基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)

王攀

摘要??? 隨著VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的日漸完善，各個(gè)行業(yè)也開(kāi)始運(yùn)用VR技術(shù)，解決行業(yè)難題。在安全培訓(xùn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的說(shuō)教式的培訓(xùn)方式培訓(xùn)由于體驗(yàn)互動(dòng)少，培訓(xùn)效果不明顯，而將VR技術(shù)引入到安全培訓(xùn)領(lǐng)域，并以其獨(dú)特的沉浸感、交互性將安全培訓(xùn)的內(nèi)容進(jìn)行場(chǎng)景化體驗(yàn)，讓體驗(yàn)者以第一人稱視角在場(chǎng)景中真實(shí)操作、體驗(yàn)，深刻發(fā)生事故帶來(lái)的痛苦感受，同時(shí)又能在互動(dòng)體驗(yàn)中深刻記憶事故原因，防止事故再次發(fā)生，極大的提高安全培訓(xùn)效果。

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí) 安全培訓(xùn)

隨著社會(huì)整體生活質(zhì)量水平的提升，大量的生產(chǎn)、制造、基建等行業(yè)發(fā)展迅速，隨之帶來(lái)的安全問(wèn)題日益嚴(yán)重。從國(guó)內(nèi)大量的安全事故案例調(diào)查報(bào)告原因分析來(lái)看，很多安全事故的發(fā)生是由于人員的不安全行為造成的。要想減少安全事故的發(fā)生率，最直接、最有效的手段是對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn)教育，增強(qiáng)員工的安全意識(shí)，從而達(dá)到消除員工的不安全行為的目的。然而目前企業(yè)的安全培訓(xùn)基本上還是書(shū)本講解的“灌輸式培訓(xùn)”為主，在培訓(xùn)效果及效果的持久性方面還有待提高，很多復(fù)雜的工程施工事故無(wú)法再現(xiàn)，很難進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)。單位的硬性培訓(xùn)費(fèi)用投入很高，但是效果卻并不明顯。但是這一現(xiàn)狀，將因?yàn)閂R技術(shù)的大量落地應(yīng)用而逐漸改善，VR技術(shù)的普及，將在安全培訓(xùn)領(lǐng)域開(kāi)辟新的思路。

1 VR技術(shù)與安全培訓(xùn)的結(jié)合

VR全稱為Virtual Reality，譯為虛擬現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的、三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，并可以使用戶沉浸到該環(huán)境中。真實(shí)模擬和感知是兩個(gè)重要特征，它是目前計(jì)算技術(shù)的最前端應(yīng)用。VR技術(shù)具有多感知性、沉浸感、交互性、構(gòu)想性等特征。

將VR技術(shù)應(yīng)用于安全培訓(xùn)中，通過(guò)3D建模1：1還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景，在場(chǎng)景中集成常見(jiàn)易發(fā)的各類工程事故點(diǎn)，通過(guò)VR交互體驗(yàn)的方式，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)安全事故的虛擬化、沉浸式體驗(yàn)，讓從業(yè)人員親身感受違規(guī)操作帶來(lái)的危害，強(qiáng)化安全防范意識(shí)，熟練掌握安全操作技能，從而達(dá)到施工安全教育目的。

2 基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)功能

VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)可分為學(xué)習(xí)、體驗(yàn)、考試三個(gè)功能模塊。

2.1 學(xué)習(xí)模式

在該模式下體驗(yàn)者可以學(xué)習(xí)各種安全管理規(guī)章制度、設(shè)備使用方法等各種視頻、文檔、課件等多媒體資源。

2.2 體驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

在該模式下，體驗(yàn)者頭戴VR頭盔在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游與實(shí)時(shí)交互，讓員工通過(guò)親身體驗(yàn)了解事故發(fā)生過(guò)程以及事故原因，另外，還可以根據(jù)其危險(xiǎn)程序，模擬可能造成的后果，讓相關(guān)人員及時(shí)制定安全預(yù)防措施和人員庇護(hù)手段。

2.3 考試模式

在學(xué)習(xí)和體驗(yàn)完成后，學(xué)員可以結(jié)合學(xué)習(xí)的安全知識(shí)和體驗(yàn)深刻感受到的危險(xiǎn)傷害，對(duì)安全知識(shí)進(jìn)行一次考試總結(jié)，有利于學(xué)員對(duì)所培訓(xùn)的知識(shí)加深印象，同時(shí)也為單位記錄了學(xué)員考試成績(jī)，形成員工培訓(xùn)檔案。

3 基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)總體框架分為五層，各層次的說(shuō)明如下：

基礎(chǔ)層：軟件搭載Window7及以上操作系統(tǒng)運(yùn)行，需要.NetFramework提供運(yùn)行支持。

引擎層：Unity引擎主要提供運(yùn)行時(shí)的音頻、動(dòng)畫(huà)、特效、渲染服務(wù)，Mono提供運(yùn)行時(shí)庫(kù)文件的執(zhí)行調(diào)用服務(wù)。

套件層：SteamVR提供VR頭盔設(shè)備正常運(yùn)行所需要的驅(qū)動(dòng)程序，VRToolKit直接訪問(wèn)SteamVR，為服務(wù)層提供控制VR頭盔設(shè)備的接口。

服務(wù)層：為軟件提供模塊化管理，音頻管理提供音頻的播放、停止、混響、釋放等功能服務(wù);UI管理提供界面的初始化、打開(kāi)與關(guān)閉、內(nèi)容更新功能;玩家管理實(shí)現(xiàn)了體驗(yàn)場(chǎng)景時(shí)相關(guān)的事件觸發(fā)時(shí)的處理邏輯;角色管理控制非玩家控制角色的動(dòng)作執(zhí)行、智能尋路、以及角色創(chuàng)建與銷毀;場(chǎng)景管理控制體驗(yàn)的開(kāi)始與結(jié)束，以及不同體驗(yàn)場(chǎng)景之間的切換、事故的發(fā)生時(shí)機(jī)。局域網(wǎng)數(shù)據(jù)同步是為分鏡與主鏡畫(huà)面同步時(shí)提供傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)IO實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)讀寫(xiě)服務(wù)。

應(yīng)用層：不同安全培訓(xùn)內(nèi)容及安全事故體驗(yàn)的具體邏輯實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)分以下三個(gè)步驟：

（1）對(duì)3D場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、搭建3D場(chǎng)景原型并細(xì)化（在Maya或3dMax完成）。

（2）設(shè)計(jì)交互流程，完成交互設(shè)計(jì)原型文檔，分別把各個(gè)場(chǎng)景串起來(lái)，完成交互原型。

（3）用戶交互：在場(chǎng)景中設(shè)置各種事故觸發(fā)點(diǎn)，體驗(yàn)者在場(chǎng)景中體驗(yàn)時(shí)可通過(guò)VR手柄進(jìn)行操作會(huì)觸發(fā)各種事故的發(fā)生，如觸電、

墜落、物體打擊等。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具為Unity，編程語(yǔ)言為C#，開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）場(chǎng)景模型導(dǎo)入unity中，并進(jìn)行檢查和調(diào)整;

（2）創(chuàng)建角色動(dòng)畫(huà);

（3）制作景區(qū)場(chǎng)景交互;

（4）創(chuàng)建行走相機(jī)并制作攝相機(jī)路徑動(dòng)畫(huà);

（5）制作系統(tǒng)的運(yùn)行界面，包括背景界面元素、交互按鈕和背景音樂(lè)的制作;

（6）加入視頻、和Flash等媒體，并與模型、按鈕進(jìn)行交互的鏈接;

（7）體驗(yàn)事故觸發(fā)交互編程;（8）程序打包生成用戶可執(zhí)行程序。

3.4 系統(tǒng)硬件

VR技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)綜合了三維圖形處理、位置追蹤、觸覺(jué)或力覺(jué)反饋、人工智能等多種科學(xué)技術(shù)，其配套硬件設(shè)備主要以VR輸出設(shè)備、VR輸入設(shè)備、VR位置跟蹤器設(shè)備、體感設(shè)備以及用于運(yùn)算的計(jì)算機(jī)這四部分組成，整體實(shí)現(xiàn)“沉浸感、交互性、構(gòu)想性”三大核心技術(shù)特征。

輸出設(shè)備主要包括VR頭盔、多聲道耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)上的模擬。

輸入設(shè)備主要是VR手持式操作手柄。

VR位置跟蹤器主要為激光定位器，激光定位技術(shù)的基本原理就是在空間內(nèi)安裝數(shù)個(gè)可發(fā)射激光的裝置，對(duì)空間發(fā)射橫豎兩個(gè)方向掃射的激光，被定位的物體上放置了多個(gè)激光感應(yīng)接收器，通過(guò)計(jì)算兩束光線到達(dá)定位物體的角度差，從而得到物體的三維坐標(biāo)，物體在移動(dòng)時(shí)三維坐標(biāo)也會(huì)跟著變化，便得到了動(dòng)作信息，完成動(dòng)作的捕捉。

在VR體驗(yàn)系統(tǒng)中，除了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的直觀感受，為增加體驗(yàn)效果，可以用體感設(shè)備來(lái)增強(qiáng)用戶實(shí)際的體驗(yàn)效果;體感設(shè)備一般為三自由度或六自由度運(yùn)動(dòng)電缸組成的動(dòng)感運(yùn)動(dòng)座椅，主機(jī)和動(dòng)感座椅之間通過(guò)UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，主機(jī)發(fā)送指令控制多自由度運(yùn)動(dòng)電缸進(jìn)行伸縮，以帶動(dòng)上平臺(tái)支架動(dòng)作，進(jìn)而上平臺(tái)支架帶動(dòng)上平臺(tái)體驗(yàn)座椅動(dòng)作，實(shí)配合程序現(xiàn)行走、墜落、晃動(dòng)等動(dòng)作，再加入各種傳感器及設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)觸電、吹風(fēng)、噴水、熱風(fēng)等特效，使得用戶可以擁有逼真的臨場(chǎng)體驗(yàn)感，增加VR體驗(yàn)的的沉浸感，加強(qiáng)了安全培訓(xùn)效果。如圖2所示。

4 基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

在企業(yè)安全培訓(xùn)中，只需要占用培訓(xùn)教室?guī)灼椒矫椎目臻g，然后需要一臺(tái)滿足VR運(yùn)行配置的電腦及一套VR頭盔設(shè)備就可以進(jìn)行VR安全培訓(xùn)。首先連接好VR頭盔和主機(jī)，打開(kāi)系統(tǒng)軟件，培訓(xùn)人員頭戴VR頭盔，用VR手柄進(jìn)行操作，選擇好要體驗(yàn)的項(xiàng)目后進(jìn)入體驗(yàn)場(chǎng)景，在場(chǎng)景內(nèi)可以以第一視角任意進(jìn)行行走漫游，到達(dá)事故發(fā)生的地點(diǎn)，培訓(xùn)人員可以觸發(fā)事故發(fā)生，配合體感座椅實(shí)現(xiàn)墜落、震動(dòng)、觸電、大風(fēng)、高溫等特效，體驗(yàn)到事故發(fā)生帶來(lái)的震撼傷害，同時(shí)還能以第三視角體驗(yàn)事故還原，總結(jié)事故發(fā)生原因，避免在以后的工作中發(fā)生類似的事故。目前該系統(tǒng)在建筑、路橋、地鐵、煤礦等多個(gè)項(xiàng)目部進(jìn)行了安裝使用，只需要一次投入就可以反復(fù)使用，為企業(yè)安全培訓(xùn)提供了一種全新的方式，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于VR技術(shù)的安全培訓(xùn)體驗(yàn)系統(tǒng)以現(xiàn)實(shí)安全培訓(xùn)為基礎(chǔ)，基于沉浸式虛擬互動(dòng)仿真技術(shù)搭建的虛擬場(chǎng)景，結(jié)合VR頭盔實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)漫游，配合動(dòng)感運(yùn)動(dòng)座椅可以直接體驗(yàn)各種安全事故，讓體驗(yàn)者有更加逼真的感受，從而提高工人的安全意識(shí)，減少事故發(fā)生，提升了安全培訓(xùn)效果，降低了企業(yè)培訓(xùn)成本，真正讓新科技推動(dòng)安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張捷，魯家皓.基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)的應(yīng)用于研究[J].絲路視野，2018.

[2]帥立國(guó).虛擬現(xiàn)實(shí)及觸覺(jué)交互技術(shù)：趨勢(shì)與瓶頸[J].人民論壇·學(xué)術(shù)前沿，2016.

[3]趙鑫喆.淺談三種VR空間定位技術(shù)[OL].中關(guān)村在線，2017.