煤矿安全生产过程VR仿真培训平台的制作方法

煤矿安全生产过程vr仿真培训平台
技术领域
1.本发明涉及一种煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，属于基于虚拟现实环境的教学培训领域。


背景技术：

2.煤矿以安全生产为天，需要技术熟练的工人，但熟练的技术需要不断在现场工作中学习获得，而煤矿开采的同时伴随着一定的危险性，这些都需要人们接受技术教育、安全教育、救生训练等，但由于受到各种环境因素的限制，不可能采用实际模拟的方式，使每个人均能置身于真实的环境中，有时真实感受安全的状况也是不安全的，甚至是根本无法提供这种现实的环境，即使提供了，有时也将付出巨大的代价。
3.虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。其技术特征主要表现在四个方面：
①
多感知性(multi-sensory)；
②
存在感、临境感(immersion)；
③
交互感(interaction)；
④
自主性(autonomy)。虚拟现实是由多种媒体构成的三维信息空间，其基本特征包括交互性和临场感。
4.目前以地质体三维可视化建模技术为基础，以虚拟现实仿真技术为手段构建煤矿安全生产过程vr仿真培训平台是地质学和煤矿安全研究的前沿领域，也是3d-gis技术的一个重要组成部分，对它的研究可以补充和完善煤矿安全的技术手段及理论，拓宽其应用领域，同时又能促进地质学模拟技术的发展。


技术实现要素：

5.针对申述发展现状，提高煤矿安全产生培训效率，本发明提供一种煤矿安全生产过程vr仿真培训平台。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是；煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，包括煤矿生产数据系统、三维几何建模模块、三维综合管理基础平台和vr呈现装置；煤矿生产数据系统系统集成存储有地层、构造、钻孔、监测、人员定位、机电设备和自动化控制数据，并能够通过外部输出对应数据，实现数据漫游、信息查询、数据分析功能；三维几何建模模块采集地层、巷道和设备数据，并结合煤矿生产数据系统中数据，生成三维几何模型，三维几何模型中的每个模型含有对应的数据；vr呈现装置包括3dled立体视觉大屏、vr头盔，用于呈现三维几何建模模块内容及模型数据；三维综合管理基础平台用于构建虚拟三维环境，并将虚拟三维环境以视频流媒体形式传输到vr呈现装置中，虚拟三维环境为煤矿生产数据系统数据输送到三维几何建模模块中生成的虚拟矿山环境的三维几何模型，通过构建虚拟的矿山环境，虚拟三维环境以视
频流媒体形式传输到vr呈现装置中。
7.作为优选，三维综合管理基础平台中构建的环境包括生产流程仿真环境、事故仿真环境；生产流程仿真环境分为井下典型的综采面工艺标准流程、综掘工作面流程、供电系统操作流程和设备的安装和拆解培训，事故仿真环境包括容易造成违章的工序讲解和展示和综采面典型的事故案例剖析讲解展示。
8.作为优选，综采面工艺标准流程包括综采系统设备开机流程、采煤机的斜切进刀与推溜移架、超前支护的操作流程、综采设备关机流程展示；综掘工作面流程对井下掘进工艺标准流程进行仿真展示；供电系统操作流程对设备及内部的部件进行透明化显示，并且展示设备在通电合闸后设备内部运行方式及对应的供电的原理，提供供电系统应急处置流程，在发生电器火灾、停电、断一回路、断二回路、上级变电所停电后如何处置内容；设备的安装和拆解提供两种方式的交互操作，一种能够通过操作面板界面对设备进行各种操作，设备模型要根据操作面板的指令模拟操作后的状态反应，另外一种为使用虚拟现实设备的交互工具，直接在虚拟环境中进行设备的交互拆解与安装。
9.作为优选，vr呈现装置呈现出三维动画、字幕和音频的内容。
10.作为优选，三维综合管理基础平台为多进程、分布式服务器端框架，建立有开发框架、数据库和培训地图，并与客户端相连，能够监听客户端的连接、监听用户操作信息，客户端为设备及现场环境中的数据采集模块。
11.作为优选，三维综合管理基础平台中构建有三维设备模型库， 综采工作面采煤相关设备的三维模型包括液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机、皮带机、支护装备、瓦斯监控设备、供电设备、破碎设备，三维几何建模模块构构建处上述三维设备模型，并采用设备库对上述三维设备模型进行管理或呈现在vr呈现装置中。
12.作为优选，三维综合管理基础平台中构建有地质建模和巷道建模，三维几何建模模块通过地面钻孔、探水孔、巷道掘进素描、地质揭露信息、三维地震数据地测数据，构建高精度地质建模，地质建模中能够表达出采煤中可能遇到的各类构造的分布；巷道建模为三维几何建模模块根据实际测量数据，建立不同断面形态的三维状态的巷道模型，地质建模和巷道建模存储在三维综合管理基础平台中，vr呈现装置根据具体培训环境展现三维设备模型库在巷道建模中形态。
13.本发明综合国内外先进的矿山三维虚拟现实系统的发展以及科学可视化技术、地质层面和地学三维空间构模技术的深入分析应用，定制了煤矿安全虚拟现实仿真系统，提高了工人在上岗前的生产与安全培训效率；vr仿真培训平台中的三维模型能够结合时时生产环境快速构建， 为员工上岗前培训快读搭建仿真环境，有效的提升员工进入工作状态的速度，而且能够快速批量培训员
工，解决新员工新生产环境初期适应环境慢导致的生产效率低的问题；能够仿真事故现场，为将要上岗及上岗中的员工构建安全培训场景，提高员工在岗时的事故防范和事故处理效率；为后台管理人员构建生产环境，密切了解生产现状。
附图说明
14.图1是本发明虚拟仿真平台的系统关系图；图2是本发明的内部软件层面拓扑关系图。
具体实施方式
15.下面对本发明具体内容进行进一步的说明：本发明是建立在本技术人田陈煤矿现场环境的vr仿真系统，包括综采面和综掘面的多人协同工作仿真完成综采、综掘流程，设备拆解将重点的机械设备拆解到最小可拆解单元。与国内外同类研究技术比较，本发明实用性、可操作性均有较大的提高。
16.本发明立了田陈煤矿真三维井上下环境，集成地层、构造、钻孔、监测、人员定位、机电设备和自动化控制等真实矿井生产环境数据和实时运行数据，实现了基于矿井真实生产环境的仿真培训系统。建立了综采工作面和综掘工作面的多人协同仿真系统，采煤机司机、支架工、皮带工等多工种使用vr头盔、3dled大屏系统协同完成综采、综掘流程以及采煤机、掘进机、变电柜等重点设备的安装拆解。研发了支持主动式立体视觉大屏、htc vive头盔等多种沉浸式虚拟现实设备的多人协同仿真培训系统，实现了培训人员戴头盔操作、培训老师看大屏指导、其它学员带立体眼镜观摩的“少人培训与多人学习同步”的培训新模式。
17.本发明目前已在田陈煤矿得到推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。通过该技术配合现有信息化监测监控手段，实现了虚拟矿井环境系统中煤炭地质相关算法、虚拟钻孔、最短路径分析、线路展示、井上下及工广可视化、风流解算、二三维煤矿数据的一体化、井下设备属性管理等，节省了大量人力和设备成本，提高了操作中的安全性，提高了信息集成度，为矿井带来了巨大效益，为其他矿井虚拟矿井平台建设提供了经验。
18.本发明煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，在功能模块层面包括煤矿生产数据系统、三维几何建模模块、三维综合管理基础平台和vr呈现装置。
19.本发明中煤矿生产数据系统系统集成存储有地层、构造、钻孔、监测、人员定位、机电设备和自动化控制数据，并能够通过外部输出对应数据，实现数据漫游、信息查询、数据分析功能。
20.本发明中三维几何建模模块采集地层、巷道和设备数据，并结合煤矿生产数据系统中数据，生成三维几何模型，三维几何模型中的每个模型含有对应的数据；本发明中vr呈现装置包括3dled立体视觉大屏、vr头盔，用于呈现三维几何建模模块内容及模型数据。vr呈现装置呈现出三维动画、字幕和音频的内容。
21.本发明中三维综合管理基础平台用于构建虚拟三维环境，并将虚拟三维环境以视频流媒体形式传输到vr呈现装置中，虚拟三维环境为煤矿生产数据系统数据输送到三维几何建模模块中生成的虚拟矿山环境的三维几何模型，通过构建虚拟的矿山环境，虚拟三维
环境以视频流媒体形式传输到vr呈现装置中。
22.本发明中，三维综合管理基础平台中构建的环境包括生产流程仿真环境、事故仿真环境。如图2所示， 生产流程仿真环境分为井下典型的综采面工艺标准流程、综掘工作面流程、供电系统操作流程和设备的安装和拆解培训，事故仿真环境包括容易造成违章的工序讲解和展示和综采面典型的事故案例剖析讲解展示。
23.综采面工艺标准流程包括综采系统设备开机流程、采煤机的斜切进刀与推溜移架、超前支护的操作流程、综采设备关机流程展示；综掘工作面流程对井下掘进工艺标准流程进行仿真展示；供电系统操作流程对设备及内部的部件进行透明化显示，并且展示设备在通电合闸后设备内部运行方式及对应的供电的原理，提供供电系统应急处置流程，在发生电器火灾、停电、断一回路、断二回路、上级变电所停电后如何处置内容；设备的安装和拆解提供两种方式的交互操作，一种能够通过操作面板界面对设备进行各种操作，设备模型要根据操作面板的指令模拟操作后的状态反应，另外一种为使用虚拟现实设备的交互工具，直接在虚拟环境中进行设备的交互拆解与安装。
24.三维综合管理基础平台为多进程、分布式服务器端框架，建立有开发框架、数据库和培训地图，并与客户端相连，能够监听客户端的连接、监听用户操作信息，客户端为设备及现场环境中的数据采集模块。
25.三维综合管理基础平台中构建有三维设备模型库， 综采工作面采煤相关设备的三维模型包括液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机、皮带机、支护装备、瓦斯监控设备、供电设备、破碎设备，三维几何建模模块构构建处上述三维设备模型，并采用设备库对上述三维设备模型进行管理或呈现在vr呈现装置中。
26.三维综合管理基础平台中构建有地质建模和巷道建模，三维几何建模模块通过地面钻孔、探水孔、巷道掘进素描、地质揭露信息、三维地震数据地测数据，构建高精度地质建模，地质建模中能够表达出采煤中可能遇到的各类构造的分布；巷道建模为三维几何建模模块根据实际测量数据，建立不同断面形态的三维状态的巷道模型，地质建模和巷道建模存储在三维综合管理基础平台中，vr呈现装置根据具体培训环境展现三维设备模型库在巷道建模中形态。
27.本vr系统能够让员工从理论上、实际上对作业流程及煤矿灾害事故有所了解，并知道到如何预防与防护。
28.项目成果应用期间，员工安全能力明显提升，三违比率大幅减少，实操模拟训练便捷有效。项目实施后，在付出相同人工、机械成本下有效节约培训、工程设计实施等费用1000万元。同时，本项目的实施应用为煤矿信息化集成实践出了一条行之有效途径，为现代化技术在煤矿的应用树立了标准，同时为矿井的智能高效安全生产提供了解决方案，值得其他矿井推广应用。
29.本发明的使用能够呈现出沉浸式仿真教学。总体设计坚持数据、管理、培训、应用相分离的架构思路，在保持灵活性、兼容性和扩展性的前提下，整个系统采用3d为基础的总体框架，综合应用物联网、云计算、三维仿真、rfid、嵌入式、数据库、网络及多媒体等技术，以计算机网络和硬件平台为依托，以国家政策、法规和相关行业标准为保障，在此基础上进行安全培训系统的开发和建设。
30.田陈煤矿安全生产虚拟现实仿真系统总体构架自下而上分为虚拟现实平台、虚拟
矿井环境系统和虚拟现实仿真系统三个层次，即基于虚拟现实 (vr)、三维可视化、3dgis、网络、数据库、人机交互等技术构建虚拟矿井平台；基于虚拟矿井平台，输入地质数据、测量数据自动生成煤层、钻孔和巷道，导入第三方建模软件构建的工广建筑、井下设备、地表等三维场景数据，接入安全监测、人员定位和自动化数据，建成田陈煤矿虚拟矿井环境系统；以虚拟矿井环境系统为基础，集成井下作业规程和应急预案，利用仿真和多人协同技术研发综采工作面虚拟仿真系统、综掘工作面虚拟仿真系统、供电虚拟仿真系统和灾害重现虚拟仿真系统。
31.整个系统由数据管理、三维几何建模、三维综合管理基础平台和专业应用四大模块组成。其中，数据管理在数据仓库基础上为整个系统提供数据；三维几何建模采用三维的数据模型和数据结构表达地层、巷道和设备；三维综合管理基础平台利用一系列的虚拟现实技术构建虚拟的矿山环境，使从业人员产生身临其境的感觉，并能与虚拟环境进行交互，是系统运行的基础环境；专业应用包括高精度地质模型可视化表达、二三维一体化联动、生产辅助管理、生产运行系统集成调度、分析预警等多个方面。
32.为切实贴近生产实际，增强安全培训工作的针对性和实用性，本仿真系统按照相关法规和行业标准，结合田陈煤矿各生产岗位工艺（作业）标准流程进行开发，目前具备培训条件的模拟工艺流程有综采、综掘供电系统为主，后续专业或岗位工艺（作业）流程正在尺寸建模投入使用。
33.本发明可以用于综采工作面流程模拟培训。井下典型的综采面工艺标准流程为依据实施模拟培训，流程展示主要依据田陈煤矿综采面的工艺流程，采取三维动画、字幕和音频相结合的方式进行讲解。展示的内容包括综采系统设备开机流程、采煤机的斜切进刀与推溜移架、超前支护的操作流程及综采设备关机流程展示。在此基础上，对容易造成违章的工序进行讲解和展示，还加入了对综采面典型的事故案例进行剖析讲解，让培训人员了解事故发生的全部过程，对自己实际生产工作起到指导和警示作用。
34.本发明可以用于综掘工作面流程模拟培训。掘进工作面以田陈煤矿井下掘进工艺标准流程进行仿真开发，对容易造成违章的工序进行讲解和展示，还对掘进面典型的事故案例进行剖析讲解，让工人了解事故发生的全部过程，对自己实际生产工作起到指导和警示作用。掘进面设备的安装和拆解在虚拟环境中让设备维修人员了解设备的结构和工作原理，能大幅度的提高设备维修人员的培训效率。该系统也分为流程展示、违章知识讲解及事故案例演示和设备安装拆解三个部分。
35.本发明可以用于供电系统仿真模拟流程培训，供电设备采用设备机械图纸进行1:1建模，并把设备内部的主要结构进行三维建模。系统对可对设备及内部的部件进行透明化显示，并且展示设备在通电合闸后设备内部运行方式及对应的供电的原理。另外系统还提供供电系统应急处置流程，如在发生电器火灾、停电、断一回路、断二回路、上级变电所停电后如何处置。
36.本发明可以用于在设备的安装和拆解培训方面，分为设备学习和设备操作两部分。设备依据机械图纸建立的高精度的设备模型，如果有必要则将设备的内部结构进行建模。设备学习通过视频、图片、文字说明、三维模型部件放大特写等方式对设备的基本情况、常见状态、常见问题、运行状态是否正常的检测方法、各种问题的维护、检修方法进行演示讲解。设备操作提供两种方式的交互操作，一种能够通过操作面板界面对设备进行各种操
作，设备模型要根据操作面板的指令模拟操作后的状态反应；另外一种为使用虚拟现实设备的交互工具，直接在虚拟环境中进行设备的交互拆解与安装。
37.本发明基于三维建模系统架构设计和服务端算法。建立多进程、分布式服务器端框架，并建立开发框架和数据库缓存服务、监听客户端的连接、监听用户操作信息、系统更新资源及培训地图服务等。研究基于udp的高时效性数据交互技术，如监听客户端所处场景位置、采煤机运行过程状态等；采用基于tcp的大数据传输，解决软件版本的更新、启动地图的下载等问题；实现协同操作的信息共享、数据资源的协同管理及系统数据的在线更新。
38.搭建客户端。底层以数字矿山、虚拟现实技术为基础，利用地理空间数据、地质勘探数据、设备环境数据、建模数据等，构建基础的井下三维场景。
39.井下虚拟场景与设备建模算法。研究井下虚拟环境中的地质建模、巷道建模、设备建模等若干自动建模算法，提高场景生成的效率。研究高精度工作面地质自动建模算法。根据地面钻孔、探水孔、巷道掘进素描、地质揭露信息、三维地震数据等地测数据，构建高精度工作面地质模型，在模型表达出采煤中可能遇到的各类构造的分布。研究高精度三维巷道自动建模算法。根据实际测量数据，建立不同断面形态的三维巷道模型。研究三维设备自动建模算法。实现在三维巷道场景中，自动摆放皮带模型、液压支架模等设备，实现工作面场景内部设备的自动建模。构建三维设备模型库。建设综采工作面采煤相关设备的三维模型，包括液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机、皮带机、支护装备、瓦斯监控设备、供电设备、破碎设备等等，并采用设备库对上述设备进行管理。
40.传统的采矿专业知识通过关卡设计、数值设计和剧情设计，转换成一系列运算逻辑算法，并成为仿真演练的游戏规则。这种设计思路创新式转变，实现了游戏与专业知识的一种高度彻底的融合，使用者可彻底颠覆传统学习模式和认知路径。在建立游戏规则、游戏目的及奖惩反馈系统后，当仿真人进行操作时，系统能够对其行为进行判断，当超越权限、错误操作等，系统具有信息提示、违章操作提示、扣分提示等功能。以采煤任务知识编制为例。按照实际工作采面进行设置，包括巷道布置系统、煤层、煤层顶底板、支护设备和各种监控监测设备，仿真人操作应完全满足相关规定与要求。

技术特征：
1.一种煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是，包括煤矿生产数据系统、三维几何建模模块、三维综合管理基础平台和vr呈现装置；煤矿生产数据系统系统集成存储有地层、构造、钻孔、监测、人员定位、机电设备和自动化控制数据，并能够通过外部输出对应数据，实现数据漫游、信息查询、数据分析功能；三维几何建模模块采集地层、巷道和设备数据，并结合煤矿生产数据系统中数据，生成三维几何模型，三维几何模型中的每个模型含有对应的数据；vr呈现装置包括3dled立体视觉大屏、vr头盔，用于呈现三维几何建模模块内容及模型数据；三维综合管理基础平台用于构建虚拟三维环境，并将虚拟三维环境以视频流媒体形式传输到vr呈现装置中，虚拟三维环境为煤矿生产数据系统数据输送到三维几何建模模块中生成的虚拟矿山环境的三维几何模型，通过构建虚拟的矿山环境，虚拟三维环境以视频流媒体形式传输到vr呈现装置中。2.根据权利要求1所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是，三维综合管理基础平台中构建的环境包括生产流程仿真环境、事故仿真环境；生产流程仿真环境分为井下典型的综采面工艺标准流程、综掘工作面流程、供电系统操作流程和设备的安装和拆解培训，事故仿真环境包括容易造成违章的工序讲解和展示和综采面典型的事故案例剖析讲解展示。3.根据权利要求2所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是，综采面工艺标准流程包括综采系统设备开机流程、采煤机的斜切进刀与推溜移架、超前支护的操作流程、综采设备关机流程展示；综掘工作面流程对井下掘进工艺标准流程进行仿真展示；供电系统操作流程对设备及内部的部件进行透明化显示，并且展示设备在通电合闸后设备内部运行方式及对应的供电的原理，提供供电系统应急处置流程，在发生电器火灾、停电、断一回路、断二回路、上级变电所停电后如何处置内容；设备的安装和拆解提供两种方式的交互操作，一种能够通过操作面板界面对设备进行各种操作，设备模型要根据操作面板的指令模拟操作后的状态反应，另外一种为使用虚拟现实设备的交互工具，直接在虚拟环境中进行设备的交互拆解与安装。4.根据权利要求1所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是，vr呈现装置呈现出三维动画、字幕和音频的内容。5.根据权利要求1所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是，三维综合管理基础平台为多进程、分布式服务器端框架，建立有开发框架、数据库和培训地图，并与客户端相连，能够监听客户端的连接、监听用户操作信息，客户端为设备及现场环境中的数据采集模块。6.根据权利要求5所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是， 三维综合管理基础平台中构建有三维设备模型库， 综采工作面采煤相关设备的三维模型包括液压支架、采煤机、刮板运输机、转载机、皮带机、支护装备、瓦斯监控设备、供电设备、破碎设备，三维几何建模模块构构建处上述三维设备模型，并采用设备库对上述三维设备模型进行管理或呈现在vr呈现装置中。7.根据权利要求6所述的煤矿安全生产过程vr仿真培训平台，其特征是， 三维综合管
理基础平台中构建有地质建模和巷道建模，三维几何建模模块通过地面钻孔、探水孔、巷道掘进素描、地质揭露信息、三维地震数据地测数据，构建高精度地质建模，地质建模中能够表达出采煤中可能遇到的各类构造的分布；巷道建模为三维几何建模模块根据实际测量数据，建立不同断面形态的三维状态的巷道模型，地质建模和巷道建模存储在三维综合管理基础平台中，vr呈现装置根据具体培训环境展现三维设备模型库在巷道建模中形态。

技术总结
本发明涉及一种煤矿安全生产过程VR仿真培训平台。采用技术方案是；包括煤矿生产数据系统、三维几何建模模块、三维综合管理基础平台和VR呈现装置；煤矿生产数据系统系统集成存储有地层、构造、钻孔、监测、人员定位、机电设备和自动化控制数据，并能够通过外部输出对应数据；三维几何建模模块采集地层、巷道和设备数据，并结合煤矿生产数据系统中数据，生成三维几何模型；VR呈现装置包括3DLED立体视觉大屏、VR头盔。本发明提高了工人在上岗前的生产与安全培训效率，为员工上岗前培训快读搭建仿真环境，有效的提升员工进入工作状态的速度，而且能够快速批量培训员工，解决新员工新生产环境初期适应环境慢导致的生产效率低的问题。初期适应环境慢导致的生产效率低的问题。初期适应环境慢导致的生产效率低的问题。


技术研发人员：杨明 魏忠奎 陈亚东 姜化举 侯晓松 尹建超 郝广启 满中峰 孙为民 张鑫 郭宜超 王猛 朱瑞 孙勇
受保护的技术使用者：枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿
技术研发日：2021.12.12
技术公布日：2022/3/8