虛擬現實技術在施工企業安全教育中的應用

張 頌 波

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200433)

隨著我國經濟穩步發展和基礎設施建設投入增大，建設項目的規模越來越大，結構日益復雜，隨之而來的生產事故發生率也不斷提高，抓好安全生產是任何一家施工企業都必須長期堅持的一項重要發展理念。習近平總書記指出，“人命關天，發展決不能以犧牲人的生命為代價，這必須作為一條不可逾越的紅線”，因此，提高企業生產管理水平，進一步落實企業安全生產的主體責任，確保安全形勢總體受控，建立健全安全培訓體系，把安全生產教育培訓貫穿于生產經營的全過程是把安全生產主體責任落到實處的重要舉措。

《國務院辦公廳關于促進建筑業持續健康發展的意見》(國辦發(2017)19號)、《住房城鄉建設事業“十三五”規劃綱要》(2016—2020)和《建筑業發展“十三五”規劃》(2016—2020)等政策綱領性文件明確要求建筑企業在施工生產環節必須堅持“安全第一、預防為主”的方針。隨著建筑業的不斷發展和轉型升級的不斷深化，加強工程質量安全管理，提高從業人員素質成為行業發展的迫切要求，對施工現場安全技術工人的安全專項能力、自我防護意識以及對安全事故的預防和處理能力也提出了更高的要求。

中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于促進移動互聯網健康有序發展的意見》中強調：“加緊人工智能、虛擬現實、增強現實、微機電系統等新興移動互聯網關鍵技術布局，盡快實現部分前沿技術、顛覆性技術在全球率先取得突破。”因此本文依托建筑施工安全技能專項能力培訓與鑒定設施設備項目，著眼于國內建筑行業發展新背景、新趨勢，積極引導虛擬現實技術與安全教育培訓深度結合，為建筑行業安全生產與健康發展貢獻新的力量。

1 傳統安全教育現狀分析

以往，傳統的安全教育一般都是以理論教學為主，或者播放一些典型安全事故圖片、視頻加以分析，以此來要求培訓人員引以為戒。在這種情況下，首先理論教學本身枯燥乏味，培訓人員只是被動的接受教學內容，難以提起培訓人員的主動性和積極性；安全事故圖片與視頻分析往往也是事后總結，對于培訓人員而言也往往是抱著事不關己的心態，最后淪為部分人茶余飯后的談資。

其次，安全教育不同于工藝類的學習，無法去現場進行實訓。工程當中的各類安全風險，如基坑坍塌、高空墜落、物體打擊等一旦發生便是災難，施工現場不具備對這些安全事故進行模擬與演練的條件，而虛擬現實技術恰好可以解決這一難題。

2 虛擬現實技術在施工安全教育中的優勢

虛擬現實技術也被稱為“沉浸式多媒體技術”，其目標是利用可視化技術及各種交互設備，通過影響視覺、聽覺、觸覺和嗅覺的感知來模擬與真實世界一樣的虛擬世界，使人產生身臨其境的感覺。虛擬現實技術的三個特性在施工安全教育中有著突出的優勢：

1)沉浸性。通過虛擬現實技術創造出的虛擬場景，通過頭盔使培訓人員成為其中的一份子，仿佛置身于現實世界中。在其中不論是移動或是轉頭都會得到和現實世界極為接近的反饋。根據建構主義的觀點，學習成功的關鍵在于主動性、社會性和情景性。虛擬現實技術的這種沉浸感為培訓人員提供了一種有利于其知識建構的情景性[1]。

2)交互性。人機交互是虛擬現實的核心之一，通過利用手柄、數據手套等傳感設備來模擬人體自身的各種肢體動作，就能與虛擬環境中的各種物體對象產生互動。再通過這類傳感設備的力反饋技術，使操作者獲得和觸摸真實物體相同的力感以實現一種近乎自然的交互[2]。

3)想象性。可以使操作者在虛擬環境中與物體發生交互后，通過聯想或邏輯推斷，對接下去會發生什么進行想象的能力。所以只要整個虛擬環境的創建符合實際情況，那么操作者在交互完成后可能產生的后果都能符合真實現象的重現[3]。

3 項目概況

本項目以上海建工集團教育培訓中心為實施場地(見圖1)，作為上海建工集團高技能人才培養基地的主要教學點，上海建工集團教育培訓中心承擔了系統的人才培養工作，是建筑行業高技能人才成長的搖籃。

項目經費預算總額為1 178.12萬元，由上海市人力資源和社會保障局資助400萬元和企業自籌資金778.118 4萬元兩部分組成。主要用于實訓設施設備添置和虛擬現實安全技能仿真實訓系統的開發。

安全技能模塊的建設分步實施，涵蓋市政工程與建筑工程相關專業，從基礎施工階段、結構施工階段、裝飾施工階段、鋼結構施工階段一直到安裝施工階段，每一個專業每一個階段每一個工程需要掌握的安全技能都不盡相同。第一階段致力于市政工程基礎施工階段深基坑工程作業現場的場景模擬與模塊構建，系統推進針對上海建工集團施工生產一線員工在生產環節所必須具備的安全技能專項能力的培訓與鑒定工作。

4 項目策劃設計與實施方案

基于傳統安全教育現狀分析及虛擬現實技術在施工安全教育中的優勢，本項目建設在硬件方面根據培訓工位由60臺高性能圖形工作站(見圖2)、60套頭戴顯示器和傳感控制手柄(見圖3)、1套仿真立體投影系統、2套五人小組VR協同交互硬件平臺以及交換機、服務器等組成，硬件選擇上均為國內外一流先進設備，力求創造出逼真的沉浸感。

配套的軟件系統由一套仿真實訓系統、一套多人適配交互軟件系統及一套考試系統組成。其中，仿真實訓系統包含了系統配置、系統管理、權限管理、預案引擎、事件觸發等基本功能。培訓課件分階段實施，第一階段為深基礎工程安全模塊(見圖4)，以某個地下連續墻工程作為虛擬場景進行建設(見圖5)，考慮到部分安全事故和工藝施工方法本身也有緊密聯系，所以將整個施工工法進行細分拆解，從前期準備開始直至后期基坑開挖及支撐，在講述工藝的同時，將每一階段可能發生的安全隱患通過危險源識別、危險行為的預防及處理以及虛擬現實事故體驗(如圖6所示)等方式進行全方位教學與體驗，借助虛擬現實技術展現出真實的施工現場，滿足施工現場作業安全專項能力的培訓需求。軟件框架為全方位的開放式結構，以便于將來擴充功能，增加新課件和事故體驗，易于升級、定制和集成。

除此之外，借助2套五人小組VR協同交互硬件平臺(如圖7所示)及多人適配交互軟件系統構建出一套以5人為一組可共同進入同一個虛擬施工場景，每個人扮演不同的角色在場景中自由移動，共同開展安全隱患排查的協同互動系統。具體操作為，建立一個虛擬場景，在該場景中預先配置多個安全隱患，然后由最多5名培訓人員通過頭戴顯示器同時進入該虛擬場景內進行安全隱患排查，在找到疑似安全隱患時，通過各自手中的傳感控制手柄，進行交互操作，甄別記錄，以類似于大家來找茬的方式讓培訓人員在實操中鞏固所學所得。

考試系統包括資源管理、課件管理、題庫管理、試卷管理、考試管理等多個模塊，除了傳統的試卷問答形式，還可通過虛擬現實技術進行實際操作考核，比如對虛擬場景中安全隱患的排查，對事故處理的演練等，以此來檢驗培訓人員的培訓成果。

5 項目績效分析

貼合科學培訓、綠色培訓的宗旨，本項目在設施設備的添置上做到精簡、典型與實用的原則。在施工現場模擬設計上具有唯一性和可推廣性。用仿真實訓設備進行操作實訓，不僅降低投資成本，而且利用虛擬現實技術充分整合硬件實訓和仿真實訓的優點。

本次項目建設是為了更好地培養一線施工人員的安全技術水平，在操作規范和安全意識上有進一步的認識，為此根據不同施工階段的特點開展培訓，每批可培訓60名一線操作人員。我們利用虛擬現實技術以實訓為主，理論夠用的任務引領培訓模式，真正做到貼近實際的培訓目的。自初步建成開發以來，已試運行180人次的安全教育培訓，預計未來5年內，完成5 000人次的培訓，實現培訓人數逐年增長，為企業的高技能人才培訓添磚加瓦。

6 結語

虛擬現實技術在安全教育方面是非常有價值的，這種全新的體驗式教學，摒棄了傳統說教式被動安全教育，不受場地限制的模擬真實環境中的安全事故，避免了材料、人工的浪費，大大降低了投入演練的時間成本，同時使體驗者印象更加深刻，強化了體驗者對安全事故的感性認識，在促進施工企業人員安全技能的學習中，優勢顯著，效果良好。

當然，虛擬現實技術在現階段也依然有許多問題。在硬件層面，這幾年設備分辨率雖然已經有了長足的進步，但是要帶來足以以假亂真的超高畫質依然有所欠缺。另外在力反饋技術上目前還只是主要依賴于視覺與聽覺，觸覺反饋及嗅覺反饋技術需要借助一些更先進的設備，這些設備產品較少，價格昂貴，經濟性較差，這些都在一定程度上影響了沉浸式體驗。在健康問題上，目前的頭盔類設備戴久了容易使人勞累，長時間處于虛擬場景中會產生3D暈眩癥，發生頭暈惡心現象；在軟件層面，配套的課件開發和資源設計技術門檻較高，開發團隊需要同時具備對施工專業的了解，豐富軟件開發的經驗以及對教學內容及方法的理解和把握，這些都限制了虛擬現實技術在企業人才培訓中的發展。但是我們有理由相信，隨著硬件水平的不斷發展、施工企業不斷深化的轉型升級以及對安全生產的迫切需求，虛擬現實技術在施工企業安全教育中的應用會擁有越來越廣闊的前景。