吳 聰

（黑龍江煤礦安全監(jiān)察局安全技術中心，黑龍江 哈爾濱 150000）

與傳統(tǒng)培訓方式相比，虛擬培訓顛覆了原有枯燥死板的教學培訓模式，探索出了一條極具創(chuàng)新力的培訓之路。虛擬現實技術與安全培訓的緊密結合，為培訓者提供一個和真實環(huán)境完全一致的虛擬環(huán)境，培訓者可以在這個具有真實沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境中，通過人機交互設備和場景里所有物件進行交互，體驗實時的物理反饋，進行多種實驗操作。

1 認識虛擬現實技術

1.1 虛擬現實技術的定義

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology）是一種能夠創(chuàng)建與真實環(huán)境一模一樣的虛擬環(huán)境的技術，用它可以去探索虛擬世界中真實環(huán)境元素。虛擬現實技術應用到了仿真技術與計算機圖形學、人機交互技術、多媒體技術等多種高科技技術，是一種多源技術和信息融合式的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真。

1.2 虛擬現實技術的原理

從邏輯上劃分，我們可以把虛擬現實技術看成是仿真技術的一個分支，因此虛擬現實技術很多設計原理和應用原理都是符合仿真學和仿真技術的原理。除了前面提到的計算機圖形學、人機交互技術、多媒體技術外，還涉及到了傳感技術和網絡技術，可以說虛擬現實技術是一個高端的前沿研究領域，具有極強的挑戰(zhàn)性。

1.3 虛擬現實技術的構成

從構成上看，虛擬現實技術主要由自然技能、感知、傳感設備和模擬環(huán)境等四方面組成。其中自然技能是指人的肢體活動，如手、頭、腳等，計算機會根據人們真實的活動情況來設計相關數據，以響應用戶的輸入，并回饋至人體的五官；感知是指在最為理想的虛擬現實狀態(tài)下，虛擬環(huán)境中的人應該具有真實狀態(tài)下人的感知，也就是虛擬的質量要做到與真實一致，除了肢體活動感知外，還有包括嗅覺和味覺在內的各種感受器官的感知；傳感設備就是三維交互設備；模擬環(huán)境就是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。

1.4 虛擬現實技術的特征

虛擬現實技術的特征主要表現為：自主性、交互性、多感知性和存在感。其中自主性是指人物的自主性，即虛擬對象應在虛擬環(huán)境運行中始終處于活動的主導體位；交互性是基于虛擬對象的交互，即人物可操作的基礎上應該得到虛擬環(huán)境中事物的反饋，而且是實時反饋；多感知性就是我們前面所提到的行為感知和感受器官的感知，感知要與現實保持一致；存在感就是分辨度，即人無法分辨真假的程度。

2 關鍵技術

2.1 三維模型

三維模型就是使用三維制作工具通過虛擬三維空間構建出具有三維數據的模型，從而創(chuàng)建虛擬現實場景。我們通常先用三維軟件去設計和制作物體的三維模型，然后在計算機中去模擬相對逼真的三維物體，進而應用于實際培訓中。置于物體的屬性，可以是已經真實存在的，如已挖好的煤礦隧道，也可以是我們的構想，如理想化煤礦隧道。制作上分網格和紋理，由眾多云點組成的稱為網格，形狀并不是唯一固定的，有三角形、四邊形、多邊形等；而文理所反映的是被描述物體的表面特征，如凹凸不平的溝紋，當我們按照某種特定的方式將文理映射到物體網格表面時，物體看上去會更加逼真。通常能夠用到的建模工具有3ds Max、Maya、Cinema 4D和Blender。

2.2 三維全景

作為虛擬現實技術的另一個分支，三維全景技術與3D建模技術（三維模型）相比，并不具備3D建模技術的良好沉浸體驗和深度交互能力，而且會更弱，雖然也能虛擬真實場景，但到目前為止還達不到虛擬現實。但它也有自身的優(yōu)點，如相對于三維制作來說，它開發(fā)周期短，開發(fā)成本低；播放設備硬件要求低，可以使用電腦或手機上的播放器；全景圖片文件數據量較小，非常有利于網絡傳輸，易傳播、易推廣，并且也可以實現任意視角的任意放大縮小，以及實現自由瀏覽。

3 建立虛擬現實的煤礦事故仿真和安全培訓系統(tǒng)

3.1 硬件平臺

在搭建硬件平臺時，我們應用了360°環(huán)屏沉浸式投影系統(tǒng)。它是一種多功能網絡化多媒體演變平臺，主要用來播放煤礦事故發(fā)生，以及預設營救活動的三維立體動畫，主要有以下五部分組成。

（1）系統(tǒng)規(guī)模。在直徑長為10m，高為4m的空間大小下，若想保證模擬演習質量可考慮容納18~22人，在略為復雜的環(huán)境下，可以考慮將人員保持在15~25人。

（2）播放單元。播放單元一般由6~8臺3D高清投影儀、10~15臺環(huán)繞立體音響和360°環(huán)幕組成，屏幕支持1080P全彩色高清畫面，煤礦工作者在環(huán)幕中能夠感受到真實的工作場景。

（3）控制單元?？刂茊卧话阌?~2臺服務器和6~8臺工作站集群及視頻轉換裝置組成，且是立體圖像實時生成的。工作站均采用較高端配置，但具體操作還需根據企業(yè)實際情況來做定奪，一般建議采購略高配置的工作站和服務器，這樣能確保圖像數據的順暢處理。在服務器和工作站的共同作業(yè)下，視頻數據和音頻數據將會被傳輸到播放單元中。

（4）網絡單元。網絡單元被看成是連接控制單元與播放單元的橋梁，其作用和意義與我們平時用的網絡寬帶是相同性質，只不過對數據傳輸速率的要求會更高。一般我們至少采用千兆高性能視頻網絡和千兆高性能數據網絡，才能保證工作站、服務器，以及各種硬件設備相互間的高速通信。

（5）交互設備。交互設備采用Ipod和Ipad兩種，其中Ipod是用來給培訓者進行答題的，是答題終端；Ipad主要作為三維場景的控制器，供培訓師控制視角和場景漫游用。

3.2 軟件平臺

相比于硬件平臺，軟件平臺更加豐富，它主要由三維模型動畫和場景動畫、危險源識別培訓模塊、事故仿真模擬培訓模塊、自救逃生培訓模塊、事故營救演練培訓模塊、安全培訓考核管理模塊六部分組成，應用了AutoDesk、3D Max等制作軟件對三維場景進行創(chuàng)作。

（1）三維模型動畫和場景動畫。為了確保實時渲染，在虛擬現實環(huán)境時，我們要盡可能保證使用面的有效性，實現模型的最大限度優(yōu)化；但另一方面，虛擬現實又需要很真實的畫面感，太少的制作面會大大降低場景的真實性。所以，我們通常會采取特殊的建模方法來保證順暢的運行和真實的效果，比如用Zbrush法線貼圖對模型進行處理可以產生很強的立體感。除了事物本身外，燈光和陰影也是不能忽視的，用AutoDesk和MaYa可以滿足我們的需求。

（2）危險源識別培訓模塊。與真實場景相同，危險源識別培訓模塊可以模擬出真實環(huán)境下的危險源征兆，比如瓦斯、煤塵、運輸、主扇、壓風、排水、供電，以及水、火等?？梢栽佻F真實井下工作中涉及到的一切危險事故的發(fā)生，以及誘發(fā)事故發(fā)生的因素，培訓者可以按照自己所掌握的安全知識對系統(tǒng)所提出的提問進行作答，答案由已被設定好的考評管理系統(tǒng)進行考核，并在糾正答錯問題之后，對全部問題進行真實事故演示，包括誘發(fā)原因、事故發(fā)生過程、原因分析，以及事故所造成的嚴重后果，并在最后演示危險征兆出現后，工作人員正確處理問題的方式。

（3）事故仿真模擬培訓模塊。該模塊可以分析出各種類型事故的發(fā)生原因，從危險征兆出現，到事故發(fā)生，再到事故發(fā)展過程和導致的后果，整個一系列完整的過程都能被模擬出來。事故類型包括了水、火、瓦斯、頂板冒落等，這種很強的交互式培訓模式，能夠在很大程度上增強工作人員對各種事故發(fā)生的了解，提高他們危險識別的意識，提升發(fā)現危險征兆的敏感度，從而對事故有著更深刻的認識。

（4）自救逃生培訓模塊。自救逃生培訓模塊是根據每種類型事故和以往典型事故發(fā)生時的狀況，對可能存在和已經存在的逃生線路進行場景設計，真實再現各樣事故發(fā)生時的虛擬仿真環(huán)境，包括了對水、火、瓦斯、頂板冒落等事故的模擬。該模塊也是通過人機交互的方式去讓工作人員面對不同的危險，以及在逃生過程中可能遇到的各種情況做出選擇和交互式操作。

（5）事故營救演練培訓模塊。事故營救演練培訓模塊是針對各種可能發(fā)生的事故，以及事故發(fā)生后工作人員所采取的具體營救行為設計的。需要我們能夠制定出多種不同的營救方案，并根據每一種具體方案進行場景和設備的建模及動畫、與系統(tǒng)交互的開發(fā)制作，系統(tǒng)將會展示出每一種營救行動最有效、簡單、快速的營救步驟，以及在營救過程中可能遇到的各種突發(fā)狀況的處理方式。

（6）安全培訓考核管理模塊。安全培訓考核管理模塊是針對工作人員在培訓過程中接受一定任務考核，以及整個培訓工作完畢后接受完整的最終考核而設計的。最終考核內容就是整個培訓內容，包括針對危險源的識別、事故方針模擬、自救逃生、事故營救演習等模塊中的重點內容和任務?；A知識通常以選擇題和簡答題的形式呈現給參加考試的人員，除此之外，還有模擬演習，其考核標準是正確的操作流程和處理方式。最后，所有參加考試人員的成績將被記錄在系統(tǒng)內，然后由系統(tǒng)進行評估打分，將考試不合格者篩選出來，并通知他們準備下一次培訓。

4 應用虛擬現實技術于煤礦安全培訓中的前景展望

當前，虛擬現實技術所能實現的內容還是很多的，在結合計算機先進技術的前提下，其應用范圍也正在逐漸擴展，包括電子傳感器、計算機圖形學、人工智能，甚至是心理學等在內的自然科學、應用科學和社會科學領域都在嘗試應用虛擬現實技術，并在個別領域和行業(yè)的應用中取得了相當不錯的成果。但從技術角度去分析，我們發(fā)現虛擬現實技術還存在很多需要完善的地方，比如受硬件和軟件因素制約，虛擬現實系統(tǒng)還只能達到部分真實的程度，特別是對高標準和高要求的模擬。

在煤礦安全培訓中，我們既需要強大的虛擬現實技術做支撐，以使安全培訓能更好地向真實場景演習靠攏；又需要堅持煤礦安全培訓的總體設計和基本原則，讓參加培訓的工作人員在現代高科技培訓中有效提升自我安全工作意識和安全作業(yè)的能力，所以我們說，虛擬現實技術與煤礦安全培訓的結合是有效實現培訓目的的重要方式和手段。鑒于煤礦作業(yè)本身對先進科學技術的使用比較慢，因此虛擬現實技術目前所存在的諸多問題暫時還不會影響到它在煤礦安全培訓中的作用，而且在使用中對硬件和軟件的要求也不會太高，所以按照當前的標準去進行操作還是具有很大的現實意義的。

5 結束語

當前世界范圍內對虛擬現實技術的探索和研發(fā)還處在摸索階段，我們對它的應用也僅限于表層，但相信在相關科研人員的攜手努力下，終有一天它會成為我們與計算機交互方式最大的一種轉型，改變人們與科技之間的關系，而這種成功的轉型和人機關系融洽度的逐漸提升，也為我們進行煤礦安全培訓提供了更加可靠且有利的支持，從而直接推動著煤炭安全防護方式的升級。