煤礦不安全行為警示仿真的方法
2023-10-23 00:07:17
煤礦不安全行為警示仿真的方法
【專利摘要】一種利用三維虛擬仿真技術實現煤礦不安全行為警示的方法，包括以下步驟：1.對煤礦中常見的不安全行為進行辨識和後果評估；2.對三維動畫進行規劃與設計，設計仿真系統中需要的可能出現的各個要素、場景；3.構建基本模型；4.靜態和動態仿真；5.對虛擬仿真動畫進行後期合成，形成一個完整的煤礦不安全行為虛擬仿真系統。在建立虛擬場景中，以三維動畫形式形象、直觀地表現出來，提高井下工人的安全意識，提高煤礦安全培訓的質量。
【專利說明】煤礦不安全行為警示仿真的方法
【技術領域】
[0001]本發明提出了一種煤礦不安全行為管控的新方法，特別是一種煤礦不安全行為警示仿真的方法。
【背景技術】
[0002]國內外煤礦歷史事故案例統計分析表明，人的不安全行為是導致事故發生的主要原因。由於井下工人安全意識不高，不良安全習慣是導致一切事故的共性原因。培訓教育是防止煤礦不安全行為發生的主要手段之一，然而，傳統的煤礦安全培訓教育內容枯燥，形式呆板，而且現有的視頻影音培訓資料大都是規章制度的宣傳和應知應會內容的示範和指弓丨，並不能很好的避免不安全行為的發生，不能有效地提高安全意識。
[0003]運用3D仿真技術，匯集採礦工程、安全科學與技術、虛擬實境技術、現代仿真技術、計算機科學、三維造型技術、可視化技術等，建立煤礦的生產操作虛擬環境，將不可見的地下的一些安全行為操作和一些不安全行為操作及其造成後果展現出來，即以虛擬實境形式形象、直觀地表現出來，以新的技術手段和模式強化礦工的安全意識，客服不良習慣，促進安全生產。通過動畫的方式來模擬不安全行為帶來的事故，尤其是歷史上發生的安全事故，是安全培訓的發展趨勢之一。將違反的規定利用解說字幕的形式出現在電視或其他顯示終端上，讓煤礦工人知道就是因為操作者沒有按照這些規定去做，才釀成了事故的發生。通過這些有血、有肉、有聲、有色並帶有藝術語言的動畫電視畫面，使煤礦員工在心靈深處受到震撼，並清楚地知道違章作業帶來的嚴重後果，從而達到學習《安全規程》、遵章作業、避免事故的發生，實現安全生產。
【發明內容】
[0004]技術問題，本發明的目的是提供一種煤礦不安全行為警示仿真的方法，通過運用3D仿真技術，匯集採礦、安全、虛擬實境等技術等信息技術手段，建立煤礦的生產操作虛擬環境，以三維動畫形式將常見的不安全行為操作及其造成後果形象、直觀地表現出來，從而達到強化井下工人的安全意識，促進安全生產的目的。
[0005]技術方案，本發明的目的是這樣實現的:採用工作任務分解法與事故樹等安全分析法，辨識操作人員的不安全行為，並利用風險矩陣法提煉出高風險的不安全行為，根據現有的安全規章制定不安全行為對應的操作規範，設計模擬歷史事故發生的過程與場景，建立仿真場景中可能用到3D模型，將之前所做的動畫片段、聲音等素材，按照方案設計順序，通過After Effects(AE)後期合成軟體的編輯，加入不同的場景特效以及文字說明，最終生成動畫影視文件；該方法實現的步驟如下:
[0006](I)人員不安全行為的辨識。在人員不安全行為的辨識中，安排有豐富工作經驗的人員根據工作經驗，採用任務分解法，輔以事故樹等系統安全分析法，考慮正常狀態、異常狀態、緊急狀態三種狀態和過去、現在、將來三種時態可能發生的人的不安全行為因素，辨識對煤礦各單元或各系統的工作活動和任務中人方面的危害因素，並分析各不安全因素可能造成的後果和事故類型。
[0007](2)提煉高風險不安全行為，並確定風險等級，具體步驟如下:
[0008]I)確定事故在一定時間內發生的可能性，即概率的大小，需要根據以往事故統計或經驗來模糊判斷；
[0009]2)估計一旦事故發生，可能造成損失的嚴重程度。對「可能造成的損失」的確定需要建立的假設的基礎之上，即假設在事故實際發生的情況下，估計會造成什麼樣的損失。事故發生後可能造成的後果是多個，按照風險管理的要求，取各種後果中最為嚴重的一個來確定「可能造成的損失」;
[0010]3)根據事故發生的可能性及損失的嚴重程度估計總期望損失的大小，計算公式為:風險值=可能性X損失；再根據風險值確定風險等級，主要參考風險矩陣及風險等級劃分表；
[0011]4)根據風險等級和風險類型，選擇各事故類型中風險等級較高的人員不安全行為。
[0012](3)制定對應的操作規範。根據現有的操作規程、崗位規範等制度文件，制定針對不安全行為對應的操作規範，實現正反兩方面的對照分析，基於典型事故分析與正反對照的煤礦高風險不安全行為制定人員不安全行為的操作規範；
[0013](4)對三維動畫進行規劃與設計，對仿真系統中需要的及可能出現的各個要素、各個場景進行仿真。
[0014]I)為了創建真實感的井下虛擬環境，分析煤礦井下生產系統中所具有的各種物體和設備設施，包括靜態物體和動態物體。
[0015]2)對井下巷道進行建模。具體步驟如下:
[0016]①確定一條軌跡線和和一條輪廓線；
[0017]②沿軌跡線移動輪廓線，形成幾何模型造型；
[0018]③採用frenet標架、二次可導的軌跡線以及網格(mesh)表達方式，將造型體視作整張連續的曲而對其作統一處理。
[0019]3)對井下設備進行建模。設計內容主要包括角色的外形設計與動作設計、機器造型等；設計要求包括標準造型、結構圖、比例圖等，將不安全行為在一定的場景下通過角色的典型動作設計附以文字說明來實現；設計中將採用三維建模、模型渲染、交互動作設計和系統整合等技術方案，對井下各種設備、巷道、採煤工作面及虛擬礦工進行三維建模，能夠真實的模擬井下的情況和工作環境。
[0020]4)對煤礦生產工藝進行仿真。參照《煤礦安全規程》、《作業規程》、《操作規程》三大規程的內容並結合前期對煤礦不安全行為辨識和評估的內容和結果擬定仿真方案，方案文字表述要視覺化，即把方案所描述的內容用畫面來表現。
[0021](5)根據前期設計，在計算機中通過3d max軟體製作出動畫片段，通過建模、材質、燈光、動畫、攝影機控制、渲染等技術流程，進行基本模型的構建和環境仿真，其步驟包括:
[0022]I)靜態環境仿真。首先是工作面和巷道的製作，根據巷道的尺寸參數和液壓支架、採煤機等設備外觀尺寸來構造巷道和工作面。然後把這些設備及裝置按照尺寸布置到工作面及巷道中，將液壓電纜、導線等連接上，再加一些護網、吊掛等附屬裝備。[0023]2)動態環境仿真。為了使虛擬的井下工作環境更真實，使鏡頭的表現更具有視覺衝擊效果，除了靜態環境的仿真外，還必須進行動態仿真。例如瓦斯爆炸、透水、觸電等事故，該警示仿真用Bullfrog環境特效編輯器進行編輯。
[0024](6)運用計算機虛擬仿真技術建立一個完整的煤礦不安全行為警示仿真系統，從入井巷道到各個生產工作面均由計算機系統虛擬仿真出來，比如人在巷道裡行走時可以身臨其境地看到巷道裡的支護形式、電纜、水溝、機電設備及各種管道等設施，同時系統採用多媒體技術對相關的場景設備和安全操作規範等給予文字、語音、視頻、動畫等加以提示和說明。系統可模擬煤礦一些不安全操作造成的後果，並直觀的顯示到下井人員面前。將虛擬仿真動畫進行後期合成，通過AE後期合成軟體實現系統的交互性。AE合成軟體可以將3D模型、2D圖形或是聲音文件格式整合到一起，生成動畫影視文件，形成一個完整的煤礦虛擬仿真培訓系統。
[0025]為了使虛擬的井下工作環境更真實，使鏡頭的表現更具有視覺衝擊效果，除了上面提到的靜態環境的仿真外，必須進行動態仿真。例如瓦斯爆炸、透水、觸電等事故，本仿真系統用Bullfrog環境特效編輯器進行編輯。
[0026]照明技術是三維虛擬仿真技術的重中之重，本仿真系統採用全局光照明技術，提高光斑特效的表現範圍，如光斑、電弧等。採用體積光技術，表現諸如井下工人頭燈、機械裝置的照明設備對環境的影響。運用了光能傳遞和光線追蹤技術。
[0027]有益效果:以新的培訓手段和模式強化煤礦職工安全意識，通過虛擬仿真和三維動畫的方式來模擬煤礦不安全行為帶來的事故後果，運用三維仿真技術建立完整的煤礦安全虛擬培訓系統，採用三維仿真技術模擬井下真實的採礦環境，逼真的顯示各類不安全行為導致的事故的現場，使礦工能夠在心靈深處受到震撼，達到客服「思想隱患」、減少三違的目的，從而降低煤礦事故，實現安全生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1煤礦不安全行為警示仿真場景組成。
[0029]圖2煤礦不安全行為警示仿真技術實現方法流程。
[0030]圖3基於典型事故分析與正反對照的煤礦高風險不安全行為操作規範製作流程圖。
【具體實施方式】
[0031]利用三維虛擬仿真技術實現煤礦不安全行為的警示，以新的技術手段和模式強化礦工的安全意識。基於煤礦三大規程，利用工作任務分解等方法對煤礦常見的不安全行為進行辨識和後果評估，並基於辨識和評估的不安全行為分別進行對應的建模、仿真和動畫合成等多環節的研發製作，研發出包含採掘機運通各個環節主要不安全行為的煤礦安全虛擬警示系統，將煤礦常發生的不安全行為操作及其造成後果，在建立的虛擬場景中，以三維動畫形式形象、直觀地表現出來，達到強化安全意識，提高培訓質量，減少煤礦安全事故的目的。
[0032]針對我國煤礦培訓的現行情況，利用三維虛擬仿真技術實現煤礦不安全行為的警示，以新的技術手段和模式強化礦工的安全意識，減少不安全行為的發生。基於煤礦安全規程、作業規程和操作規程，利用工作任務分解等方法，按照專業、工種和危險源等造成的事故類型，對煤礦常見的不安全行為進行辨識和後果評估，基於上述行為的正確做法和錯誤做法兩個方面，結合煤礦歷史上發生的典型事故案例，分別進行對應的實物拍攝、場景設計、建模(環境、設備、人)、材質貼圖、燈光設計、動態仿真及後期合成等多環節的研發製作，研發出包含採掘機運通各個環節主要不安全行為的煤礦安全虛擬警示系統，將煤礦常發生的不安全行為操作及其造成後果，在建立的虛擬場景中，以三維動畫形式形象、直觀地表現出來，達到強化安全意識，提高培訓質量，減少煤礦安全事故的目的。
[0033]該方法通過最新的工作任務分解法，輔以事故樹等系統安全分析法，參照《煤礦安全規程》、《作業規程》、《操作規程》分別考慮到不安全行為的三個時態與狀態，辨識了人員的不安全行為；利用風險矩陣法，提煉出不安全行為中具有高風險的部分行為；結合前期對煤礦不安全行為辨識和評估的內容和結果擬定仿真方案，進行3D建模與動畫開發，製作流程包括井下巷道建模、設備建模、三違人物建模、生產工藝仿真；將虛擬仿真動畫進行後期合成，形成一個完整的煤礦虛擬仿真培訓系統，實現以虛擬實境形式形象、直觀地將不安全行為表現出來，以新的技術手段和模式強化礦工的安全意識，克服不良習慣，促進安全生產，該方法實現的步驟如下:
[0034](I)人員不安全行為的辨識。在人員不安全行為的辨識中，安排有豐富工作經驗的人員根據工作經驗，採用任務分解法，輔以事故樹等系統安全分析法，考慮正常狀態、異常狀態、緊急狀態三種狀態和過去、現在、將來三種時態可能發生的人的不安全行為因素，辨識對煤礦各單元或各系統的工作活動和任務中人方面的危害因素，並分析各不安全因素可能造成的後果和事故類型。
[0035](2)提煉高風險不安全行為，並確定風險等級，具體步驟如下:
[0036]I)確定事故在一定時間內發生的可能性，即概率的大小，需要根據以往事故統計或經驗來模糊判斷；
[0037]2)估計一旦事故發生，可能造成損失的嚴重程度。對「可能造成的損失」的確定需要建立的假設的基礎之上，即假設在事故實際發生的情況下，估計會造成什麼樣的損失。事故發生後可能造成的後果是多個，按照風險管理的要求，取各種後果中最為嚴重的一個來確定「可能造成的損失」;
[0038]3)根據事故發生的可能性及損失的嚴重程度估計總期望損失的大小，計算公式為:風險值=可能性X損失；再根據風險值確定風險等級，主要參考風險矩陣及風險等級劃分表；
[0039]4)根據風險等級和風險類型，選擇各事故類型中風險等級較高的人員不安全行為。
[0040](3)制定對應的操作規範。根據現有的操作規程、崗位規範等制度文件，制定針對不安全行為對應的操作規範，實現正反兩方面的對照分析，基於典型事故分析與正反對照的煤礦高風險不安全行為制定人員不安全行為的操作規範；
[0041](4)對三維動畫進行規劃與設計，對仿真系統中需要的及可能出現的各個要素、各個場景進行仿真。
[0042]I)為了創建真實感的井下虛擬環境，分析煤礦井下生產系統中所具有的各種物體和設備設施，包括靜態物體和動態物體。[0043]2)對井下巷道進行建模。具體步驟如下:
[0044]①確定一條軌跡線和和一條輪廓線；
[0045]②沿軌跡線移動輪廓線，形成幾何模型造型；
[0046]③採用frenet標架、二次可導的軌跡線以及網格(mesh)表達方式，將造型體視作整張連續的曲而對其作統一處理。
[0047]3)對井下設備進行建模。設計內容主要包括角色的外形設計與動作設計、機器造型等；設計要求包括標準造型、結構圖、比例圖等，將不安全行為在一定的場景下通過角色的典型動作設計附以文字說明來實現；設計中將採用三維建模、模型渲染、交互動作設計和系統整合等技術方案，對井下各種設備、巷道、採煤工作面及虛擬礦工進行三維建模，能夠真實的模擬井下的情況和工作環境。
[0048]4)對煤礦生產工藝進行仿真。參照《煤礦安全規程》、《作業規程》、《操作規程》三大規程的內容並結合前期對煤礦不安全行為辨識和評估的內容和結果擬定仿真方案，方案文字表述要視覺化，即把方案所描述的內容用畫面來表現。
[0049](5)根據前期設計，在計算機中通過3d max軟體製作出動畫片段，通過建模、材質、燈光、動畫、攝影機控制、渲染等技術流程，進行基本模型的構建和環境仿真，其步驟包括:
[0050]I)靜態環境仿真。首先是工作面和巷道的製作，根據巷道的尺寸參數和液壓支架、採煤機等設備外觀尺寸來構造巷道和工作面。然後把這些設備及裝置按照尺寸布置到工作面及巷道中，將液壓電纜、導線等連接上，再加一些護網、吊掛等附屬裝備。
[0051]2)動態環境仿真。為了使虛擬的井下工作環境更真實，使鏡頭的表現更具有視覺衝擊效果，除了靜態環境的仿真外，還必須進行動態仿真。例如瓦斯爆炸、透水、觸電等事故，該警示仿真用Bullfrog環境特效編輯器進行編輯。
[0052](6)運用計算機虛擬仿真技術建立一個完整的煤礦不安全行為警示仿真系統，從入井巷道到各個生產工作面均由計算機系統虛擬仿真出來，比如人在巷道裡行走時可以身臨其境地看到巷道裡的支護形式、電纜、水溝、機電設備及各種管道等設施，同時系統採用多媒體技術對相關的場景設備和安全操作規範等給予文字、語音、視頻、動畫等加以提示和說明。系統可模擬煤礦一些不安全操作造成的後果，並直觀的顯示到下井人員面前。將虛擬仿真動畫進行後期合成，通過AE後期合成軟體實現系統的交互性。AE合成軟體可以將3D模型、2D圖形或是聲音文件格式整合到一起，生成動畫影視文件，形成一個完整的煤礦虛擬仿真培訓系統。
【權利要求】
1.一種煤礦不安全行為警示仿真的方法，其特徵是:利用任務分解的方法，按照專業、工種和危險源可能造成的事故類型，辨識並提煉人的不安全行為，為可能出現的不同的場景建立仿真模型，利用三維虛擬仿真技術實現煤礦不安全行為的警示，該方法具體如下: (1)人員不安全行為的辨識，在人員不安全行為的辨識中，安排有豐富工作經驗的人員根據工作經驗，採用任務分解法，輔以事故樹等系統安全分析法，考慮正常狀態、異常狀態、緊急狀態三種狀態和過去、現在、將來三種時態可能發生的人的不安全行為因素，辨識對煤礦各單元或各系統的工作活動和任務中人方面的危害因素，並分析各不安全因素可能造成的後果和事故類型； (2)提煉高風險不安全行為，並確定風險等級，具體步驟如下: 1)確定不安全行為可能引發的事故在一定時間內發生的可能性，即概率的大小，需要根據以往事故統計或經驗來模糊判斷； 2)估計一旦事故發生，可能造成損失的嚴重程度，對「可能造成的損失」的確定需要建立的假設的基礎之上，即假設在事故實際發生的情況下，估計會造成什麼樣的損失。事故發生後可能造成的後果是多個，按照風險管理的要求，取各種後果中最為嚴重的一個來確定「可能造成的損失」； 3)根據事故發生的可能性及損失的嚴重程度估計總期望損失的大小，計算公式為:風險值=可能性X損失；再根據風險值確定風險等級，主要參考風險矩陣及風險等級劃分表; 4)根據風險等級和風險類型，選擇各事故類型中風險等級較高的人員不安全行為； (3)根據現有的操作規程、崗位規範等制度文件，制定針對不安全行為對應的操作規範，實現正反兩方面的對照分析，基於典型事故分析與正反對照的煤礦高風險不安全行為制定人員不安全行為的操作規範。
2.根據權利要求1所述的煤礦不安全行為警示仿真的方法，其特徵在於:對三維動畫進行規劃與設計，將仿真系統中需要的及可能出現的各個要素、各個場景設計出來，具體如下: (1)為了創建真實感的井下虛擬環境，分析煤礦井下生產系統中所具有的各種物體和設備設施，包括靜態物體和動態物體； (2)對井下巷道進行建模，具體步驟如下: 1)確定一條軌跡線和和一條輪廓線； 2)沿軌跡線移動輪廓線，形成幾何模型造型； 3)採用frenet標架、二次可導的軌跡線以及網格(mesh)表達方式，將造型體視作整張連續的曲而對其作統一處理； (3)對井下設備進行建模，設計內容主要包括角色的外形設計與動作設計、機器造型等；設計要求包括標準造型、結構圖、比例圖等，將不安全行為在一定的場景下通過角色的典型動作設計附以文字說明來實現；設計中採用三維建模、模型渲染、交互動作設計和系統整合等技術方案，對井下各種設備、巷道、採煤工作`面及虛擬礦工進行三維建模，能夠真實的模擬井下的情況和工作環境； (4)對煤礦生產工藝進行仿真，參照《煤礦安全規程》、《作業規程》、《操作規程》三大規程的內容並結合前期對煤礦不安全行為辨識和評估的內容和結果擬定仿真方案，方案文字表述要視覺化，即方案所描述的內容可以用畫面來表現。
3.根據權利要求1所述的煤礦不安全行為警示仿真的方法，其特徵在於:以井下虛擬環境及設備的設計圖紙為基礎，通過3D MAX構建基本模型，其步驟如下: (1)虛擬人建模，通過對人體運動結構的分析，基於人體骨架模型，進行非均勻有理B樣條曲面的外形建模，結合構造實體幾何法(CSG)創建整個人體幾何模型。外形建模由多個曲面和三角形組成，在外形的關節處進行曲面的細分，便於表現人體運動產生的皮膚拉伸和擠壓的效果。人體骨骼採用正向運動和反向運動學進行人體運動模擬，最後採用蒙皮技術把人體骨骼和外形服裝連結起來； (2)設備建模，用多邊形建模對井下設備建模，對於外形簡單、規則的設備，先從設備的多個角度拍攝照片，用圖像處理軟體製作出材質貼圖，貼在簡易的模型的外表面。對於複雜的模型，先做機械裝置的精模，然後在精模的基礎上在派生出一個簡模，在構建大場景中遠景採用簡模，近景則使用精模，以此來解決大場面製作的數據瓶頸問題； (3)巷道建模，巷道建模應根據礦井地圖、採掘工程圖、巷道照片數位化建模，以便表現礦井巷道的整個概貌，要建立一個真實感的巷道模型，首先應根據仿真系統的需求，確定該模型的位置和範圍，採集該區域內的適當比例及多種類型數據，用戶可以對具有真實感的巷道模型進行不同方位和角度的實時動態觀察。
4.根據權利要求1所述的煤礦不安全行為警示仿真的方法，其特徵在於:在模型的基礎上進行靜態和動態環境仿真，其步驟如下: (1)靜態環境仿真，首先是工作面和巷道的製作，根據巷道的尺寸參數和液壓支架、採煤機等設備外觀尺寸來構造巷道和工作面。然後把這些設備及裝置按照尺寸布置到工作面及巷道中，將液壓電纜、導線等連接上，再加一些護網、吊掛等附屬裝備； (2)動態環境仿真，為了使虛擬的井下工作環境更真實，使鏡頭的表現更具有視覺衝擊效果，除了靜態環境的仿真外，還必須進行動態仿真。例如瓦斯爆炸、透水、觸電等事故，該警示仿真用Bullfrog環境特效編輯器進行編輯。
【文檔編號】G06F17/50GK103886132SQ201410064655
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2014年2月21日
【發明者】徐珊珊 申請人:江蘇比特達信息技術有限公司, 徐珊珊