煤礦安全教育VR體驗館
——VR與安全教育的創新應用實踐

文·圖/北京市安全生產科學技術研究院 李惠

中安華邦（北京）安全生產技術研究院，將傳播安全知識與科技緊密結合，提出“VR+安全”的概念，設計開發了煤礦安全教育VR體驗館產品，為煤礦一線職工提供了體驗式教育培訓解決方案。

從計算機誕生以來，人機交互始終離不開顯示器，然而顯示器展現出來的永遠是一個平面的世界。直到2016年，業界稱其為“VR元年”，消費級VR虛擬現實眼鏡開始進入各行各業，催生了各種VR行業應用。透過VR眼鏡，一個更加直觀的三維空間被呈現出來，這徹底革新了人機交互的方式，徹底改變了各行業利用計算機進行工作學習的方式。

作為站在安全培訓行業前沿的企業，中安華邦（北京）安全生產技術研究院將傳播安全知識與科技緊密結合，提出“VR+安全”的概念，設計開發了煤礦安全教育VR體驗館產品（見圖1）。這一產品的開發為煤礦行業對安全教育的培訓提供了更加智能的方式，為煤礦一線職工提供了體驗式教育培訓解決方案。

關于VR眼鏡

在介紹煤礦安全教育VR體驗館之前，需要先了解其設計時首要考慮的事情，那就是硬件環境。VR眼鏡全稱虛擬現實頭戴顯示器設備，是利用仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術集合的產品，是借助計算機及最新傳感器技術創造的一種嶄新的人機交互手段。理想的狀態是人在虛擬世界中能夠擁有視覺、聽覺、觸覺、體感，甚至嗅覺等感知功能。

一般來說，VR頭顯設備可分為三類：外接式頭顯設備、一體式頭顯設備、移動端頭顯設備。其中，外接式頭顯設備，用戶體驗較好，具備獨立屏幕，產品結構復雜，技術含量較高，不過受著數據線的束縛，自己無法自由活動，如HTC vive、Oculus Rift；一體式頭顯設備，產品偏少，也叫VR一體機，無需借助任何輸入輸出設備就可以在虛擬的世界里盡情感受3D立體感帶來的視覺沖擊；移動端頭顯設備，結構簡單、價格低廉，只要放入手機即可觀看，使用方便，如空之翼VR眼鏡。

雖然VR眼鏡在誕生之初就在用戶體驗上倍受質疑，尤其是移動端頭顯設備，處在VR風口的形勢下，存在大量濫竽充數的“眼鏡盒子”。但是電子產品的市場競爭是激烈和殘酷的，產品迭代速度超乎想象，它就像我們口袋中的手機一樣，在快速新舊交替之間，用戶體驗越來越完善。VR眼鏡硬件的發展方向應該是向著輕量化、移動化方向發展的，會逐步進化出眼球跟蹤、手勢識別、全身體感等功能。

VR交互的本質

交互設計的本質就是交流。這和人類之間的交流方式類似，人類的交流方式有表情、語言、肢體動作等。這些可以看作是人類之間的交互方式，也是人類認為的最自然的交互方式。

VR交互是要實現最自然的人機交互，能夠讓人們感覺不到交互手段的存在。VR交互可以分為三大類：環境、界面、互動。

環境

交互里的第一大類是VR里面的環境。我們會對VR世界感到很好奇，但同時我們的注意力是很難集中的，我們本能上也會有反饋。比如對于煤礦井下環境的新奇感，對事故發生時的恐懼心理，以及本能地做出躲避動作。我們像嬰兒一樣，睜開眼睛的第一天，會很好奇，會被這個奇妙的世界所吸引，對我們來說，最重要的是要去建立一種引導和學習的機制。

圖1 某煤礦安全教育VR體驗系統場景截圖

圖2 VR界面設計角度示意

圖3 VR界面設計層次示意

圖4 VR互動設計中的觀察與移動

在VR的環境中，有兩個重點，第一個是“獲取信任”，第二點是“制造體驗”。獲取信任首先需要讓體驗者舒適，包括佩戴眼鏡的舒適感，三維環境的舒適感，交互的舒適感等等。制造體驗包括利用VR眼鏡獲得的全景體驗，使用手柄能夠達到的交互體驗，環境的真實感等等。

界面

交互里的第二大類是VR里面的界面。VR設計要講角度（見圖2），還要講“層次”（見圖3）。在界面設計時，我們希望用戶能第一時間去捕捉到信息，而且更好地掌握它。

從正前方看，水平77°，上仰20°，俯瞰12°的范圍是最舒適的，同時也要有層次，最主要的物體最好是放置在0.5m范圍之外，0.5～10 m的范圍是3D感最強的區間。

另外就是窗口設計，要注意范圍和精神控制，也要有易讀性，文字夠簡潔，有大圖標。瀏覽設計上，要注意瀏覽的動作，左右比上下更舒適，最好是連續滾動，有連貫性。按鍵設計上，可視范圍大的情況下，需要提升可辨識度，也要有明確的反饋，按鍵與相應窗口的距離也是很重要的。在煤礦VR產品的設計中，為了實現傳播安全知識的目的，需要通過窗口界面展示文字信息。而VR環境中干擾因素太多，在實際的用戶體驗中，往往不會有人耐心仔細閱讀界面的文字內容，而是直接關閉窗口。為了最大限度讓用戶有一個舒適的閱讀體驗，我們遵循設計原則，使用了最簡潔的文字，用大號字。考慮到信息界面會阻擋用戶視野，帶來由于眼球快速對焦造成的不適感，我們的窗口背景設計成透明背景。

最后一點是HUD，傳統的HUD應用在VR中會有不適感，但也不是絕對的，比如宇航員的頭盔上增加數據的顯示，會給你更多的沉浸感，所以要注意夠簡潔，也要學會能隱藏。

互動

交互里的第三大類是VR里面的互動。基于互動可以分成三大類：VR中的觀察與移動、肢體互動、聲音交互。

（1）觀察與移動（見圖4）。沉浸感由淺到深排列，分別是轉椅VR、站姿VR、房間VR。其中有傳送與房間范圍的結合，觀察者不動，場景在移動等等。

（2）肢體互動。肢體互動分為三大類，全身動捕交互、裸手交互、控制器交互。其中控制器交互是目前最穩定，最成熟，也是最輕松的交互方式。基于設備的交互設計一定要注意安全，可以在VR世界中增加邊界，或者是虛擬的障礙物。同時也需要增加依靠物的提示，在體驗時間較長的情況之下，防止體驗者倚靠一些虛擬的支撐物。

圖5 第一類VR產品演示

圖6 第二類VR產品演示

圖7 第三類VR產品演示

其次是要輕松，讓用戶更容易獲得成功，避免長期懸空，省掉中間動作，同時動作放大，更容易拿到東西，節省不必要的時間。最后要自然，比如說射箭游戲，盡量使用自然動作，設定保持統一。

（3）聲音交互。聲音交互有兩個功能，一個是交流，一個是控制。交流包含實時語音、對講機還有語音輸入。控制包含語音識別，比如一些口令等，通過語音來控制交互。

煤礦安全教育VR體驗館

中安華邦煤礦安全教育VR體驗館擁有四大核心功能模塊，分別是VR體驗區、3D游戲區、動態宣教區和主題宣教區，涵蓋知識內容全面，包含200多個煤礦安全宣教科目，可滿足煤礦采、掘、機、運、通等主要基層區隊一線職工的使用需求，也可用于一線職工家屬的安全宣傳教育。建設使用靈活，可以獨立建館（50～70 m2）、組合建館、模塊采購，不同的煤礦企業可以根據自身的實際情況和差異化需求選擇最合適的建設方式。

中安華邦煤礦安全教育VR體驗館共分為3類內容體驗，第一類是井下漫游體驗，第二類是事故預兆體驗，第三類是事故警示體驗。這三種VR體驗恰好體現了VR產品的三種交互設計類型。

第一類井下漫游體驗（見圖5），使用的設備是VR一體機設備，產品定位于給煤礦職工的家屬，新員工入職培訓，及相關專業在校大學生提供井下環境的漫游體驗，以這種安全而又直觀的方式了解井下環境。產品開發了井下運煤系統漫游、井下通風系統漫游。這種類型的VR產品一般不會有太多交互，或者沒有交互，只是通過頭部的轉動，720°觀看周邊環境。

第二類事故預兆體驗（見圖6），是通過外接式頭顯設備表現煤礦井下事故預兆：如冒頂事故預兆、透水事故預兆。產品定位于將書本上、課堂上的典型事故預兆以生動、形象的方式表現出來，并且讓煤礦職工以沉浸式體驗直觀地感受和了解各類事故出現前的征兆，達到防患于未然的目的。這類產品重點是傳播專業的安全知識，屬于體驗式安全培訓VR產品。在交互設計上，重視直覺的事故體驗，以事故預兆特征為表現重點，重視知識的傳遞，信息量大，知識點密集。

第三類事故警示體驗（見圖7），是通過外接式頭顯設備重現典型事故情景，以第一人稱方式，借助VR體驗式、代入式的表現方式，讓體驗者親手操作，親身經歷那些曾經真實發生過的災難，具有極強的教育意義。產品交互設計上側重情景再現，體驗者扮演井下作業工人，親手操作設備，親身經歷因各種違規操作造成的嚴重后果，當最后災難發生的那一刻，用戶能夠感受到死亡的威脅。