虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室建设中的应用研究_孙晓元.pdf

安全与生产虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室建设中的应用研究孙晓元，谢建林，李媛，庞杰文（太原科技大学安全与应急管理工程学院，山西 太原）摘 要：近年来，国内高校煤矿安全类实验室在虚拟现实技术领域开展了如火如荼的建设工作，取得了一系列成果。在全面总结煤炭行业本质属性的基础上，以文献梳理为切入点，围绕煤矿开采技术、矿井灾害防治、安全培训与考核、事故救援与应急演练等角度系统归纳了虚拟现实技术在国内高校煤矿安全类实验室的建设现状，并从硬件设计和软件研发两个层面对高校煤矿安全类实验室虚拟现实技术的发展方向与建设重点进行了趋势分析。研究成果表明，煤矿安全类实验室虚拟现实技术的发展增强了高校的人才培养、科学研究与技术服务能力，提高硬件设计与软件研发水平有助于发挥虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室建设中的作用。关键词：虚拟现实；高校；煤矿安全；安全培训与考核；事故救援与应急演练中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）自 世纪 年代末美国（）公司的创始人 首次提出虚拟现实概念以来，由于兼具多感知性、沉浸存在性、交互性和自主性等特征，虚拟现实技术在诸多领域得到了长足的发展与广泛的应用。该技术以多媒体计算机为载体，通过融合影像分析、人工智能、材料科学、通信工程、传感控制和电子信息等学科的前沿技术，营造出逼真的三维空间环境，实现了操作人员的视觉、听觉、触觉甚至味觉和嗅觉的多层面感知与高级人机交互的功能，具有广阔的应用前景。安全是煤炭行业持续健康发展的永恒主题。经过煤炭资源的整合和安全专项治理，煤矿事故发生数与伤亡人数大幅度减少。但目前煤矿安全形势依然严峻，生产事故尤其是重特大事故仍未得到有效遏制，众多问题尚未完全解决。这不仅严重制约着煤炭企业的安全生产与高效回采，也对我国的经济协调发展与社会和谐稳定带来了巨大的挑战。高校是科技攻关的主阵地，也是成果转化的发源地。为破解诸多煤矿安全类难题，增强人才培养、科学研究与技术服务能力，国内高校煤矿安全类实验室的建设得到了前所未有的重视。这些实验室聚焦煤矿安全重点领域，充分展现了高校的教学、科研与社会服务的功能。与其他高校实验室不同的是，煤矿安全类实验室有典型的特点：教学层面。煤矿安全重点关注的生产事故，如透水、矿井火灾、瓦斯煤尘爆炸、顶板冒落等，均具有极强的破坏性，使教师难以通过实验或实践手段完整再现上述危险场景，仅凭文字、图像或视频无法达到身临其境的效果，学生获得直观体验与感性认识的安全隐患大大增加。科研层面。作为工学领域，煤矿安全类课题大多来源于工程，成果应用于实践。对某些创新性较强的纵向研究或方案比选类的横向项目而言，前者具有较大的风险性和不确定性，实践“长难慢”且存在失败的可能性；后者则往往不具备多种方案对比分析的项目运行时间和现场实践空间。此外，部分科学研究兼具针对性和普适性的特点，即课题来源于某一煤矿的具体需求，项目成果又需在多个矿区进行推广。上述特点大大延长了煤矿安全类实验室的建设周期，增加了投入成本，并对科技创新工作的有序进行和成果转化的顺利落地提出了挑战。社会服务层面。社会服务是高校的重要职责和使命。作为矿业人才的“蓄水池”和安全生产的“压舱石”，高校煤矿安全类实验室的社会服务职能除基于学术优势全面提升人才培养水平和积极参与科研活动，也在煤矿安全生产培训与灾害应急救援演练等多元领域发挥着重要的作用。在社会需求日益增长的背景下，如何通过强化顶层设计、创新培训方法、提升演练质量和降低投入成本，实现煤矿安全类实验室的科学性、针对性、规范性与可持续性，成为当前高校亟需解决的难题。鉴于此，虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室DOI:10.13487/ki.imce.022868的建设中得到了广泛的应用。本文基于煤炭行业的本质属性，从煤矿生产、灾害防治、安全培训与事故演练等角度出发，对虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室中的应用现状进行全面梳理，进而为未来发展方向与建设重点的确立提供科学支撑。煤炭行业的本质属性作为庞大而又复杂的高风险系统，煤炭行业具有以下四个方面的特点。生产环节繁多、工序复杂、衔接紧密煤层赋存的多样性决定了矿山开采的复杂性。以井工煤矿为例，开采、掘进、机电、运输、通风和排水并称为煤矿生产的六大系统。各系统的侧重点均不相同，相关工序也存在较大的差异。在矿井生产中，采掘接替、采区接替、水平接替均对工序衔接的紧密性和连续性提出了极高的要求。与此同时，随着科学研究的进步，深部开采、充填开采、气化开采、保水开采、绿色开采、无煤柱开采、“三下一上”开采等领域相继取得突破，新材料、新工艺、新技术、新设备的不断涌现也为煤矿安全生产带来了新的机遇与挑战。风险隐患众多、隐蔽性强、难以辨识水、火、瓦斯、煤尘、冒顶等自然灾害均对煤矿安全生产构成了严重威胁，诱发因素众多，大部分时间处于非显现状态，受外部采动影响可瞬间导致事故的发生，具有较强的隐蔽性。在进行隐患排查时多依赖工人的经验，缺乏有效的辨识手段和统一的分级体系，事故隐患往往难以排除。此外，煤矿事故隐患存在于生产作业不同环节，与采掘、地测、爆破、通风等诸多要素密切相关，进一步加大了风险分级管控与隐患排查治理的难度。管理方式粗放，人才匮乏，流动性大作为典型的资源密集型和劳动密集型产业，煤矿长期存在粗放管理的现象。一方面，是因其受限于行业的艰苦性和高危性，煤矿对人才的吸引存在先天不足。以基层班组为例，大量班组长是从优秀工人选出来的，这些人在某一领域有其独到之处，但技术与管理水平往往存在较大欠缺；另一方面，随着新兴行业和平台经济的蓬勃发展，就业形式日益灵活多样化，煤矿熟练工人与管理人员流失的现象不断加剧，人才匮乏的短板进一步凸显，高校煤矿安全类实验室加快人才培养的步伐已迫在眉睫。培训手段欠缺，演练单一，效果不佳培训和演练是煤矿安全管理的重要组成部分。与高校相比，煤炭安全培训手段较为欠缺，有限的案例教学、研讨式教学、一体化教学和多媒体教学等仍局限于传统教育教学方法，重视程度不够、师资力量不强、培训效果不佳和受众积极性不高的现象十分突出。与此同时，在矿山救援应急演练领域，成本高、耗时长、缺乏灵活性、难以适应变化和存在危险等问题也在很大程度上制约着演练的效果。鉴于此，安监总局曾在关于加快推进国家和区域矿山应急救援队建设的意见（安监总应急 号）中明确指出：“要创新仿真训练模式，建设与队伍职能任务、技术手段和救援环境匹配的模拟训练系统，提升训练信息化水平，具备在虚拟环境中进行各种类型灾害救援训练的条件。”文件将虚拟现实技术在煤矿安全领域中的应用提升到了前所未有的高度，也为虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室中的建设定位起到了里程碑与指南针作用。虚拟现实技术在高校煤矿安全类实验室中的建设现状前已述及，虚拟现实技术在煤矿安全生产领域发挥着不可或缺的作用。因此，国内高校煤矿安全类实验室在建设过程中应积极引入虚拟现实技术。通过构建虚拟仿真平台，创造虚拟现实环境，着力还原实际场景。这些建设主要围绕煤矿开采技术、矿井灾害防治、安全培训考核、事故救援演练等角度展开，全面梳理如下。煤矿开采技术虚拟现实技术在煤矿开采技术领域与数字矿山的兴起和发展紧密相关。宋振琪院士指出：“数字矿山是用 或 数字信息系统及图示化技术来表达所采矿体及其周围事物相对时空位置和关系。”在上述思想的指引下，国内煤矿安全类实验室从巷道、采掘面、工业广场、三维矿井等不同角度和维度进行科技攻关，对海量、多源、异构的煤矿生产技术数据进行有效的集成和真实的再现，提高了煤矿信息化建设水平。巷道层面：年，北京大学毛善君团队利用自主研发的 系统对新汶矿业集团翟镇煤矿四煤部分的巷道进行了几何建模，获得了具有高度沉浸感的三维图形，并在此基础上提出了具有我国自主知识产权的煤矿虚拟环境原型系统。河南理工大学王宝山、中国矿业大学汪云甲、太原理工大学梁建斌、中国矿业大学（北京）王凤林、山东科技大学孙中昶、昆明理工大学管恩吉等团队也先后提出了不同的建模算法与可视化技术，三维巷道漫游效果日臻提升。采掘面：采煤和掘进是煤矿生产的重中之重。年，太原理工大学李建忠等人借助 开发平台，基于 标准建立了综采工作面的虚拟场景。中国矿业大学苌道方和苏州大学刘洪宇等人则结合三维建模软件、实时仿真工具 和编程工具，对综采工作面生产过程进行了仿真模拟。西安 科 技 大 学 刘 洋 通 过 整 合 三 维 处 理 软 件、和 语言，虚拟再现了王家山煤矿 运输平巷综掘的工作面。针对综采设备这一多刚体系统，华北科技学院韩红利和西安科技大学赵国梁等人借助 软件建立实体模型，并辅以其他工具完成了采煤设备虚拟现实模型的建立。工业广场：工业广场的合理布局是矿区设施设计与规划的关键。中国矿业大学李青等人利用软件 进行建模，在 中渲染驱动，实现了工业广场的虚拟现实开发。三维矿井：将虚拟现实系统引入三维数字矿山的建设，对整体把握煤矿地质情况与生产现状大有裨益。基于此，太原理工大学赵建忠、中国矿业大学唐庆腾、平顶山工业职业技术学院王德永、中南大学毕林、河南工程学院郭兵兵、内蒙古科技大学郝长胜、北京工业职业技术学院黄波、西安建筑科技大学王靖和东北大学杨天鸿等人从不同角度构建了三维可视化矿山系统。尤其是唐庆腾和杨天鸿等人通过产学研的深度融合，在数字矿山三维可视化建设领域开展了一系列卓有成效的工作，实现了由单纯教学展示向科学研究层面的转变。需要说明的是，除井工矿外，中国矿业大学才庆祥团队也对露天矿的矿区规划与生态重建等开展了研究，实现了露天矿区鸟瞰、漫游和全方位展示的功能集成。矿井灾害防治与其他行业相比，煤矿生产存在自然条件恶劣、不安全因素众多的特点，水、火、瓦斯、煤尘和冒顶等灾害时刻影响和制约着矿井的安全生产。这些灾害的发生机理复杂、影响因素众多、破坏后果严重，现场实践与实验模拟的难度极大。在上述背景下，虚拟现实技术由于兼具投资较小、人机交互、安全可靠、可重复操作及模块可拓展等优点，在矿井灾害防治领域飞速发展，拥有广阔的应用前景。矿井水灾防治领域：在矿井水灾中，透水发生最多、后果最严重。年，北京科技大学周耀东等人利用 迭代算法对巷道的突水过程进行了可视化仿真处理。吉林大学陈姝慧、中南大学张洪姣、中国矿业大学（北京）张丽娟、西安建筑科技大学鲁志滔、北京信息科技大学李腾和山东科技大学冯文琪、徐欣等人则分别借助不同的开发平台建立了矿井突水三维可视化系统。矿井火灾防治领域：据统计，我国存在自燃发火危险的矿井比例高达。矿井火灾不仅对矿工安全和煤矿生产构成了极大威胁，引发二次事故的案例也不胜枚举。西安科技大学吕军和河北理工大学徐东印等人阐述了虚拟现实技术在矿井火灾中应用的初步构架。河南理工大学齐二伟通过整合 三维建模技术、虚拟可视化技术和 程序接口，对矿井火灾发生的过程与矿工应急逃生的路径进行了虚拟仿真处理。瓦斯灾害防治与通风领域：作为与煤同期共生的重要气体，瓦斯（主要指甲烷）无色、无味、无臭，易导致中毒窒息与燃烧爆炸事故，甚至会造成瓦斯喷出或煤与瓦斯突出动力的现象。瓦斯灾害是煤炭行业的“第一杀手”，国内高校煤矿安全类实验室在虚拟现实建设过程中重点关注。早在 年，北京石油化工学院陈福和中国矿业大学（北京）傅贵等人就利用、和 工具对巷道瓦斯爆炸、燃烧和烟雾的形成过程进行了虚拟现实仿真处理；华北科技学院陈学习也利用类似的平台真实再现了瓦斯爆炸场景，增强了爆炸现场虚拟漫游与岩石垮落效果。中国矿业大学（北京）周心权团队则将虚拟现实与事故调查结合起来，以陕西某矿发生的特别重大瓦斯爆炸事故为例，建立了煤矿瓦斯爆炸及火灾事故虚拟现实系统。实践表明，在正常涌出的情况下，矿井瓦斯事故往往与通风不畅存在较大的关联。因此，烟台大学华臻、太原理工大学邢玉忠、中国地质大学（武汉）代昌标、中国矿业大学贺致芬等人从通风系统虚拟仿真可视化角度入手，对瓦斯扩散模型与瓦斯事故的防治进行了针对性研究。粉尘灾害防治领域：除导致工人患尘肺病外，部分粉尘还具有爆炸危险性。相比而言，由于涉及气固相互作用，针对粉尘灾害进行虚拟现实仿真的难度较大。东北大学柳静献等人利用 工具，开发了可精确调整流场参数和观察视角的粉尘扩散三维动态模型。顶板灾