矿山虚拟实训系统构建与研究.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 矿山虚拟实训系统构建与研究钱兆明，张君（刚波夫矿业有限公司，加丹加省 利卡西 ；大冶有色金属有限责任公司，湖北 黄石 ；长沙施玛特迈科技有限公司，长沙 ）摘要：为了解决矿山人才短缺、工人培训成本高、设备操作不专业等问题，矿山虚拟实训技术应运而生。目前矿山虚拟实训技术应用缺乏系统化的顶层设计，从矿山企业自身特点和培训的需求出发，并结合虚拟现实技术的特性，从虚拟实训的业务角度、安全行为角度以及培训管理的角度构建了矿山虚拟实训系统框架。针对矿山生产业务实训、安全教育实训以及虚拟实训平台管理三个方面内容的应用展开讨论和分析。研究结果表明，综合应用多媒体、三维建模、人机交互等信息化、数字化、智能化技术手段的矿山虚拟实训系统可以很好地解决工人语言不通、培训成本高、设备操作专业性、安全教育直观性等问题。虚拟实训系统平台可以为全矿各个岗位的技术人员提供系统的、全面的业务培训、安全教育和课程管理，进而可大幅度提高矿山员工培训效果。关键词：虚拟现实；矿山培训；实训系统；智能化；数字化；业务培训；安全教育；平台管理中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犆 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱狉 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳犿 犻 狀 犲狏 犻 狉 狋 狌 犪 犾 狋 狉 犪 犻 狀 犻 狀 犵狊 狔 狊 狋 犲 犿 ，（，（）；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：钱兆明（），男，博士研究生，高级工程师，采矿工程专业，主要从事矿山生产、矿山技术及安全管理。通信作者：张君（），男，硕士，高级工程师，采矿工程专业，：。随着中国人口老龄化、产业结构升级等带来的社会变化，矿山面临着招工困难、青年技术人才不愿意到矿山工作等问题。近年来越来越多的中资企业去海外开发矿业，在海外矿山招人及用工问题相有色金属（矿山部分）第 卷对国内更为严峻，由于语言问题、工业人口基础薄弱导致海外矿山的设备利用效率、低维护成本高，严重影响了矿山的生产效率和质量。但核心问题是企业招人和用人的问题，在人才难以招聘的情况下如何有效提高现有员工的生产效率是关键举措之一。澳大利亚煤炭服务有限公司 年提出了“虚拟现实培训”的概念，年完成了商业化落地，新技术的投入使用给矿山培训带来了许多益处，如杜绝安全风险、降低时间成本、更强的真实感以及认知和行为的快速改变。黄仁东等认为传统的安全培训不足、效果不佳，利用虚拟现实技术可以实现矿井漫游和应急培训两个功能模块；张辉等研究了煤矿虚拟现实技术的应用和未来发展趋势，认为沉浸自然式系统是未来煤矿（）系统的最佳形式。矿山虚拟实训技术目前还处于快速发展阶段，本文结合矿山企业生产需要以及虚拟现实技术特性，探讨构建矿山虚拟实训系统框架和业务场景应用技术。虚拟现实技术特性虚拟现实技术（）起源于 世纪 年代，是指借助计算机系统及传感器技术生成三维环境，创造出一种崭新的人机交互方式，通过调动用户各种感官（视觉、听觉、触觉、嗅觉等）来享受更加真实的、身临其境的体验 。虚拟现实技术具有三大特性。）构想性：指虚拟的环境是人想像出来的，同时这种想像体现出设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标。可以使人类突破生理上的限制，进入宏观或微观世界进行研究和探索；也可以模拟因条件限制等原因而难以实现的事情。）实时交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。交互性的产生，主要借助于虚拟现实系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。）沉浸感：是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样。虚拟现实技术最主要的特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。矿山虚拟实训系统框架构建矿山企业生产环境具有复杂性、多学科协同性、技术要求高、危险性等特征，其中复杂性包括地质水文条件复杂还受天气影响；矿山的生产工艺流程长，包括地质勘探、坐标测量、设计、凿岩、爆破、运输、支护、通风、排水、供电以及选矿等十几个重要环节，因此需要多个专业岗位的技术人员协同工作；矿山开采涵盖了几十个不同专业领域，同时涉及到的装备类型多，因此对岗位技术的专业性要求较高；矿山开采安全风险高，存在冒顶坍塌、透水、滑坡、触电、高空坠落、机械撞击、中毒等方面。因此矿山对于员工岗位技能以及安全生产意识及行为的培训极为重视，传统的技术培训一般以课堂授课、考试、现场实操装备等方式为主，这种培训方式效率较低，难以快速地改变员工的认知和行为方式，即使每年花费大量的金钱和时间成本，效果也不尽人意 。针对矿山企业自身特点和培训的需求，结合虚拟现实技术的特性，从虚拟实训的业务角度、安全行为角度以及培训管理的角度构建了矿山虚拟实训系统框架，如图所示。矿山虚拟实训系统框架由三个子系统组成：业务实训子系统、安全实训子系统和实训管理子系统。其中，业务实训子系统包括平台级实训，如矿区概览和采矿工艺流程介绍等内容，用于了解矿山整体情况以及接待来访客户参观矿山并做介绍；业务系统级培训则包含采矿工艺系统、选矿工艺系统和冶炼工艺系统，用于对围绕采矿、选矿和冶炼工作的员工进行培训；岗位级培训则针对具体岗位操作人员进行培训，例如运输和凿岩车辆司机、罐笼提升操作工、设备维修工程师、电工、爆破员等。安全实训子系统包括安全文化宣传，如国家、行业和企业的安全政策法规以及安全理论知识的培训；安全事故警示教育，包括矿山典型事故的过程、原因学习和救援演练等；此外还包括该矿山历史上曾发生的安全事故总结归类。对于矿山企业培训，应通过有效的管理手段进行学习、考核和资料管理等。通过矿山虚拟实训系统，既可以完成员工的培训工作，同时也可以进行员工的学习考核及学习档案资料的管理。第期钱兆明等：矿山虚拟实训系统构建与研究图矿山虚拟实训系统框架犉 犻 犵 犉 狉 犪 犿 犲 狑 狅 狉 犽狅 犳犿 犻 狀 犲狏 犻 狉 狋 狌 犪 犾 狋 狉 犪 犻 狀 犻 狀 犵 狊 狔 狊 狋 犲 犿 矿山虚拟实训系统应用场景研究 虚拟实训系统是基于配套的传感设备，如头显、数据手套、控制手柄、动感蛋椅和主机等硬件设置而建立的。在三维虚拟仿真环境下，该系统实现了视觉、触觉和重力的真实反馈，使学习者能够身临其境地体验真实环境中的操作感受。此外，系统还通过三维仿真模拟现实世界的实际环境、人物操作和设备运行等方面，支持学习者在仿真环境下进行全方位的环境型学习。同时该系统还可以设置三维虚拟仿真人物进行操作引导，实现榜样模仿型学习。另外通过在三维仿真系统中设置引导和提醒环节，可以突出教育培训要点，以达到更细致的学习与培训效果。业务实训场景应用业务实训场景应用首先需要进行矿山环境三维建模仿真，真实还原矿山环境，观看者以沉浸式的方式感受矿山环境，主要用于矿山认知、概况展示等。在矿山环境仿真的基础上，对矿山生产工艺进行动态仿真，包含露天、地下开采过程、选冶过程等。）采矿作业流程培训在矿山虚拟系统首页中选择采矿系统，就可以进入采矿业务流程培训模块（见图），受训人员或参观人员以第一人称视角跟随语音引导来到第一生产现场，体验参观矿石生产的整个作业流程。）岗位培训岗位培训采用、及 端等多种形式结合，根据不同应用场景采用不同形式，针对操作演示类及实操类采用 形式，针对理论知识学习、在线考核等采用 和 端的形式。设备操作培训可以通过虚拟仿真与实体仿真相结合，使受训者可以通过操作仿真模拟器和观看三维动态模拟画面，感受到与操作实体设备相仿的感官体验。通过设定系统性的操作培训与考核流程，引导被培训者完成设备操作的理论学习、实操练习、考核，为真实上手操作设备打下理论基础与实训基础。常见设备有铲运机、凿岩台车、撬毛台车等，此类虚拟实训系统适用于设备操作工人对设备的系统性理论性学习，并可为设备操作提供实操练习、考核。如图所示，通过手柄操作介绍设备需要点检的部位、检查的方法、要点，通过语音及画面提示控制设备控制面板上的各个控制组件完成作业任务，操作者需自主完成系统下达的行驶任务，该任务过程可考核学员行驶的规范性、现场处置的合理性。有色金属（矿山部分）第 卷图采矿作业流程培训犉 犻 犵 犕 犻 狀 犻 狀 犵狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 狋 狉 犪 犻 狀 犻 狀 犵图虚拟实训操作模拟器子系统犉 犻 犵 犞 犻 狉 狋 狌 犪 犾 狋 狉 犪 犻 狀 犻 狀 犵狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 狅 狉 狊 狌 犫 狊 狔 狊 狋 犲 犿 安全教育实训场景应用传统安全生产教育培训多经人工讲解或口头培训，员工代入感差且个人理解程度不一 。安全生产教育通过三维仿真（见图）及语音说明，生动形象地展示人员日常需要注意的安全生产禁止及规定事项，如劳保用品穿戴要求及注意事项、乘坐交通工具注意事项等各种生产安全规范以及安全标识与指示等；并可根据需要插入考核环节，直观反映培训效果。此类虚拟实训系统适用于员工入职学习及考核、日常三级安全教育等场景。图采矿工作面安全作业教育犉 犻 犵 犕 犻 狀 犻 狀 犵狑 狅 狉 犽犳 犪 犮 犲 狊 犪 犳 犲 狋 狔狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀犲 犱 狌 犮 犪 狋 犻 狅 狀在三维仿真模拟的基础上，借助于 头显技术及配套硬件设备，沉浸式地感受施工作业的真实场景并突出展示危险操作及危险环境带来的事故后果，达到警示被培训者的效果。同时设定一定的事故警示考核环节，考核不通过者将在安全环境下切实感受到自己危险行为带来的伤害冲击。常见的事故警示教育如：机械伤害、触电（如图所示）、坍塌等，此类虚拟实训系统主要针对生产安全问题，对提高员工安全意识，建设安全矿山，具有重大意义。第期钱兆明等：矿山虚拟实训系统构建与研究图触电事故安全教育犉 犻 犵 犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 狊 犺 狅 犮 犽犪 犮 犮 犻 犱 犲 狀 狋 狊 犪 犳 犲 狋 狔犲 犱 狌 犮 犪 狋 犻 狅 狀 矿山虚拟实训管理平台矿山虚拟实训管理平台用于管理矿山培训课程、员工学习档案资料、培训考勤及学习考核管理并支持移动端数据查看方便知识点维护和共享，支持用户数据管理及相关统计，并能记录和分析员工任务完成情况，建立在线考核模块，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，见图。图矿山虚拟实训系统管理平台架构犉 犻 犵 犃 狉 犮 犺 犻 狋 犲 犮 狋 狌 狉 犲狅 犳犿 犻 狀 犲狏 犻 狉 狋 狌 犪 犾 狋 狉 犪 犻 狀 犻 狀 犵狊 狔 狊 狋 犲 犿犿 犪 狀 犪 犵 犲 犿 犲 狀 狋狆 犾 犪 狋 犳 狅 狉 犿 刚波夫矿虚拟实训系统建设展望刚波夫矿业股份有限公司是中国有色集团与刚果矿业公司为合作开发刚果（金）坎博韦地区铜钴资源而成立的合资公司。刚波夫矿业未来规划建设有露天矿山、井下矿山以及选冶、焙烧厂以及湿法冶炼厂等，生产过程中涉及设备种类众多、工艺流程复杂；由于当地员工教育程度较低，语言沟通也存在差异，传统员工培训方式下培训效率低，效果难以把控，进而导致工人不合规操作设备的情况也时有发生。基于刚波夫矿业现在及未来发展规划，刚波夫矿矿山虚拟实训系统主要可分为两个阶段进行。第一阶段，虚拟实训系统场地规划、管理平台搭建，以及露天矿移动设备仿真模拟器虚拟实训系统；第二阶段，以 虚拟实训系统为主，内容上可引进湿法厂、选厂、焙烧厂生产认知、井下生产认知、安全生产警 示 教 育 等，打 造 一 个 全 面 的 数 字 化 培 训 平台 。同时在实施过程中要注意系统的本土化适应性特别是语言翻译方面需要结合当地员工的语言使用习惯，可以帮助他们更好地理解和掌握培训内容。结论本文从虚拟现实技术特性出发，结合矿山企业实际需求提出了矿山虚拟实训系统的框架构建内容以及虚拟实训系统具体应用场景内容，具体结论如下：）矿山虚拟实训系统框架应包含三个层面：生产业务层面、安全教育层面以及培训管理平台层面，三个层面可以有效形成一个培训管理的闭环，覆盖矿山全体员工以及外来访客。有色金属（矿山部分）第 卷）以虚拟实现技术为核心，综合应用多媒体、三维建模、人机交互等信息化、数字化、智能化技术手段，构建的包含认知、实践、安全等模块的矿山虚拟实训系统可以很好地解决工人语言不通、培训成本高、设备操作专业性、安全教育直观性等问题。）矿山在规划虚拟实训系统时需要充分考虑矿山的实际需求和未来发展规划，结合当地的语言文化习俗分 步骤合 理 制订 矿山 虚 拟 实 训 系 统 建 设内容。参考文献王欣亮，杜壮壮，刘飞人口老龄化、需求结构变动与产业转型升级华东经济管理，（）：，（）：宁丙文澳 大 利 亚 矿 山 救 援 培 训 新 技 术 劳 动 保 护，（）：，（）：黄仁东，吴同刚非煤矿山虚拟现实安全培训系统的研究与构建中国安全生产科学技术，（）：，（）：张辉，聂百胜，许滕煤矿虚拟现实技术应用与发展煤矿安全，（）：，（）：姜学智，李忠华国内外虚拟现实技术的研究现状辽宁工程技术大学学报，（）：，（）：张二洋，陈建宏基于 矿山设计软件及虚幻引擎实现的矿山虚 拟 现 实 漫 游 系 统 黄 金 科 学 技 术，（）：，（）：徐雪战基于三维可视化与虚拟仿真技术的综采工作面生产仿真研究淮南：安徽理工大学，：，洪玉玲基于虚拟现实的煤矿事故仿真和安全培训系统煤矿安全，（）：，（）：刘敦文，贾昊燃，翦英骅，等基于虚拟现实技术的隧道火灾应急培训系统构建和研究中国安全生产科学技术，（）：，（）：修春华，孙秀娟，苗坡，等基于 的虚拟矿山漫游仿真系统设计与实现金属矿山，（）：，（）：杜云龙，张元生，汪姣妍，等基于虚拟现实的井下安全培训系统研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：刘旭，战凯，于骞翔，等基于人脸特征的疲劳检测在矿山远程驾驶中的应用有色金属工程，（）：，（）：张雄天，齐飞祥，张军奎，等金徽矿业郭家沟铅锌矿智能矿山系统建设有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：，张元生，战凯，马朝阳，等智能矿山技术架构与建设思路有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：李凤英，季现伟云南黄金集团数字化转型顶层设计及智能化建设实践有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：