s e d a c o a l mi ne s a f e t y t r a i n i ng s ys t e m b a s e d o n v i r t ua l r e a l i t y e c hno l o g y．The s y s t e m a p p l i e s 3 DS MAX a n d Vi r t o o l s DEV o f v i r t u a l r e a l i t y d e v e l o p me n t s o f t wa r e t o c o mp l e t e d e v i c e mo de l i ng，s c e n a r i o bui l di n g a nd de ve l op m e nt of i nt e r a c t i v e s ys t e m ，S O a s t o r e a l i z e s i mul a t i on s o f c o a l mi ne r i s k p r e c o n t r o l ，a c c i d e n t c a s e r e a p p e a r a n d a c c i d e n t e me r g e n c y r e s c u e ．Th e a p p l i c a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t he s ys t e m c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e p e r t i n e n c e a nd i mpl e m e n t a t i o n e f f e c t o f c oa l mi n e s a f e t y t r a i n i ng t h r ou gh t hr e e d i m e ns i o na l s i m u l a t i o n a nd i nt e r a c t i ve m o de ， S O a s t o i mp r o v e s a f e t y c o ns c i o us ne s s a nd r e d uc e s a f e t y a c c i de nt ． Ke y wo r ds c o a l m i ne s a f e t y t r a i n i ng； v i r t u a l r e a l i t y； i n t e r a c t i v e mo de； c o a l m i n e r i s k pr e c on t r o l ； a c c i d e nt c a s e r e a p pe a r；a c c i d e n t e m e r ge nc y r e s c ue 0 引 言 实施有效、 系统的安全培训 ， 提高煤矿工作人员 安全技术水平和预防、 处理事故 的能力 ， 对于煤矿的 安全生产至关重要。传统煤矿安全培训教育方式以 学习规章制度为主 ， 大部分都是文字资料 ， 培训时枯 燥 无 味 。多媒体 课件 以及 煤矿 拍摄 的生 产过 程和 事 故案例再现的视频 ， 由于很多事故无法真正再现给 培训人员 ， 不能充分展现声音、 图像、 动 画和人机 交 互相结合的特点。因此 ， 传统的培训手段过于单一 ， 培 训效 果很 不理想 。 针对 目前传统煤矿安全培训 中存在的问题和局 限， 本文采用现代化煤矿安全培训方法， 将虚拟现实 技术_ 】 ] 应用于煤矿安全培训 ， 运用 3 D仿真技术 ， 汇集采矿工程 、 安全科学与技术、 计算机科学 、 三维 造 型技术 、 可 视 化 技 术 及 视 频 合 成 技 术 等 ， 结 合 机 械、 电、 光、 磁、 声等综合技术将煤矿风险预控、 事故 案 例再现 和事 故应 急救援 以三 维仿 真和 人机 交互 的 方式展现在培训者眼前 ， 实现三维的高度仿真效果 ， 使培训者如亲临煤矿生产或事故现场。 收 稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 2 1 ； 修 回 日期 2 0 1 3 1 1 2 1 。 基金项 目 中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项 目 MTK J 2 0 1 0 3 2 7 。 作者简介 张红岩 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东聊城人 ， 助理工程师 ， 硕士， 主要从事煤矿信息化管理方面的工作 ， E ma i l z h y 8 6 7 8 4 4 3 1 2 6 ． c o m。 2 0 1 4年第 2期 张红岩等 基于虚拟现实技术的煤矿安全培训 系统 8 9 基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统在安全 生产教育方面发挥独特的作 用， 适合煤矿安全培训 部门集 中学习和生产部门每天的班前会学 习， 并通 过三维仿真和交互形式使煤矿员工有如沉浸于真实 的现场 ， 达 到 良好 的学 习效果 。 1系统设计 煤 矿 安 全培 训 系统 主要 利 用 虚 拟 现实 技 术 ， 以 实现不安全行为及其可能造 成的后果 、 典 型安全生 产事故案例和煤矿安全事故应急预案的高度仿真和 人机交互为 目的， 使学 习者近于亲身体验 不可再现 的虚拟环境 ， 从而产生 良好 的教育效果 。煤矿安全 培训系统主要应 用 3 DS MAX进行建模、 贴 图和渲 染 ， 利 用 Vi r t o o l s D E V 工 具实 现人 机交 互 。针 对煤 矿三维动画仿真度不高的缺点 ， 本系统设计原理如 图 1所 示 。 何模 型和动 场景数据 工 外部应用 渲染 场景布局h I 碰撞测试H I r一 豁 光 照 特 效 H I 阪 台 l 一 模型H l 声音卜 _ J I 堂 呈 l 图 1系统设计 原理 基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统由煤矿 风险预控 、 事故案例 再现 、 事故应急救 援 3部分组 成 ， 如 图 2所示 。煤 矿 风 险预 控 主要 实 现 煤 矿地 面 环境和井下环境 包含地面 、 机电设备 、 巷道 、 采煤工 作面等 的三维仿真 ， 同时可以 自由漫游 于井下 ， 并 且模拟一些基本的井下操作 ； 事故案例再现主要通 过三维再现煤矿近些年发生的典型安全事故案例 ， 并且分析事故原 因； 事 故应急救援主要针对煤矿易 发生 的水 灾 、 火 灾 、 机 电 、 瓦 斯 和 顶 板 5类 灾 害 事故 制作完整的灾害事故应急救援三维仿真。 煤矿安全培训系统 煤矿风险预控 ll 事故案例再现 I l事故应急救援 I鐾J 2 系统 实现 首先进行前期调研 。根据具体要求， 选择相关 危险行为 、 事故案例和实际应急预案 ， 详细搜集其资 料 ， 积极联系、 询 问煤矿技术人员 ， 了解事故发生前 员工进行的操作 ， 调查、 分析 事故发生的原因， 制定 安全事故应急预案。将所得资料去粗取精 ， 由表及 里地分析研究 ， 找出原因， 为不安全行为事故的虚拟 仿真提供数据依据 ， 对煤矿安全事故进行准确的分 析与定位 。咨询相关专家、 工程技术人员 ， 以实现高 度仿真为 目的， 构思出三维仿真手法。 本 系统采用 3 D S MAX软件来完成煤矿设备模 型和场景 仿真 ， 利用 Vi r t o o l s D E V 工具实 现人机 交互 。 2 ． 1 基 本模 型构 建 2 ． 1 ． 1 井下设备建模 系统的设备建模主要采用多边形建模技术 。简 单的小型设备模型只需构建简模 ， 贴图则 利用 图片 处理软件生成 。复杂 的大型设备如综采机 、 液压支 架 、 连采机等 ， 为达到对其高度仿真的效果 ， 首先需 要收集相关大型设备 的技术资料 图片 、 外形尺寸、 机构运动参数等 ， 构建大型设备模 型采用先精模后 简模口 的设计方法 。井下煤炭的机械化开采是一个 相当复杂的生产线 。例如上百 台液压支架 ， 再加上 刮板输送机、 综采机 、 连采机等复杂的设备模型 ， 势 必会造成场景的数据量膨胀， 导致工作软件 的崩溃。 目前 的模型设计大多采用构建简模和减少模型面数 的方法来解决此类 问题 ， 但会使模型的仿真度降低 ， 达不到真实的效果 。因此 ， 本 系统从硬件和制作技 术上解决这一 问题 。硬件上 ， 需要购置图形工作站 级别的高档计算机 ； 制作技术上 ， 应先做井下设备 的 精模 ， 然后在精模 的基础上再派生出简模 ， 在构建大 场景 中远景采用简模 ， 近景则使用精模 ， 以此来解决 大场面制作的数据瓶颈 问题 ， 避免 了以往 三维仿真 动 画 中大型 机械模 型仿 真 度不 高 的缺点 。 不 一 样 的设 备 结 构 导 致 所 发 生 的案 例 也 不 一 样 ， 大多数煤矿经过整合， 不同种类的机械设备所存 在的差异会更多。因此 ， 设备装置 的原始修改堆栈 的数据必须保存 ， 以利于数据资源的再利用 ， 提高项 目完 成 质量 和加快 项 目完成 进度 。 采用纹理贴图的制作和处理方法制作逼真度高 的贴 图 ， 不仅 可 以减少模 型 的面数 ， 同时可 以达 到很 好 的仿 真效果 。综 采机 模 型如 图 3所 示 。 一一～ 一一 一一 一一 第 4 o卷 第 2期 2 0 1 4年 2月 Vo 1 ． 4 0 NO ． 2 Fe b ． 2 0 1 4 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 4 0 2 0 0 9 2 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 4 陶德保 ， 朱峰 ， 江涛， 等． 矿用便携式多参数气体检测仪设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 2 9 2 9 5 ． 矿用便携式多参数气体检测仪设计 陶德 保 ， 朱峰 ， 江涛 ， 陆 小丽 江 苏三恒 科技 股份 有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 2 2 摘 要 针 对 现有 气体检 测仪 只 能 同时检 测 一种 气体 的 问题 ， 设计 了一种 矿 用便 携式 多参数 气体检 测 仪 。 该检 测仪采用低功耗单片机作为核心处理器， 可完成实时参数 温度 、 C O、 C H 、 H S 、 O 。 检测 、 信息 气体体 积 分数 、 时间 、 温度 、 电量 液 晶显示 、 报 警 数据 的存储 及 查询 、 无线 数据 传 输 等功 能 。 实际 应 用表 明 ， 该检 测 仪具有使用携带方便、 测量准确 、 可视性好 、 低功耗等特点。 关键词 气体检测仪 ； 便携式；多参数 ； 低功耗 ；无线传输 中图分类号 T D7 1 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 4 0 1 2 4 0 8 3 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 2 4 ． h t ml De s i g n o f mi ne ‘。 us e d p or t a b l e mu l t i p a r a me t e r g a s d e t e c t o r TAO De b a o ， ZHU Fe n g， J I ANG Ta o ，LU Xi a o l i J i a n g s u S h i n e Te c h n o l o g y Co． ，I t d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 2 2 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f pr o b l e m t h a t e xi s t i ng g a s de t e c t o r c a n o nl y de t e c t on e ki n d o f ga s a t t he s a m e t i m e ，a m i ne us e d p o r t a bl e m u l t i pa r a m e t e r g a s de t e c t o r wa s de s i gne d．The d e t e c t o r u s e s mi c r oc o nt r o l l e r wi t h l o w p o w e r c on s u m p t i o n a s c or e pr o c e s s o r． I t c a n c o m p l e t e f un c t i o ns o f r e a l t i m e p a r a me t e r s t e m p e r a t u r e，CO ， CH4 ， H2 S， 02 de t e c t i o n， i n f o r m a t i o n ga s v ol u m e f r a c t i o n， t i me， t e m p e r a t u r e ， e l e c t r i c qu a nt i t yLCD di s p l a y，a l a r m d a t a s t o r a ge a nd q u e r y a nd wi r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i on． The a c t u a l a p pl i c a t i on s h ows t ha t t h e de t e c t o r h a s c ha r a c t e r i s t i c s o f p or t a bl e us i ng， a c c ur a t e me a s u r i ng， g oo d v i s i bi l i t y a n d l ow po we r c on s u m p t i o n． 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 O ； 修 回日期 2 0 1 3 1 2 0 6 。 作者简介 陶德保 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江苏淮安人 ， 工程师 ， 主要从事煤矿安全监测系统研制工作 ， E ma i l t a o d e b a o 1 6 3 ． c o rn。 5 结 语 煤矿安全培训系统从虚拟现实技术 出发 ， 通过 煤矿风险预控 、 事故案例再现和事故应 急救援 3个 方 面对 煤矿工 作人 员 进 行 安 全 培训 ， 通 过 高度 仿 真 的三维 动 画展 示 和虚 拟交互 操作 使培 训人 员在 学 习 时有置 身于 真实 环境 的感 觉 ， 有 效 地 增 强 了学 习效 果 ， 从 而达 到提 高安 全 意 识 、 减 少 安 全事 故 的 目的。 该 系统 已经 在神 东 煤 炭集 团安 全 监察 局 得 到应 用 ， 取 得 良好 的教育 效果 。 参考文献 [ 1 J 代 昌标． 煤矿安全 虚拟现实 仿真 系统总 体设 计及关 键 技术 的研究[ D] ． 武 汉 中国地质大学 ， 2 0 0 7 ． 洪 炳镕 ， 蔡则 苏 ， 唐 好选． 虚拟 现 实及 其 应用 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 高红森 ， 栗继祖． 基于 3 D和 V i r t o o l s的煤 矿安 全行 为 模拟E J ] ． 太原理工大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 l 1 1 0 6 1 0 9 ． 韩可琦 ， 苌道方． 虚拟现实技术在综采工作面仿真 中的 应用[ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 0 6 ， 2 3 6 2 2 9 2 3 2 ． 沈学利 ， 张纪锁 ， 张红岩． 基于虚 拟现 实大型 矿 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