BIM+VR 技術(shù)在鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全實(shí)景化培訓(xùn)中的研究與應(yīng)用

鄭海鵬

（中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250001）

營(yíng)業(yè)線施工安全是鐵路施工安全管理工作的重中之重。通過開展培訓(xùn)工作，提高培訓(xùn)效果，確保培訓(xùn)質(zhì)量，是提升營(yíng)業(yè)線施工管理人員、作業(yè)人員安全業(yè)務(wù)素質(zhì)主要途徑之一。按照《鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理辦法》（鐵運(yùn)[2012] 280號(hào)）規(guī)定，營(yíng)業(yè)線施工人員必須經(jīng)培訓(xùn)考試合格后上崗。該規(guī)定頒布后，全路培訓(xùn)學(xué)員數(shù)以萬(wàn)計(jì)，為確保鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全發(fā)揮了較好作用。但是，傳統(tǒng)的管理措施和技術(shù)手段對(duì)培訓(xùn)質(zhì)量、效率的提高有限，因此，研究新的培訓(xùn)理念，探索現(xiàn)代培訓(xùn)技術(shù)，提高培訓(xùn)質(zhì)量、效率，對(duì)有力把控施工安全和鐵路運(yùn)輸安全非常必要。

1 以 BIM+VR 技術(shù)為承載的實(shí)景化教學(xué)

1.1 BIM 和 VR 技術(shù)

BIM即“建筑信息模型”（Building Information Modelling），是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、信息完備性、優(yōu)化性和可出圖性的特征。

VR即“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”（Virtual Reality），集計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。VR具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性的特征。

1.2 實(shí)景化教學(xué)

實(shí)景化教學(xué)是指營(yíng)造具有工作氛圍的場(chǎng)景，把課堂搬到真實(shí)的工作場(chǎng)景中，以達(dá)到優(yōu)異的教學(xué)效果。該概念的前身包括“實(shí)景視頻教學(xué)”“信息技術(shù)教學(xué)”“多媒體教學(xué)”“實(shí)訓(xùn)教學(xué)”和“實(shí)景實(shí)戰(zhàn)教學(xué)”等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這些概念相互發(fā)生交叉和滲透。

1.3 基于 BIM+VR 技術(shù)的實(shí)景化教學(xué)

筆者將實(shí)景化教學(xué)和BIM、VR 技術(shù)相融合，提出基于BIM+VR 技術(shù)的實(shí)景化教學(xué)理念并加以實(shí)踐，“課堂”即“現(xiàn)場(chǎng)”，以實(shí)現(xiàn)更好的培訓(xùn)效果，更加直觀、精準(zhǔn)、優(yōu)質(zhì)高效地做好具有內(nèi)容復(fù)雜、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、實(shí)踐要求高等特點(diǎn)的培訓(xùn)工作。基于培訓(xùn)需求，以BIM模型可視化為基礎(chǔ)，利用BIM的模擬性、信息完備性等特性，通過VR技術(shù)在BIM三維模型基礎(chǔ)上強(qiáng)化可視性和具象性，提供沉浸式體驗(yàn)和人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)景化工作場(chǎng)景建立和沉浸式參與體驗(yàn)。同時(shí)，由于BIM的可出圖性，其輸出的三維圖紙為實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)景化場(chǎng)地建設(shè)提供了參考和依據(jù)。

2 實(shí)景化培訓(xùn)平臺(tái)

筆者提出并組織開展了鐵路建設(shè)項(xiàng)目營(yíng)業(yè)線施工安全實(shí)景化培訓(xùn)課題研究，運(yùn)用研究成果，組織研發(fā)并應(yīng)用鐵路建設(shè)項(xiàng)目營(yíng)業(yè)線施工安全實(shí)景化培訓(xùn)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”），用于課堂虛擬實(shí)景化教學(xué)。

平臺(tái)基于VR技術(shù)人機(jī)交互手段，結(jié)合 BIM+GIS技術(shù)，建立包含三站兩區(qū)間的鐵路三維模型，主要包含基礎(chǔ)教育警示室模塊、實(shí)景化教學(xué)模塊和實(shí)景案例模塊。同時(shí)，平臺(tái)使用的三站兩區(qū)間鐵路三維模型中部分場(chǎng)景是對(duì)今后實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地規(guī)劃建設(shè)的前期BIM 設(shè)計(jì)，旨在形成課堂虛擬實(shí)景化授課、因地制宜開展實(shí)訓(xùn)的全過程實(shí)景化培訓(xùn)模式。

2.1 基礎(chǔ)教育警示室模塊

基礎(chǔ)教育警示室模塊分為3個(gè)子模塊：基礎(chǔ)教育室、警示教育室和行車模擬。

2.1.1 基礎(chǔ)教育室子模塊

以基礎(chǔ)教育室為例（圖1），該子模塊將鐵路建設(shè)項(xiàng)目涉及的防護(hù)信號(hào)及防護(hù)設(shè)施等形狀和標(biāo)準(zhǔn)納入虛擬模塊中進(jìn)行等比例顯示，讓培訓(xùn)學(xué)員更加直觀地認(rèn)識(shí)和掌握營(yíng)業(yè)線施工安全防護(hù)信號(hào)、防護(hù)設(shè)施的名稱、用途及標(biāo)準(zhǔn)。通過點(diǎn)擊展品，可出現(xiàn)對(duì)展品的介紹和相關(guān)規(guī)定。VR沉浸式學(xué)習(xí)功能，既可以通過導(dǎo)航鍵盤自由地在室內(nèi)行走，也可以通過穿戴VR設(shè)備，進(jìn)行VR體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。

2.1.2 警示教育室子模塊

將不同類型具有典型性的警示教育案例，分門別類地納入相應(yīng)案例板塊，分析案例原因、存在問題以及防范措施等，圖文并茂地對(duì)培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行警示教育，讓培訓(xùn)學(xué)員真正吸取案例教訓(xùn)，提高施工安全防范意識(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)培訓(xùn)學(xué)員形成執(zhí)行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的主動(dòng)性和自覺性。

此外，警示教育室設(shè)置了警示案例VR體驗(yàn)區(qū)，培訓(xùn)學(xué)員穿戴上VR設(shè)備，按照引導(dǎo)點(diǎn)擊進(jìn)入模擬狀態(tài)，即可進(jìn)入設(shè)定好的警示案例場(chǎng)景，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)切身感受案例帶來(lái)的警示效果。

2.1.3 行車模擬子模塊

模擬列車行車過程，完成從站內(nèi)發(fā)車、經(jīng)過施工區(qū)域、曲線視線不良區(qū)域、通過隧道、橋梁施工慢行、通過站場(chǎng)等情形，實(shí)景化地展現(xiàn)出營(yíng)業(yè)線施工中各種常見施工條件和情形。同時(shí)也對(duì)施工人員進(jìn)行必要的鐵路行車知識(shí)教育。

2.2 實(shí)景化教學(xué)模塊

實(shí)景化教學(xué)模塊分為3個(gè)子模塊：營(yíng)業(yè)線施工防護(hù)、施工計(jì)劃與登銷記、鄰近營(yíng)業(yè)線施工。

2.2.1 營(yíng)業(yè)線施工防護(hù)子模塊

按照普速鐵路和高速鐵路分類，主要內(nèi)容包含防護(hù)信號(hào)和標(biāo)志基本常識(shí)、防護(hù)基本要求、移動(dòng)停車信號(hào)防護(hù)（圖2）、移動(dòng)減速信號(hào)防護(hù)等內(nèi)容。通過虛擬實(shí)景化動(dòng)態(tài)演示，更加直觀地給學(xué)員身臨其境的培訓(xùn)環(huán)境，防護(hù)員站位、手持信號(hào)、各種距離規(guī)定等現(xiàn)場(chǎng)情況一目了然。

圖1 基礎(chǔ)教育室

圖2 移動(dòng)停車信號(hào)防護(hù)

2.2.2 施工計(jì)劃與登銷記子模塊

施工計(jì)劃與登銷記子模塊主要包含鐵路行車知識(shí)、施工方案與施工計(jì)劃、施工登銷記等內(nèi)容。通過虛擬實(shí)景化演示接發(fā)列車、對(duì)鐵路行車室全景展示（圖3）、基礎(chǔ)知識(shí)講解與施工案例和流程融合等，幫助學(xué)員真實(shí)直觀掌握列車和調(diào)車進(jìn)路排列、顯示等行車知識(shí)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)通知現(xiàn)場(chǎng)，保證施工行車和人身安全。結(jié)合營(yíng)業(yè)線施工方案編制與審查、施工計(jì)劃管理與審批等實(shí)踐案例，進(jìn)行理論與實(shí)踐并重的全面培訓(xùn)。

2.2.3 鄰近營(yíng)業(yè)線施工子模塊

鄰近營(yíng)業(yè)線施工子模塊主要包含鄰近營(yíng)業(yè)線施工制度要求、施工類別劃分、施工方案及計(jì)劃管理、施工安全監(jiān)控重點(diǎn)等內(nèi)容。通過虛擬實(shí)景化綜合應(yīng)用，幫助學(xué)員直觀地學(xué)習(xí)鄰近營(yíng)業(yè)線施工的管理要求、流程和實(shí)施要點(diǎn)、安全重點(diǎn)，切實(shí)提高學(xué)員對(duì)鄰近營(yíng)業(yè)線施工安全的管控能力。

2.3 實(shí)景案例模塊

依托建立的平臺(tái)模型，以一次全過程施工案例為承載，通過施工模擬、列車運(yùn)行模擬、動(dòng)畫圖片展示、語(yǔ)音應(yīng)答（圖4）等形式，按照施工程序串連起營(yíng)業(yè)線施工方案和計(jì)劃、施工過程、現(xiàn)場(chǎng)控制、施工登銷記等教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)員易學(xué)、易懂，易理解、易記憶。模擬現(xiàn)場(chǎng)、還原實(shí)景，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式向?qū)嵕敖虒W(xué)模式的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。

3 BIM+VR 實(shí)景化培訓(xùn)應(yīng)用成效

（1）創(chuàng)新了基于BIM+VR技術(shù)在培訓(xùn)領(lǐng)域的新應(yīng)用。鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全實(shí)景化培訓(xùn)研究，是工程、培訓(xùn)、BIM信息化的多學(xué)科綜合性研究。BIM技術(shù)在培訓(xùn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：BIM的可視化應(yīng)用，以BIM模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)；BIM的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)用，將培訓(xùn)內(nèi)容寫入BIM模型并加以展現(xiàn)；BIM平臺(tái)集成化應(yīng)用，探索了基于同一BIM平臺(tái)下多專業(yè)培訓(xùn)內(nèi)容綜合展示。通過研究和實(shí)踐，證明了BIM+VR技術(shù)在教育培訓(xùn)中的廣泛應(yīng)用前景。

（2）通過虛擬實(shí)景化手段全方位增強(qiáng)了教與學(xué)的效果。將各教學(xué)板塊內(nèi)容融入到同一個(gè)實(shí)景化虛擬模型中，再以完整綜合施工案例為承載，起到3個(gè)“增強(qiáng)”：①增強(qiáng)了專業(yè)理論和實(shí)踐之間的聯(lián)系，研究過程也是對(duì)授課內(nèi)容的虛擬實(shí)踐過程；②增強(qiáng)了各專業(yè)之間結(jié)合部知識(shí)的梳理，即在同一虛擬環(huán)境下，在做好本專業(yè)內(nèi)容同時(shí)，深化關(guān)聯(lián)專業(yè)內(nèi)容研究，使各專業(yè)之間銜接聯(lián)動(dòng)更加緊密；③增強(qiáng)了確保營(yíng)業(yè)線施工安全的保障。實(shí)景化施工案例全過程研究，也是真實(shí)施工的沙盤演練，施工過程串連起培訓(xùn)內(nèi)容，真正幫助學(xué)員做到學(xué)以致用。

（3）基于BIM+VR技術(shù)的實(shí)景化培訓(xùn)大幅提升教育質(zhì)量水平。平臺(tái)基于 BIM+VR 技術(shù)，建立包含三站兩區(qū)間的鐵路三維模型，通過具體3個(gè)模塊8個(gè)子模塊136個(gè)知識(shí)項(xiàng)點(diǎn)，全面滿足了營(yíng)業(yè)線施工安全培訓(xùn)需求，實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)景化教學(xué)培訓(xùn)效果。實(shí)景化培訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用后，已累計(jì)培訓(xùn)施工人員1 000余人次，一次性培訓(xùn)通過率同比、環(huán)比均提高20%以上，經(jīng)檢驗(yàn)，實(shí)景化培訓(xùn)平臺(tái)切實(shí)提高了建設(shè)項(xiàng)目營(yíng)業(yè)線施工安全培訓(xùn)質(zhì)量。

圖3 鐵路行車室全景展示

圖4 虛擬現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)演示與同步語(yǔ)音聯(lián)絡(luò)示例

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)BIM+VR技術(shù)在鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全實(shí)景化培訓(xùn)中的研究，建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)用于營(yíng)業(yè)線施工安全培訓(xùn)的實(shí)景化平臺(tái)。經(jīng)培訓(xùn)實(shí)踐檢驗(yàn)，切實(shí)提高了營(yíng)業(yè)線施工安全培訓(xùn)質(zhì)量，創(chuàng)新性的幫助學(xué)員實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，為保障營(yíng)業(yè)線施工安全發(fā)揮了更好作用。

BIM+VR技術(shù)的實(shí)景化培訓(xùn)研究和應(yīng)用從很大程度上創(chuàng)新示范和引領(lǐng)了新的培訓(xùn)模式。未來(lái)，基于BIM+VR技術(shù)的實(shí)景化培訓(xùn)將發(fā)揮更突出的作用，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著。