根据应急管理部2017年全国非煤矿山生产安全事故统计分析报告，按十类事故类型统计，全国非煤矿山发生冒顶坍塌事故起数和死亡人数均居第一位，且全国非煤矿山近30%的伤亡事故与冒顶片帮事故有关（国家安全生产监督管理总局，2018）。当矿山现场贯通爆破时，爆炸产生的冲击波会使巷道掘进方向的岩块产生松动，进而导致巷道支撑设备的变形（Liu et al.，2019）。此外，岩爆和地应力变化等过程都可能产生隐患岩块，对巷道整体安全造成威胁（莫超等，2020）。这些因素使得矿山冒顶片帮事故难以预防，一旦发生事故后果极为严重（陈建宏等，2017；黄发凯等，2019）。由此可见，提高受训者对隐患岩块的辨识能力十分重要，如何高效率进行矿山冒顶片帮培训成为行业亟需解决的问题。

虚拟现实是一种综合计算机图形技术，具有仿真性和沉浸性等特点（刘雄等，2018）。利用Unity3D集成建模的高仿真虚拟环境，可以让体验人员产生身临其境的效果，高效激发体验人员的参与热情（Shiva et al.，2018），从而使参与者获得传统培训环境难以达到的培训效果。当前，虚拟现实工作在矿山培训和矿山消防教育等行业不断推进（Cao et al.，2019）。王靖等（2019）基于Unity3D设计了虚拟矿山漫游系统并制定了矿山灾害逃生计划。Sayali et al.（2020）采用VR培训解决混凝土行业的主要安全问题，进一步分析其培训有效性。侯建明等（2018）开发了矿山事故救援系统框架并用于矿山灾害动态模拟。Andrzej et al.（2015）使用虚拟现实技术让矿工在安全可控的环境中进行采矿模拟工作，并采用心理测量对用户行为进行量表解释。黄小燕等（2020）基于VR技术在矿山开展安全防范意识和操作规范等方面的培训。在这些VR教育研究中，多数项目都是基于UI文字对受训者开展培训教学（Suh，2014；Roupe et al.，2014），然而UI文字培训教学不能显著改善学习性能（Sun et al.，2017）。

为了提高矿山培训的效率，基于Unity3D、3DMax和Visual Studio 2019软件开发了拥有虚拟教练的矿山冒顶片帮事故教学培训平台，并将虚拟教练培训和传统UI文字培训的效果进行对比分析，对VR虚拟教练培训平台的效果进行了评估。

结合地下矿山工程环境，利用3DMax建模软件和Unity3D引擎开发矿山模型。3DMax建模软件可以构建基本的几何模型并将其导入Unity3D引擎（张二洋等，2017），而Unity 3D引擎具有高效的开发环境以及丰富的API功能，可以进一步对模型进行烘焙渲染，通过Unity3D平台为虚拟对象添加物理组件和脚本，最终实现物理模拟（谢嘉成等，2019）。模型效果如图1所示。

巷道模型根据真实矿山布局完成。利用3DMax的多边形建模功能对巷道进行建模，然后将巷道模型导入Unity3D引擎，再利用Unity3D引擎的渲染管线渲染逼真的虚拟环境，最后为模型中多个对象添加物理组件和脚本，使巷道模型更加逼真。

虚拟教练在培训场景中扮演重要角色，受训者需要借助虚拟教练的语音对话和教学动作完成冒顶片帮事故教学培训。虚拟教练模型的制作过程与矿山模型的制作过程基本一致，但虚拟教练模型制成后需要为其赋予骨骼模型，通过运用3DMax的IK反向动力学系统不断调节虚拟教练的骨骼蒙皮权重，从而为虚拟教练制作多种教学培训动作。这些教学动作可以划分为2大类：一类是主动式教学动画，如在教学过程中使用教学手势或眼神引导，使受训者保持对当前培训内容的注意力；另一类是被动反馈式教学动画，如受训者完成阶段性培训任务后，虚拟教练将对受训者的精彩表现做出鼓励性动作反馈。

在完成虚拟教练模型的动画制作后，使用Unity 3D引擎的有限状态机整合这些动画模型，并通过C#脚本优化动画的过渡关系，最终使虚拟教练的培训动作自然协调。

虚拟巷道内的岩块坠落、粉尘和烟气弥漫等特效建模由Unity3D内置的粒子系统完成。以粉尘特效为例，首先创建普通材质，赋予材质粉尘状贴图，调节各项参数，使粉尘弥漫帧向周围环境平滑过渡。然后调节粉尘粒子的喷射区域、喷射角度及弥漫速率，给粉尘材质添加高亮贴图，不断调节粉尘弥漫生命周期内的曲线以优化粉尘外形。最后对粉尘进行渲染，营造灾害发生时岩块坠落、粉尘弥漫的紧张氛围。

基于VR技术的矿山冒顶片帮事故教学培训应用平台主要用于对非煤矿山员工进行冒顶片帮事故培训。该培训平台包括预培训、隐患岩块识别培训和灾害现场逃生培训3个模块。预培训模块主要帮助受训者熟悉应用平台的基本信息，通过试题考核和多媒体展示的方式提高受训者对矿山的认知水平；隐患岩块识别培训模块采用虚拟教练进行示范性教学，指导受训者识别和清理隐患岩块，使受训者形成避免在隐患岩块下行走的意识；灾害现场逃生培训模块通过还原冒顶片帮事故现场，使受训者可以在该模块中接受虚拟教练的逃生技能培训，提升自身的灾害逃生能力。

受训者在接受虚拟教练教学培训的同时，可以在虚拟矿山环境中自由探索。当受训者接受培训时，应用平台会自动记录受训者的培训数据。受训者可以通过分析这些培训数据，获知自身在预防冒顶片帮事故方面的薄弱之处，从而在下一轮培训时进行针对性学习。应用平台的整体架构设计见表1，运行路线如图2所示。

预培训模块用于矿山内容的初步教学，该模块旨在帮助受训者熟悉应用平台，提高受训者对矿山的认知水平。受训者可以在模块注册界面注册账号，填写个人信息。如果受训者在使用过程中出现客户端卡顿、忘记密码等问题，可以联系后台管理人员协助解决（万鑫，2017；王鹏，2020）。

预培训模块的矿山安全专项题库储存有大量矿山安全管理与技术方面的试题，通过在题库中随机抽取试题的方式对受训者进行考核，提高受训者对矿山的认知水平（陈志鼎等，2020）。题库知识点可划分为矿山日常巡检、矿山顶板状态辨识和矿山事故应急3个模块。当受训者完成所有题目并提交后，应用平台会自动判断答案是否正确，显示考核总分并对错题进行解析。只有受训者考核总分超过80分，应用平台才会加载培训内容场景。此外，应用平台还向受训者提供训练总用时记录、受训者学习进度预览和薄弱知识点分析等多样化功能。

隐患岩块识别培训模块设计有众多隐患岩块迹象供受训者进行排查训练，如顶板金属网格凸起和锚杆松动等情况（图3）。模块采用虚拟教练进行示范性教学，指导受训者识别和清理隐患岩块，提高受训者对隐患岩块的辨识能力。

受训者需要在Steam平台中使用HTC VIVE设备完成本模块培训。Steam VR平台的360°房型空间具有虚拟现实体验功能，通过使用C#脚本作为手柄控制器并添加自定义代码即可实现物理模拟。HTC VIVE设备包括头戴式显示器、VIVE定位器和VIVE操控手柄（王辞晓等，2017）。头戴式显示器通过Steam-VR API连接到游戏，可视化虚拟场景将同时显示在VR耳机和显示器屏幕上；VIVE定位器可以捕捉受训者的身体动作以及空间位置，实现真实人物与虚拟环境人物的无线同步；VIVE操控手柄具有真实的触觉反馈功能。受训者可以通过长按手柄上方圆形触碰板发射激光抛物线，若射线指向点为可传送区域，受训者将被传送至该区域。当受训者需要拾取虚拟环境中的物体时，受训者可以使用手柄靠近物体，此时手柄变为虚拟的手，受训者扣动手柄扳机即可实现手的抓取动作。

受训者进入本模块的培训场景后，虚拟教练将向受训者介绍本次培训内容，鼓励受训者率先使用HTC VIVE设备自由探索。受训者在得到虚拟教练授权后，可以使用VIVE操控手柄在矿山场景中移动探索，观察矿山模型，与井下设备自由互动。当受训者能够熟练使用VIVE操控手柄后，虚拟教练将要求受训者在众多设备中挑选出必要的矿下劳保用品，包括工作服、工作鞋、安全帽和矿灯等。当受训者出现操作错误时，虚拟教练将为受训者演示如何正确穿戴和使用这些劳保用品。在受训者正确佩戴好劳保用品后，虚拟教练将带着受训者向采矿现场出发。

当受训者正式进入井下采矿作业面后，虚拟教练将指导受训者辨识隐患岩块。受训者此时需要不断走动观察，通过头戴式显示器显示的内容仔细检查整个区域，初步识别出肉眼可见的松动岩块或任何发生巷道支撑结构移位的迹象。虚拟教练将全程观察受训者的动作是否符合规范。当受训者未及时发现隐患岩块时，虚拟教练将为受训者示范寻找隐患岩块的方法。当受训者成功找到隐患岩块后，虚拟教练将演示如何使用撬毛杆清理隐患岩块。清理隐患岩块的核心步骤如下：

（1）确认自身与隐患岩块间的距离，选择适合长度的撬毛杆。防止岩块落下后对自身造成伤害。

（2）使用撬毛杆敲击岩块。结构稳定的岩块被敲击时会发出沉闷的响声，而松散岩块被敲击时会发出清脆的声音。

（3）使用撬毛杆清理岩块。按照从外向内的顺序，调整撬毛杆角度施力于岩块，将顶板及两帮危岩清理干净。

当虚拟教练演示完毕后，受训者应模仿虚拟教练的操作，判断自身所处位置与岩块下坠位置的距离，在保证自身安全的情况下，扣动VIVE手柄的扳机拾取撬毛杆。

当受训者操控撬毛杆碰到松动岩块时，将触发碰撞检测并导致手柄振动，此时受训者可以按下手柄的扳机给岩块持续施加外力，所施加的外力值与按压持续时间成正比，此时手柄的振幅将逐渐增加，当外力值增加到一定程度破坏了岩块平衡状态时，岩块将坠落到地面。

在培训过程中，当受训者清理岩块的进度较为缓慢时，虚拟教练将提示受训者下一步骤应当如何进行，并为受训者详细介绍每个步骤的操作原理和操作细则。

当受训者成功清理所有预制的隐患岩块时，虚拟教练将会称赞受训者表现优异，并鼓励受训者再次参与培训以巩固所学知识。

灾害现场逃生培训模块中存在众多顶板比较破碎的工作面，受训者需要利用在隐患岩块识别培训模块中学习到的知识来清理隐患岩块，降低冒顶灾害的危害程度，并在虚拟教练指导下观测冒顶事故预兆，在灾害发生时跟随虚拟教练学习逃生技巧，找到通往避难硐室的安全逃生路线。灾害现场逃生流程如图4所示。

进入灾害现场逃生培训模块后，虚拟教练向受训者介绍此阶段的培训任务，鼓励受训者按照之前所学的知识清理隐患岩块。受训者此时应当不断走动观察，仔细检查巷道顶板各个位置是否存在如支架变形和顶板破碎等安全隐患。当受训者发现隐患岩块位置后，应操控VIVE手柄，利用清理工具由外向内清理巷道隐患岩块。由于场景中存在的众多隐患岩块在短时间内难以被清理干净，因此受训者在清理时必定会出现如顶板岩块下沉、岩块破裂等事故预兆。此时虚拟教练将提醒受训者注意观察这些事故预兆，并为受训者介绍这些现象的发生机制，提醒受训者做好撤离准备。一段时间后岩块破碎加剧，巷道四周传来剧烈的顶板撞击声，冒顶灾害正式发生。受训者此时需要在虚拟教练的指导下选择下蹲或匍匐前行等必要逃生姿势前行，争取在最短时间内沿着安全路径通往安全区域，如图5所示。

当受训者中途被落石击中，或者被积岩困住导致自身在指定时间内不能到达井下避难硐室时，受训者将迎来死亡动画，之后受训者将再次参加培训直到逃生成功。当受训者成功逃离灾害区域时，应用平台将自动记录受训者逃离时间，受训者可选择退出或再次体验。

为评估在矿山冒顶片帮VR培训中虚拟教练的教学效果，分别采用虚拟教练和UI文字2种培训方式对受训者进行事故教学培训，如图6所示。在培训结束后，组织受训者参加无任何指导的灾害现场逃生测试，通过统计受训者逃生用时，对比分析虚拟教练和传统UI文字的培训效果。

本次试验招募了40名年龄在20~30岁之间的志愿者参与评估试验，所有志愿者均无矿山工作经历，试验在虚拟仿真实验室进行。试验之前先向志愿者讲解HTC VIVE设备的使用方法，确保志愿者能够熟练使用HTC VIVE设备，然后再安排志愿者统一接受矿山预培训模块训练。

在完成预培训模块之后，将40名志愿者分为2组，第一组志愿者接受采用虚拟教练培训的培训模块，第二组志愿者接受采用UI文字指导的培训模块，2个模块的培训内容保持一致。

在培训结束后，组织2组受训者进行无任何指导的灾害现场逃生测试，统计了所有受训者逃生用时。评估试验现场如图7所示。

为综合比较虚拟教练培训与UI文字培训效果的差异性，一周后再次邀请2组受训者参加同样内容的逃生测试。

在第一次测试中，接受虚拟教练培训的受训者逃生测试平均用时为192.9 s，而接受UI文字培训的受训者逃生测试平均用时为238.1 s，较前者多用时45.2 s。在一周后的测试中，接受虚拟教练培训的受训者平均逃生测试用时为224.7 s，而接受UI文字培训的受训者平均逃生测试用时为290.9 s（较前者多用时66.2 s），与第一次测试相比，2组受训者测试用时同比分别增加16.5%和22.2%。

此外，研究分析了不同受训者测试用时的标准差。在第一次测试中，接受虚拟教练培训的受训者测试用时的标准差为4.2，而接受UI文字培训的受训者测试用时的标准差为6.0。在一周后的测试中，接受虚拟教练培训的受训者的测试用时的标准差为9.2，而接受UI文字培训的受训者测试用时的标准差为9.5。显然，接受虚拟教练培训的受训者在矿山培训测试中的表现要优于接受UI文字培训的受训者，经过虚拟教练培训的受训者可以对所学知识保持更长久的记忆力，其培训效率比UI文字教学更高。

测试结束后，对2组受训者进行了采访。多数接受虚拟教练培训的受训者表示虚拟教练演示复杂动作时的操作令人印象深刻，但虚拟教练与受训者的后续互动不够充分，如受训者在自行尝试使用VR教具（如撬毛杆）时，虚拟教练不会对受训者出现的错误动作立即纠正，这使得受训者感到虚拟教练不够“真实自然”。此外，虚拟教练在恰当时机对受训者进行指导十分重要，如受训者迫切需要了解某种教具的使用方法时，若虚拟教练能根据培训进度或受训者心理对其进行及时指导，会极大地提高受训者的培训真实感。相反，当受训者沉浸于自行学习VR教具时，若虚拟教练反复催促受训者进入下一环节，则会使受训者出现一定程度的抵触学习心理。此外，根据接受UI文字培训的受训者反馈，当受训者将精力过多地分配到对UI文字的阅读理解时，受训者的VR真实感就会下降，从而影响矿山VR培训体验。

由以上分析可知，在矿山VR培训中，相较于采用UI文字培训，采用虚拟教练培训能更好地引导受训者的注意力，发挥VR平台高沉浸性的优势，营造真人教学的氛围。但研究人员需要提前告知受训者虚拟教练的局限性，避免受训者对其期望过高产生心理落差。

（1）在矿山冒顶片帮VR培训中，相比传统的UI文字培训，采用虚拟教练培训能更好地引导受训者的注意力，提高培训效率。同时，可以根据受训者在培训过程的行为表现，进一步改善虚拟教练的示范性教学。

（2）在矿山冒顶片帮VR培训中，虚拟教练的互动式培训应严格按照受训者的学习进度，或者依据受训者的学习经验进行个性化设计，否则可能会影响受训者学习时的连贯性。此外，在进行设计时应当进一步优化信息的表达方式，重视受训者的沉浸感，同时需要在展开培训前加强受训者对培训手段的认知。

（3）在特定的VR环境中，不同教学培训细节对受训者的影响机制尚不清楚。因此，在今后的研究中，在设计VR教学培训应用时，将基于受训者的学习经验、VR环境偏好和学习特征，探讨在整体环境中，特定因素对受训者培训效率的影响机制。