VR 技術在安全鎖定和有限空間培訓的應用

上海汽車集團股份有限公司 嚴晨良 戚紀忠

■VR 技術概述

VR 是英文Virtual Reality 的縮寫，中文稱之為虛擬現實技術，20 世紀60 年代被首次提出，從80 年代開始形成商業應用，VR 技術在仿真訓練、工業設計、交互體驗等多個應用領域解決了一些重大或普遍性需求。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術，其基本實現方式是通過計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行各業對VR 技術的需求日益旺盛。VR 技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。VR 技術效果圖如圖1 所示。

圖1 VR 技術效果圖

VR 技術具有以下3 個基本特征：

1.沉浸性

VR 技術是根據人類的生理、心理特點，由計算機產生逼真的三維立體景象，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，通過現場架設的定位裝置，便可將自己置身于虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣，在虛擬環境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

2.交互性

VR 系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，當使用者移動頭部時，虛擬現實環境中的圖像也實時地跟隨變化，抓起物體時可以使物體隨著手部的動作而運動，而且還可以聽到仿真聲音。VR 系統能實時捕捉使用者的頭、眼、手、軀干的運動，來調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過身體運動，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

3.多感知性

由于VR 系統中裝有視、聽、觸等感覺的傳感器及反饋裝置，因此，使用者在虛擬現實環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知反饋，超低的延時，能使其近乎真實的感知。

■危險性作業概述

1.安全鎖定

在企業生產活動中，設備設施的使用越來越廣泛，它大大提高了勞動生產率，降低了產品制造成本，保證了產品質量的穩定性，為企業大幅提升了生產效率和良品率。但是，設備設施在長期使用中，不可避免會出現零部件的損壞，因此，企業需要對其進行修理和定期維護。而在設備維修和保養過程中，由于設備的意外啟動，或者其內部危險能量的突然釋放，都有可能造成人員受到傷害。因此，在設備設施維修保養過程中，企業通常采取的有效措施就是安全鎖定。

所謂安全鎖定，就是設備管理人員通過事先對設備的風險評估，識別出設備存在哪些危險能量，確認控制這些能量的隔離裝置（開關或閥門）后，使用者使用標有自己名字和聯系方式的個人鎖具將能量隔離裝置鎖住，鎖具的鑰匙必須由作業人員自己保管，只有自己才能打開，控制能量隔離的開關，遵循“一人一鎖一鑰匙”的原則。

隨著集團下屬企業設備的自動化率和集成度越來越高，現在的系統正變得越來越龐大、越來越復雜，一個危險隔離區域里面可能會涉及沖壓機、機械臂、機床、電機、滾床、升降機、氣缸、夾具、焊槍、輥道、轉臺、穿梭車等十余種不同的機械設備，復雜的系統使得安全鎖定的執行變得異常重要，因為每個“圖省事”的違章行為，可能都會付出生命的代價。因此，安全意識培訓，尤其是實操類培訓的質量，直接關系到相關作業人員應對風險的能力。

2.有限空間

有限空間是指封閉或部分封閉、進出口受限但人員可以進入，未被設計為固定工作場所，通風不良易造成有毒有害、易燃易爆物質積聚或氧含量不足的空間。當同時滿足以下三個條件時，應認定為有限空間：

（1）能容納至少1 個人肢體完全進入。

（2）出入口受到限制或作業地點離出入口距離較遠以致不便于逃生及救援。

（3）不具備長時間停留的條件。有限空間作業是指作業人員進入有限空間實施的作業活動。集團下屬企業常見的有限空間作業有：進入箱、水池、下水道、蓄糞池、管道、煙道、槽、溝、坑、井、儲藏室等。在這些有限空間場所作業，主要存在中毒、窒息、燃爆、吞噬、溺亡等風險。概括起來，有限空間作業的危險有害因素主要表現為以下幾個方面。

①有限空間內含有的有害物質濃度超過立即威脅生命或健康的濃度，會使進入人員立即喪失逃生能力，身體健康受到不可逆的損害，甚至是死亡。有限空間內常見的有毒物質有硫化氫、一氧化碳、苯和苯系物、氰化氫、磷化氫等。

②有限空間內的氧氣被消耗或被排出，會導致氧含量過低引起缺氧，如動植物呼吸、焊接等大量消耗氧氣的情況。正常環境里，空氣的成分包括約78%的氮氣、20.9%的氧氣和少量惰性的氣體。而在有限空間內，如果作業場所空氣中氧氣濃度低于17%，人的呼吸就會急促，頭痛眩暈，渾身疲乏無力，動作遲鈍，肌肉功能減退；氧氣濃度在6%～8%時，人會昏迷并失去知覺；當氧氣濃度低于6%，人在6～8min 就會死亡。因此，一旦有限空間形成缺氧狀態，極易導致致命事故的發生。引發有限空間作業缺氧風險的典型物質有二氧化碳、甲烷、氮氣、氬氣等。

③有限空間中積聚的易燃易爆物質與空氣混合形成爆炸性混合物，若混合物濃度達到其爆炸極限，遇明火、化學反應放熱、撞擊或摩擦火花、電氣火花、靜電火花等點火源時，就會發生燃爆事故。有限空間作業中常見的易燃易爆物質有甲烷、氫氣等可燃性氣體以及鋁粉、煤粉等可燃性粉塵。

④其他任何威脅生命和健康的情況。有限空間作業受環境條件的影響，還存在以下安全風險：淹溺、高處墜落、觸電、物體打擊、機械傷害、灼燙、坍塌、掩埋和高溫高濕等。

近年來，有限空間造成的群死群傷事故層出不窮，事故最初均為1 人遇險，但因現場應急救援處置不當，現場人員缺乏基本的應急常識和自救互救能力，缺失個體防護用品和應急裝備，在沒有弄清致害因素，也沒有采取可靠防護措施的情況下，盲目開展進入式救援，導致傷亡擴大。企業組織有限空間的實操培訓難度極大，造成從業人員對有限空間作業安全意識嚴重不足、對作業程序不清楚，監護人員缺乏監護救援知識和能力，無知者無畏則成了事故發生的重要原因。

■VR 技術應用于上汽集團安全培訓的設計思路

上汽集團安全監察部自2017 年起，針對安全鎖定和有限空間兩項工作開展了專項整治，但是，由于這兩項均屬于高風險作業，目前的培訓方式主要以理論知識培訓為主，實操培訓較難實現，且操作風險大。因此，基于VR 技術的諸多優點，安全監察部希望借助VR 技術，通過應用VR 技術建立的虛擬現實環境，創建多源信息融合的交互式三維動態視景，讓受訓者低成本、無風險地體驗各類生產、維修、施工、應急演練等的虛擬場景，并實現近乎真實的交互體驗，來提高這兩項高風險作業的實操培訓質量。

安全監察部以GB/T 33579-2017《機械安全危險能量控制方法 上鎖掛牌》、《有限空間作業安全指導手冊》和《工貿企業有限空間作業安全管理與監督暫行規定》為指導，著手設計開發兩套VR 培訓課件。

1.安全鎖定內容的開發

安全監察部根據集團作業特點，前往工廠、車間對設備實物取景，通過與設備管理人員和鎖定作業人員的訪談，調研具體的鎖定指導書，在VR 系統內一比一真實還原了以下3 種現場場景及相關安全鎖定作業。

1.1 數控機床安全鎖定VR 場景

該場景為一臺數控機床，設計在機床一處貼有安全鎖定目視化看板，內容包括鎖點分布圖，標準化操作流程，設備各鎖點均張貼有鎖點標識。場景設計有3 種維修作業，演示開始時需首先選擇一種，后根據設備目視化模板中標準化操作流程的要求開展鎖定。數控機床VR 場景的作業設計流程圖如圖2 所示，數控機床VR 場景內的上鎖及更換電機如圖3 所示。

圖2 數控機床VR 場景的作業設計流程圖

1.2 沖壓機安全鎖定VR 場景

該場景為一臺自動沖壓機，場景設計對沖壓機模具進行保養清潔作業，重點關注對該設備在保養清潔過程中對電能及重力勢能的鎖定流程及恢復。該場景的一個特點是增加了一位功能性NPC（非玩家角色），該NPC 角色用于幫助受訓者一同完成沖壓機的安全鎖定工作，同時將“多人鎖定”、“一人一鎖一鑰匙”等知識和技能要點融入其中。沖壓機VR 場景的作業設計流程圖如圖4所示，沖壓機VR場景內的上鎖（重力勢能）及清潔作業如圖5 所示。

圖3 數控機床VR 場景內的上鎖及更換電機

圖4 沖壓機VR 場景的作業設計流程圖

1.3 機械臂安全鎖定VR 場景

該場景為機械臂作業區域，區域由安全圍欄圍擋，圍欄內有一臺機械臂及電極帽修磨器，場景設計為修磨器故障無法復位，需要維修人員進入，通過機器人示教器手動控制機器人，在T1模式下（末端執行器的速度不高于250mm/s），調整機器人姿勢完成相應任務。機械臂VR場景的作業設計流程圖如圖6 所示，安全鎖定后使用示教器手動控制機械臂（T1模式）如圖7所示。

圖5 沖壓機VR 場景內的上鎖（重力勢能）及清潔作業

2.有限空間內容的開發

圖6 機械臂VR 場景的作業設計流程圖

圖7 安全鎖定后使用示教器手動控制機械臂（T1 模式）

有限空間VR 場景，該場景主要是在一個工廠的公用動力站房旁的道路上，路面上有一處電纜井，作業人員需要進入井內進行維修作業。整個內容包括作業申請、作業審批、用具選用、現場勘查、現場警示、現場操作、現場監護、現場救援等十余個環節。該場景結合工廠環境模擬了近年社會上發生過的有限空間事故，將知識點融入其中，在保證學員安全的情況下，使個體防護裝備、救援、監護、通風等設備真正聯動起來，高度還原了井下的有限空間作業及其風險。VR場景內的有限空間作業如圖8 所示。

圖8 VR 場景內的有限空間作業

場景中共設計4 個角色，分別是審批人員、作業人員、監護人員和救援人員，受訓者可自由選擇自己要扮演的角色，針對不同角色，有不同的培訓要點，一旦選定某個角色，該場景內會有對應的NPC 角色配合完成整個培訓任務。VR 場景內的作業人員和審批人員如圖9 所示。

圖9 VR 場景內的作業人員和審批人員

■VR 技術應用于上汽集團安全培訓的特點

將VR 技術應用于安全鎖定和有限空間的安全培訓，主要有以下4 個特點。

1.低風險

應用VR 技術于安全教育實訓演練，可盡情嘗試，風險大為降低。現實活動中，由安全實訓或演練中導致的安全事故并不罕見，但將VR 技術應用于安全教育實訓演練，既可讓受訓者身臨其境的體驗生動逼真的毒氣泄漏、火災、爆炸、擠壓、觸電等高風險場景，又無需接觸真實的危險，徹底消除了可能遭遇的安全風險。并且，虛擬現實場景能夠營造出錯誤操作之后的事故場景，結合系統內置的評分體系，使受訓者能夠認識錯誤，迅速提升實操經驗，充其量只是演練評定的分數受影響，而不必擔心人身安全。可保證印象深刻技能提升，到了真實現場不犯錯，安全操作并正確實施。虛擬現實場景的失誤對于安全風險事故多發的安全鎖定和有限空間作業來說，傳統培訓演練效果有限，因而VR 安全實訓演練特別適用且十分必要。

2.高還原

VR 場景模擬現實需要演練的環境搭建，針對訓練內容或培訓要求進行系統和內容場景的開發，可以模擬任何事故、災難場景及實訓項目。針對上汽集團下屬企業的特點，開發團隊全場景仿真還原了自動化設備和有限空間的場景，注重細節，受訓者只要戴上頭盔顯示器和數據手套，在VR 教室內即可立即置身于沖壓機、數控機床、機械臂和有限空間的場景內，所有設備的外觀、質感、程序控制、信號指示、數據監測等都高度還原。在如此逼真的環境下，受訓者接受安全鎖定和有限空間作業的訓練，可以使受訓者如同親身經歷真實場景，印象深刻、形成肌肉記憶，可有效提升高風險作業的處理技巧，甚至是緊急情況下的應變能力。

3.低成本

集團下屬企業的每次實訓、演練都意味著大量人力物力財力的損耗，投入成本相當高。而在VR 技術的幫助下，可模擬各種現場場景，在一間數十平米的教室內，便可模擬出幾百甚至上千平方米的工廠、車間和設備，甚至還有栩栩如生的人員跟你交流。此外，開發一套虛擬現實場景，VR 系統加載后能實現瞬間完成場景的搭建，并且可反復使用，受訓者可在VR 環境下的任何時點、任何位置，重新開始訓練，而無需反復搭建真實的場景。因此，大大降低投入的成本，同時方便作業人員多次進行各種場景的安全實訓和演練，還可針對自己的短板，對遭遇可能性大、較生疏的場景進行重復演練，確保記住關鍵點和要點。

4.強互動

用VR 技術可搭建的工廠、車間、人物和設備等，由于形象真實，大大提高了人們的想象力、激發了受訓者的學習興趣，還能結合動畫的演示，全方位、多角度、重細節地展示教學內容，使培訓寓教于樂，效果十分顯著。為保證全方位調動參訓者的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺和運動感知等，VR 安全實訓演練配備相應的設備設施以實現身體和精神感受的聯結。比如上汽集團開發的有限空間作業VR 課件，將救援三腳架、絞輪、通風設備、四合一氣體檢測儀、正壓式呼吸器、全身式安全帶融入其中，讓實訓者近乎真實的使用這些裝備，其中的安全操作規程和交互規則也立足于實際操作規范和現實物理定律，力求受訓者進入后達到身臨其境的沉浸感，更能切身的體會到VR 實訓帶來的真實互動體驗。

■結束語

上汽集團開發的這套安全生產VR 培訓課件，使用C++語言編譯，源程序量達到11852 行，已取得軟件著作權，編號為2019SR1159765。培訓課件以安全鎖定和有限空間兩個高風險作業作為切入點，主要有以下兩方面的特點。

（1）軟件創新方面，上汽集團VR 培訓課件運用3D 虛擬現實引擎-Unreal Engine 4 開發，課件模擬了兩種高風險作業中出現頻次較高的12 個場景，學員通過角色互換，對作業、監護和應急救援等狀況進行體驗。

（2）應用成果方面，自VR 安全培訓課件使用以來，已經培訓集團下屬企業相關人員3500 多人次，學員普遍反映體驗感強，對能量鎖定和有限空間兩項高風險作業的風險有了充分的認識，進一步理解了此兩項專項管理要求，并熟練掌握了能量鎖定和有限空間作業規范及應對措施，提升了能量鎖定和有限空間安全管理水平。

實踐證明，VR 技術應用于安全培訓有諸多優點，未來在現有VR 系統的框架下，上汽集團將不斷研究、設計、開發更多的培訓課題，使安全培訓工作在科學技術的支持下發揮更大作用。