摘要:论述了使用虚拟仿真技术构建煤矿安全培训教学系统的必要性,阐述了虚拟仿真系统特点以及具体的实现方法,通过图像、声音、文字说明、三维动画的方工进入数字化煤矿中去,使职工能直接感知煤矿生产的各个环节、学习相关安全知识。极大得提高了煤矿安全培训的质量,降低培训成本,保障煤矿生产的安全。
　　关键词:虚拟现实;矿井仿真;安全培训;教学;安全生产
　　
　　加强安全培训,提高培训质量,是煤矿企业持续、健康发展的需要。为解决矿井安全培训的针对性和实用性问题,借助虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术仿真井下各种复杂的作业环境和设备,从根本上提高从业人员对煤矿安全生产知识及其技能的掌握,全面提升安全培训的自主创新能力和科技教材的研发水平,支撑和引领安全培训的发展。
　　
　　1 虚拟仿真技术
　　
　　1.1 系统整体框架介绍
　　虚拟仿真系统平台采用了客户/服务器(Client Server,C/S)结构,分为服务器端软件和客户端软件。两端通过网络通信协议连接后,服务器端相应各系统启动并开启服务,然后便可以进行数据交换、流媒体下载播放、虚拟仿真在线互动、即时信息发布等。信息化平台的功能框架如图1所示:
　　1.2 系统设计原理
　　整个平台综合了当前软件领域的主要核心框架,包括WEB集成、VR技术、Multimedia Builder(多媒体开发组件)、Delphi、asp.net以及数据库(SQL server)等。
　　在这些核心框架支持之下,平台网络资源占用量较低,而性能和可用性则较高。通过构造各种煤矿企业、培训机构应用的基础服务组件,并通过这些基础服在这些核心框架支持之下,平台网络资源占用量较低,而性能和可用性则较高。通过构造煤矿企业、培训机构应用的基础服务组件,并通过这些基础服务来实现国家级、省级各监察部门、煤矿企业、培训机构的流程整合和数据访问整合。
　　主要提供四种模式来实现客户端与服务器端数据交换、流媒体下载播放、虚拟仿真在线互动、即时信息发布的功能,分别为:
　　1.2.1 教案通信模式:
　　应用于多媒体教学管理系统中的通信插件是其于标准的TCP/IP网络通信协议开发,服务器端使用ADO(ActiveX Data Objects)数据库驱动引擎,可适用于现有任何数据库;利用教案通讯信插件可将客户端指定文件、文件夹或特定教案上传到服务器端指定目录下,同时可将服务器端指定文件、文件夹或特定教案下载到客户端指定目录中;返回指定文件夹下某类型(一种或多种类型)的全部文件列表;判断服务器端指定文件、文件夹或特定教案是否存在等。
　　1.2.2 HTTP传输模式:系统实现了服务器端和客户端之间的数据传输。客户端向服务器端硬盘传送数据称为数据上传;服务端器向客户端传送数据称为数据下载。数据传输功能支持在异端进行文件夹和目录的创建、删除、更改,支持数据的断点传输等功能。
　　1.2.3 Media Service模式:用于控制、调度虚拟、视频、音频、图片、文字等多媒体文件,利用捆绑IP、HTTP传输模式来在服务器端与客户端之间调用多媒体元素。
　　1.2.4 Web Console模式:用于支持系统管理机的远程访问管理,为管理、操作、维护人员提供远程系统发布管理平台,凡是与系统处于同一网络的计算机都可用作对系统的管理。
　　1.3 系统设计性能
　　系统总体结构应设计合理,各功能模块应相互独立,应具有结构可拓展性,应易于后期升级和维护。应用功能模块的可拓展模型如图2所示:
　　1.3.1 小型仪器、仪表仿真性能
　　使用虚拟仿真技术可以使学员清晰、完整地看到小型仪器、仪表的结构。学员简单地操作鼠标,便可以从不同角度观察各个部件的结构特点及相关工作原理。这种学习,不但节约了培训成本,还大大提高了培训效果。
　　1.3.2 大型机械设备仿真性能
　　通过虚拟仿真技术,将设备的工作原理、结构及机械的一般维护和故障排查等虚拟在计算机仿真程序中。学员通过视觉、听觉和手的动作,参与到计算机虚拟设备的学习中,即学员利用计算机键盘就可以完成技能训练。
　　1.3.3 各工种操作流程仿真性能
　　针对各专业技术工种在井下实景环境中的规范操作流程,通过虚拟仿真技术,逼真地还原井下工况环境,将工人在实际工作中的规范操作方法及流程一一还原出来,使学员在不下井的情况下就能完成检测、调校、设置等工序,利用虚拟流程就可以完成井下工作的整个训练。
　　1.3.4 警示教育案例仿真性能
　　针对典型事故案例,通过虚拟仿真技术可以逼真地还原隐患设备、三违人员、工作环境等,运用计算机模型和后期数字合成技术,可以逼真地还原事故经过、事故原因,并加以剖析,对有侥幸心理、违反操作的员工在心理上产生巨大的震撼力和冲击力,引导大家深刻反思,启迪学员提高安全意识。
　　1.4 系统的功能特点
　　形象生动的原理阐释易于接受、针对性强、重点突出,使被教育者在轻松活泼、直观形象的学习内容中掌握所学的知识,对知识的了解更加形象直观。涉及到生产工艺技术和装备故障排查及日常维护时将采用多媒体和三维仿真技术,能够把高质量、速度快的实时交互物体推送到所有终端用户面前。
　　模型可从任意角度观察,学员通过使用鼠标便可以旋转和缩放产品,通过点击模型的功能按钮便可以开启生产设备的部件,通过移动部件便可以达到虚拟操作、维护检修的培训目的,从而把空洞的理论和繁杂的技能操作变得可感观、可感知、可触摸。进行设备事故案例剖析时,通过三维建模技术还原来探讨事故发生原因和规律,对防范措施、规程操作进行反思和检查,启迪学员对自己的生命负责、对他人的生命负责,唤起矿井职工的警醒。
　　
　　2 结论
　　
　　虚拟仿真系统通过声音、文本、图像、动画等媒体为煤矿职工提供知识、演示、示范和练习,营造出了形象、逼真的学习环境。职工可以通过虚拟实验、模拟实训、实习和设计等教学手段,认识所学知识的基础概貌、组织结构、工作原理、操作过程、故障维修等各种生产和实践中的问题。通过集中的资源的整合,明确细化了工作模式和管理流程,减少了工作环节,提高了培训工作效率,从而提升了人力资源的效率,降低了培训运营的成本,并减少了员工安全事故的发生。
　　
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