CN103886132B - 煤矿不安全行为警示仿真的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用三维虚拟仿真技术实现煤矿不安全行为警示的方法，包括以下步骤：1.对煤矿中常见的不安全行为进行辨识和后果评估；2.对三维动画进行规划与设计，设计仿真系统中需要的可能出现的各个要素、场景；3.构建基本模型；4.静态和动态仿真；5.对虚拟仿真动画进行后期合成，形成一个完整的煤矿不安全行为虚拟仿真系统。在建立虚拟场景中，以三维动画形式形象、直观地表现出来，提高井下工人的安全意识，提高煤矿安全培训的质量。

Description

煤矿不安全行为警示仿真的方法

技术领域

本发明提出了一种煤矿不安全行为管控的新方法，特别是一种煤矿不安全行为警示仿真的方法。

背景技术

国内外煤矿历史事故案例统计分析表明，人的不安全行为是导致事故发生的主要原因。由于井下工人安全意识不高，不良安全习惯是导致一切事故的共性原因。培训教育是防止煤矿不安全行为发生的主要手段之一，然而，传统的煤矿安全培训教育内容枯燥，形式呆板，而且现有的视频影音培训资料大都是规章制度的宣传和应知应会内容的示范和指引，并不能很好的避免不安全行为的发生，不能有效地提高安全意识。

运用3D仿真技术，汇集采矿工程、安全科学与技术、虚拟现实技术、现代仿真技术、计算机科学、三维造型技术、可视化技术等，建立煤矿的生产操作虚拟环境，将不可见的地下的一些安全行为操作和一些不安全行为操作及其造成后果展现出来，即以虚拟现实形式形象、直观地表现出来，以新的技术手段和模式强化矿工的安全意识，客服不良习惯，促进安全生产。通过动画的方式来模拟不安全行为带来的事故，尤其是历史上发生的安全事故，是安全培训的发展趋势之一。将违反的规定利用解说字幕的形式出现在电视或其他显示终端上，让煤矿工人知道就是因为操作者没有按照这些规定去做，才酿成了事故的发生。通过这些有血、有肉、有声、有色并带有艺术语言的动画电视画面，使煤矿员工在心灵深处受到震撼，并清楚地知道违章作业带来的严重后果，从而达到学习《安全规程》、遵章作业、避免事故的发生，实现安全生产。

发明内容

技术问题，本发明的目的是提供一种煤矿不安全行为警示仿真的方法，通过运用3D仿真技术，汇集采矿、安全、虚拟现实等技术等信息技术手段，建立煤矿的生产操作虚拟环境，以三维动画形式将常见的不安全行为操作及其造成后果形象、直观地表现出来，从而达到强化井下工人的安全意识，促进安全生产的目的。

技术方案，本发明的目的是这样实现的：采用工作任务分解法与事故树等安全分析法，辨识操作人员的不安全行为，并利用风险矩阵法提炼出高风险的不安全行为，根据现有的安全规章制定不安全行为对应的操作规范，设计模拟历史事故发生的过程与场景，建立仿真场景中可能用到3D模型，将之前所做的动画片段、声音等素材，按照方案设计顺序，通过After Effects(AE)后期合成软件的编辑，加入不同的场景特效以及文字说明，最终生成动画影视文件；该方法实现的步骤如下：

(1)人员不安全行为的辨识。在人员不安全行为的辨识中，安排有丰富工作经验的人员根据工作经验，采用任务分解法，辅以事故树等系统安全分析法，考虑正常状态、异常状态、紧急状态三种状态和过去、现在、将来三种时态可能发生的人的不安全行为因素，辨识对煤矿各单元或各系统的工作活动和任务中人方面的危害因素，并分析各不安全因素可能造成的后果和事故类型。

(2)提炼高风险不安全行为，并确定风险等级，具体步骤如下：

1)确定事故在一定时间内发生的可能性，即概率的大小，需要根据以往事故统计或经验来模糊判断；

2)估计一旦事故发生，可能造成损失的严重程度。对“可能造成的损失”的确定需要建立的假设的基础之上，即假设在事故实际发生的情况下，估计会造成什么样的损失。事故发生后可能造成的后果是多个，按照风险管理的要求，取各种后果中最为严重的一个来确定“可能造成的损失”；

3)根据事故发生的可能性及损失的严重程度估计总期望损失的大小，计算公式为：风险值=可能性×损失；再根据风险值确定风险等级，主要参考风险矩阵及风险等级划分表；

4)根据风险等级和风险类型，选择各事故类型中风险等级较高的人员不安全行为。

(3)制定对应的操作规范。根据现有的操作规程、岗位规范等制度文件，制定针对不安全行为对应的操作规范，实现正反两方面的对照分析，基于典型事故分析与正反对照的煤矿高风险不安全行为制定人员不安全行为的操作规范；

(4)对三维动画进行规划与设计，对仿真系统中需要的及可能出现的各个要素、各个场景进行仿真。

1)为了创建真实感的井下虚拟环境，分析煤矿井下生产系统中所具有的各种物体和设备设施，包括静态物体和动态物体。

2)对井下巷道进行建模。具体步骤如下：

①确定一条轨迹线和和一条轮廓线；

②沿轨迹线移动轮廓线，形成几何模型造型；

③采用frenet标架、二次可导的轨迹线以及网格(mesh)表达方式，将造型体视作整张连续的曲而对其作统一处理。

3)对井下设备进行建模。设计内容主要包括角色的外形设计与动作设计、机器造型等；设计要求包括标准造型、结构图、比例图等，将不安全行为在一定的场景下通过角色的典型动作设计附以文字说明来实现；设计中将采用三维建模、模型渲染、交互动作设计和系统整合等技术方案，对井下各种设备、巷道、采煤工作面及虚拟矿工进行三维建模，能够真实的模拟井下的情况和工作环境。

4)对煤矿生产工艺进行仿真。参照《煤矿安全规程》、《作业规程》、《操作规程》三大规程的内容并结合前期对煤矿不安全行为辨识和评估的内容和结果拟定仿真方案，方案文字表述要视觉化，即把方案所描述的内容用画面来表现。

(5)根据前期设计，在计算机中通过3d max软件制作出动画片段，通过建模、材质、灯光、动画、摄影机控制、渲染等技术流程，进行基本模型的构建和环境仿真，其步骤包括：

1)静态环境仿真。首先是工作面和巷道的制作，根据巷道的尺寸参数和液压支架、采煤机等设备外观尺寸来构造巷道和工作面。然后把这些设备及装置按照尺寸布置到工作面及巷道中，将液压电缆、导线等连接上，再加一些护网、吊挂等附属装备。

2)动态环境仿真。为了使虚拟的井下工作环境更真实，使镜头的表现更具有视觉冲击效果，除了静态环境的仿真外，还必须进行动态仿真。例如瓦斯爆炸、透水、触电等事故，该警示仿真用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。

(6)运用计算机虚拟仿真技术建立一个完整的煤矿不安全行为警示仿真系统，从入井巷道到各个生产工作面均由计算机系统虚拟仿真出来，比如人在巷道里行走时可以身临其境地看到巷道里的支护形式、电缆、水沟、机电设备及各种管道等设施，同时系统采用多媒体技术对相关的场景设备和安全操作规范等给予文字、语音、视频、动画等加以提示和说明。系统可模拟煤矿一些不安全操作造成的后果，并直观的显示到下井人员面前。将虚拟仿真动画进行后期合成，通过AE后期合成软件实现系统的交互性。AE合成软件可以将3D模型、2D图形或是声音文件格式整合到一起，生成动画影视文件，形成一个完整的煤矿虚拟仿真培训系统。

为了使虚拟的井下工作环境更真实，使镜头的表现更具有视觉冲击效果，除了上面提到的静态环境的仿真外，必须进行动态仿真。例如瓦斯爆炸、透水、触电等事故，本仿真系统用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。

照明技术是三维虚拟仿真技术的重中之重，本仿真系统采用全局光照明技术，提高光斑特效的表现范围，如光斑、电弧等。采用体积光技术，表现诸如井下工人头灯、机械装置的照明设备对环境的影响。运用了光能传递和光线追踪技术。

有益效果：以新的培训手段和模式强化煤矿职工安全意识，通过虚拟仿真和三维动画的方式来模拟煤矿不安全行为带来的事故后果，运用三维仿真技术建立完整的煤矿安全虚拟培训系统，采用三维仿真技术模拟井下真实的采矿环境，逼真的显示各类不安全行为导致的事故的现场，使矿工能够在心灵深处受到震撼，达到客服“思想隐患”、减少三违的目的，从而降低煤矿事故，实现安全生产。

附图说明

图1煤矿不安全行为警示仿真场景组成。

图2煤矿不安全行为警示仿真技术实现方法流程。

图3基于典型事故分析与正反对照的煤矿高风险不安全行为操作规范制作流程图。

具体实施方式

利用三维虚拟仿真技术实现煤矿不安全行为的警示，以新的技术手段和模式强化矿工的安全意识。基于煤矿三大规程，利用工作任务分解等方法对煤矿常见的不安全行为进行辨识和后果评估，并基于辨识和评估的不安全行为分别进行对应的建模、仿真和动画合成等多环节的研发制作，研发出包含采掘机运通各个环节主要不安全行为的煤矿安全虚拟警示系统，将煤矿常发生的不安全行为操作及其造成后果，在建立的虚拟场景中，以三维动画形式形象、直观地表现出来，达到强化安全意识，提高培训质量，减少煤矿安全事故的目的。

针对我国煤矿培训的现行情况，利用三维虚拟仿真技术实现煤矿不安全行为的警示，以新的技术手段和模式强化矿工的安全意识，减少不安全行为的发生。基于煤矿安全规程、作业规程和操作规程，利用工作任务分解等方法，按照专业、工种和危险源等造成的事故类型，对煤矿常见的不安全行为进行辨识和后果评估，基于上述行为的正确做法和错误做法两个方面，结合煤矿历史上发生的典型事故案例，分别进行对应的实物拍摄、场景设计、建模(环境、设备、人)、材质贴图、灯光设计、动态仿真及后期合成等多环节的研发制作，研发出包含采掘机运通各个环节主要不安全行为的煤矿安全虚拟警示系统，将煤矿常发生的不安全行为操作及其造成后果，在建立的虚拟场景中，以三维动画形式形象、直观地表现出来，达到强化安全意识，提高培训质量，减少煤矿安全事故的目的。

该方法通过最新的工作任务分解法，辅以事故树等系统安全分析法，参照《煤矿安全规程》、《作业规程》、《操作规程》分别考虑到不安全行为的三个时态与状态，辨识了人员的不安全行为；利用风险矩阵法，提炼出不安全行为中具有高风险的部分行为；结合前期对煤矿不安全行为辨识和评估的内容和结果拟定仿真方案，进行3D建模与动画开发，制作流程包括井下巷道建模、设备建模、三违人物建模、生产工艺仿真；将虚拟仿真动画进行后期合成，形成一个完整的煤矿虚拟仿真培训系统，实现以虚拟现实形式形象、直观地将不安全行为表现出来，以新的技术手段和模式强化矿工的安全意识，克服不良习惯，促进安全生产，该方法实现的步骤如下：

(1)人员不安全行为的辨识。在人员不安全行为的辨识中，安排有丰富工作经验的人员根据工作经验，采用任务分解法，辅以事故树等系统安全分析法，考虑正常状态、异常状态、紧急状态三种状态和过去、现在、将来三种时态可能发生的人的不安全行为因素，辨识对煤矿各单元或各系统的工作活动和任务中人方面的危害因素，并分析各不安全因素可能造成的后果和事故类型。

(2)提炼高风险不安全行为，并确定风险等级，具体步骤如下：

1)确定事故在一定时间内发生的可能性，即概率的大小，需要根据以往事故统计或经验来模糊判断；

2)估计一旦事故发生，可能造成损失的严重程度。对“可能造成的损失”的确定需要建立的假设的基础之上，即假设在事故实际发生的情况下，估计会造成什么样的损失。事故发生后可能造成的后果是多个，按照风险管理的要求，取各种后果中最为严重的一个来确定“可能造成的损失”；

3)根据事故发生的可能性及损失的严重程度估计总期望损失的大小，计算公式为：风险值=可能性×损失；再根据风险值确定风险等级，主要参考风险矩阵及风险等级划分表；

4)根据风险等级和风险类型，选择各事故类型中风险等级较高的人员不安全行为。

(3)制定对应的操作规范。根据现有的操作规程、岗位规范等制度文件，制定针对不安全行为对应的操作规范，实现正反两方面的对照分析，基于典型事故分析与正反对照的煤矿高风险不安全行为制定人员不安全行为的操作规范；

(4)对三维动画进行规划与设计，对仿真系统中需要的及可能出现的各个要素、各个场景进行仿真。

1)为了创建真实感的井下虚拟环境，分析煤矿井下生产系统中所具有的各种物体和设备设施，包括静态物体和动态物体。

2)对井下巷道进行建模。具体步骤如下：

①确定一条轨迹线和和一条轮廓线；

②沿轨迹线移动轮廓线，形成几何模型造型；

③采用frenet标架、二次可导的轨迹线以及网格(mesh)表达方式，将造型体视作整张连续的曲而对其作统一处理。

3)对井下设备进行建模。设计内容主要包括角色的外形设计与动作设计、机器造型等；设计要求包括标准造型、结构图、比例图等，将不安全行为在一定的场景下通过角色的典型动作设计附以文字说明来实现；设计中将采用三维建模、模型渲染、交互动作设计和系统整合等技术方案，对井下各种设备、巷道、采煤工作面及虚拟矿工进行三维建模，能够真实的模拟井下的情况和工作环境。

4)对煤矿生产工艺进行仿真。参照《煤矿安全规程》、《作业规程》、《操作规程》三大规程的内容并结合前期对煤矿不安全行为辨识和评估的内容和结果拟定仿真方案，方案文字表述要视觉化，即把方案所描述的内容用画面来表现。

(5)根据前期设计，在计算机中通过3d max软件制作出动画片段，通过建模、材质、灯光、动画、摄影机控制、渲染等技术流程，进行基本模型的构建和环境仿真，其步骤包括：

1)静态环境仿真。首先是工作面和巷道的制作，根据巷道的尺寸参数和液压支架、采煤机等设备外观尺寸来构造巷道和工作面。然后把这些设备及装置按照尺寸布置到工作面及巷道中，将液压电缆、导线等连接上，再加一些护网、吊挂等附属装备。

2)动态环境仿真。为了使虚拟的井下工作环境更真实，使镜头的表现更具有视觉冲击效果，除了静态环境的仿真外，还必须进行动态仿真。例如瓦斯爆炸、透水、触电等事故，该警示仿真用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。

(6)运用计算机虚拟仿真技术建立一个完整的煤矿不安全行为警示仿真系统，从入井巷道到各个生产工作面均由计算机系统虚拟仿真出来，比如人在巷道里行走时可以身临其境地看到巷道里的支护形式、电缆、水沟、机电设备及各种管道等设施，同时系统采用多媒体技术对相关的场景设备和安全操作规范等给予文字、语音、视频、动画等加以提示和说明。系统可模拟煤矿一些不安全操作造成的后果，并直观的显示到下井人员面前。将虚拟仿真动画进行后期合成，通过AE后期合成软件实现系统的交互性。AE合成软件可以将3D模型、2D图形或是声音文件格式整合到一起，生成动画影视文件，形成一个完整的煤矿虚拟仿真培训系统。

Claims (3)

1.一种煤矿不安全行为警示仿真的方法，其特征是：利用任务分解的方法，按照专业、工种和危险源可能造成的事故类型，辨识并提炼人的不安全行为，为可能出现的不同的场景建立仿真模型，利用三维虚拟仿真技术实现煤矿不安全行为的警示，该方法具体如下：

(1)人员不安全行为的辨识，在人员不安全行为的辨识中，安排有丰富工作经验的人员根据工作经验，采用任务分解法，辅以事故树系统安全分析法，考虑正常状态、异常状态、紧急状态三种状态和过去、现在、将来三种时态可能发生的人的不安全行为因素，辨识对煤矿各单元或各系统的工作活动和任务中人方面的危害因素，并分析各不安全因素可能造成的后果和事故类型；

(2)提炼高风险不安全行为，并确定风险级，具体步骤如下：

1)确定不安全行为可能引发的事故在一定时间内发生的可能性，即概率的大小，需要根据以往事故统计或经验来模糊判断；

2)估计一旦事故发生，可能造成损失的严重程度，对“可能造成的损失”的确定需要建立的假设的基础之上，即假设在事故实际发生的情况下，估计会造成什么样的损失；事故发生后可能造成的后果是多个，按照风险管理的要求，取各种后果中最为严重的一个来确定“可能造成的损失”；

3)根据事故发生的可能性及损失的严重程度估计总期望损失的大小，计算公式为：风险值＝可能性×损失；再根据风险值确定风险等级，主要参考风险矩阵及风险等级划分表；

4)根据风险等级和风险类型，选择各事故类型中风险等级较高的人员不安全行为；

(3)根据现有的操作规程、岗位规范、煤矿安全规程制度文件，制定针对不安全行为对应的操作规范，实现正反两方面的对照分析，基于典型事故分析与正反对照的煤矿高风险不安全行为制定人员不安全行为的操作规范；

对三维动画进行规划与设计，将仿真系统中需要的及可能出现的各个要素、各个场景设计出来，具体如下：

(1)为了创建真实感的井下虚拟环境，分析煤矿井下生产系统中所具有的各种物体和设备设施，包括静态物体和动态物体；

(2)对井下巷道进行建模，具体步骤如下：

1)确定一条轨迹线和一条轮廓线；

2)沿轨迹线移动轮廓线，形成几何模型造型；

3)采用frenet标架、二次可导的轨迹线以及网格(mesh)表达方式，将造型体视作整张连续的曲而对其作统一处理；

(3)对井下设备进行建模，设计内容主要包括角色的外形设计与动作设计、机器造型；设计要求包括标准造型、结构图、比例图将不安全行为在一定的场景下通过角色的典型动作设计附以文字说明来实现；设计中采用三维建模、模型渲染、交互动作设计和系统整合技术方案，对井下各种设备、巷道、采煤工作面及虚拟矿工进行三维建模，能够真实的模拟井下的情况和工作环境；

(4)对煤矿生产工艺进行仿真，参照《煤矿安全规程》、《作业规程》、《操作规程》三大规程的内容并结合前期对煤矿不安全行为辨识和评估的内容和结果拟定仿真方案，方案文字表述要视觉化，即方案所描述的内容可以用画面来表现。

2.根据权利要求1所述的煤矿不安全行为警示仿真的方法，其特征在于：以井下虚拟环境及设备的设计图纸为基础，通过3D MAX构建基本模型，其步骤如下：

(1)虚拟人建模，通过对人体运动结构的分析，基于人体骨架模型，进行非均匀有理B样条曲面的外形建模，结合构造实体几何法(CSG)创建整个人体几何模型；外形建模由多个曲面和三角形组成，在外形的关节处进行曲面的细分，便于表现人体运动产生的皮肤拉伸和挤压的效果；人体骨骼采用正向运动和反向运动学进行人体运动模拟，最后采用蒙皮技术把人体骨骼和外形服装链接起来；

(2)设备建模，用多边形建模对井下设备建模，对于外形简单、规则的设备，先从设备的多个角度拍摄照片，用图像处理软件制作出材质贴图，贴在简易的模型的外表面；对于复杂的模型，先做机械装置的精模，然后在精模的基础上在派生出一个简模，在构建大场景中远景采用简模，近景则使用精模，以此来解决大场面制作的数据瓶颈问题；

(3)巷道建模，巷道建模应根据矿井地图、采掘工程图、巷道照片数字化建模，以便表现矿井巷道的整个概貌，要建立一个真实感的巷道模型，首先应根据仿真系统的需求，确定该模型的位置和范围，采集巷道区域内的适当比例及多种类型数据，用户可以对具有真实感的巷道模型进行不同方位和角度的实时动态观察。

3.根据权利要求1所述的煤矿不安全行为警示仿真的方法，其特征在于：在模型的基础上进行静态和动态环境仿真，其步骤如下：

(1)静态环境仿真，首先是工作面和巷道的制作，根据巷道的尺寸参数和液压支架、采煤机设备外观尺寸来构造巷道和工作面；然后把这些设备及装置按照尺寸布置到工作面及巷道中，将液压电缆、导线连接上，再加一些护网、吊挂附属装备；

(2)动态环境仿真，为了使虚拟的井下工作环境更真实，使镜头的表现更具有视觉冲击效果，除了静态环境的仿真外，还必须进行动态仿真；所述动态仿真用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。