基于VR的交通建設工程施工安全教育系統(tǒng)開發(fā)

朱進玉，汪貴平，關麗敏，李 立，雷 旭

（長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064）

交通建設工程施工中存在較多威脅安全生的事故隱患，國家和建設企業(yè)高度重視對施工人員的安全教育培訓工作[1]。目前的施工安全教育[2]主要采取2 種方式：聘用實踐經(jīng)驗豐富、專業(yè)素質和職業(yè)道德水平較高的施工人員，對受訓者進行口頭培訓[3]；利用施工現(xiàn)場條件搭建實體場景，通過受訓者的實地體驗和操作增強其安全意識。然而，前者“口傳身教”的培訓模式，難以為受訓者提供貼近施工現(xiàn)場真實情況的培訓環(huán)境，使其“身臨其境”，后者則要求受訓者具備一定的建筑常識和施工經(jīng)驗。因此，在新進施工人員普遍文化程度較低、安全意識較差的情況下，2 種模式的實際培訓效果均差強人意[4]。

虛擬現(xiàn)實VR 技術[5-6]通過集成計算機圖形、計算機仿真、人工智能及網(wǎng)絡并行處理等技術，利用計算機定義和模擬一個三維空間的虛擬世界，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)[7]。與其他可視化技術不同，VR 技術具有沉浸性、交互性和構想性等特征[8]。

針對目前交通建筑工地施工的主要安全隱患，在此基于VR 技術設計開發(fā)了施工安全教育系統(tǒng)。以國家相關主管部門頒布的安全規(guī)范為標準設計理論知識體系，進而采用VR 技術模擬橋梁、道路和隧道施工現(xiàn)實的場景和險情，使得受訓者通過VR系統(tǒng)體驗施工過程中的各種潛在危險[9]，并了解相應的防范知識及應急措施。

1 交通建設工程施工安全教育系統(tǒng)

交通建設工程施工VR 安全教育系統(tǒng)主要包括理論知識學習及考核系統(tǒng)和VR 系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

理論知識學習及考核系統(tǒng)主要完成受訓者簽到、理論知識學習培訓和培訓后考核等功能；VR 系統(tǒng)主要為受訓者提供交通建設工程施工虛擬場景、虛擬危險源和虛擬處置環(huán)境，達到施工安全教育的目的。

2 理論知識學習及考核系統(tǒng)

施工安全教育的目的，在于讓受訓者更好地掌握在施工中所注意的事項以及預防對策。

理論知識學習及考核系統(tǒng)利用身份證閱讀器采集受訓者的簽到信息，完成簽到后即進行施工安全理論知識學習。學習內容主要分為橋梁施工安全、道路施工安全、隧道施工安全等3 個部分；每個部分又包括施工安全基礎知識、危險源、安全指南、事故應急措施等內容。在受訓者完成理論知識學習以后，即可進行理論知識學習情況的考核。

3 VR 安全教育系統(tǒng)設計

施工人員、管理人員經(jīng)過安全知識的理論培訓和考核以后，再通過VR 系統(tǒng)體驗虛擬場景。為了加深受訓者對施工安全理論知識的理解，在此設計了橋梁施工、道路施工、隧道施工等3 類VR 安全教育子系統(tǒng)，受訓者能夠使用頭戴設備、操作手柄、振動臺等VR 硬件設施觀察和參與虛擬施工。VR 系統(tǒng)設計分為硬件和軟件2 部分。

3.1 硬件設計

VR 系統(tǒng)的硬件部分主要包括能夠滿足系統(tǒng)運行要求的高性能計算機、VIVE 頭戴設備、手柄、串流盒、顯示器、視頻分配單元等。硬件的連接及系統(tǒng)實物如圖2和圖3所示。此外，為了提示受訓者重點安全場景并增強體驗，在體驗區(qū)下方設計有振動臺系統(tǒng)，可以根據(jù)VR 系統(tǒng)音頻信號在振動臺上引發(fā)同步振動，讓受訓者能夠真實體驗到事故發(fā)生時的強烈震撼感，從而加強受訓者的安全意識。

圖2 硬件連接Fig.2 Hardware connection

圖3 VR 系統(tǒng)實物Fig.3 VR system object

由圖3 可見，VR 頭戴設備懸掛于墻壁兩側，定位器按照房間對角線上端以覆蓋整個房間范圍，顯示器實時顯示主頭戴設備當前畫面。驅動VR 操作系統(tǒng)的左側機柜包含有工業(yè)計算機、串流盒、視頻分配單元、UPS 等部件；用于控制振動臺系統(tǒng)的右側機柜包含有微型工控機、音頻分配單元、功率驅動單元等部件。實際施工中通常需要較多的受訓者同時參加教育培訓，而現(xiàn)有的VR 系統(tǒng)運行時1 臺計算機只能驅動1 套VR 設備，致使培訓效率較低。對此，設計了1 臺計算機可以同時驅動多套VR 設備的VR安全教育系統(tǒng)，培訓效率大幅提高。

3.2 軟件設計

VR 系統(tǒng)軟件包括施工安全教育場景三維模型庫建立、貼圖渲染優(yōu)化和交互功能實現(xiàn)等3 部分。

場景模型庫在3Ds Max 中對相關設備及場景進行三維模型構建和優(yōu)化。人物模型和場景模型的建立過程如圖4所示。

圖4 3Ds Max 中人物以及場景基本模型的構建Fig.4 Construction of the basic model of characters and scenes in 3Ds Max

貼圖渲染的主要目的是增強場景的真實性[10]。具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1利用 EI-shayalSmart 軟件鏈接GoogleEarth，截取GoogleEarth 中的衛(wèi)星圖，將截取的所有目標區(qū)域.jpg 衛(wèi)星圖片導入到GlobalMapper中，選擇UTM 生成光柵圖像（.bmp），該文件中包含目標區(qū)域的經(jīng)緯度以及海拔高度；

步驟2根據(jù)GlobalMapper 中所獲得經(jīng)緯度數(shù)據(jù)下載已有DEMO 數(shù)據(jù)，將下載的DEMO 數(shù)據(jù)再次導入到GlobalMapper 中輸出高程網(wǎng)格模式，利用經(jīng)緯度再次確定目標地形，并測量最終地形的長寬以及海拔高度；

步驟3在Worldmachine 中導入DEMO 數(shù)據(jù)與衛(wèi)星圖，導出最終所需要的地形貼圖及法線貼圖；

步驟4在Unity 3D 中導入地形高程圖及貼圖和法線貼圖[11]。如圖5所示。

圖5 Unity 3D 中導入地形Fig.5 Importing terrain in unity 3D

系統(tǒng)交互功能主要通過受訓者通過VR 手柄的不同姿態(tài)及不同按鍵功能實現(xiàn)。具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1使用VRTK_Interact Touch 腳本實現(xiàn)手柄碰觸物體觸發(fā)事件。

步驟2使用VRTK_Interact Grab 腳本實現(xiàn)抓取功能。

步驟3使用VRTK_Bezier Pointer 腳本實現(xiàn)瞬移功能，按下手柄面板的按鍵，松開之后將瞬移至前方弧線終點位置處。

基于上述軟件系統(tǒng)，VR 系統(tǒng)可以實現(xiàn)圖6所示功能。其中，主菜單有3 種施工場景可供選擇，即橋梁施工場景、道路施工場景、隧道施工場景，還有進一步細化的17 個具體場景。進入菜單頁面，扣動手柄扳機，即可選擇培訓場景。

4 體驗實例

在此，以橋梁火災安全教育為實例，介紹具體場景的構建和體驗過程，其真實環(huán)境與虛擬場景如圖7所示。

步驟1使用VRTK_Interact Touch 腳本實現(xiàn)手柄碰觸物體觸發(fā)事件功能。進入程序主界面后，通過手柄碰觸主界面中的3 個施工場景虛擬球，如選擇橋梁施工，然后扣動手柄扳機鍵，選擇火災和消防場景。

圖6 VR 系統(tǒng)功能Fig.6 Function of VR system

圖7 VR 火災場景Fig.7 VR fire scene

步驟2進入該場景后，使用VRTK_Bezier Pointer 腳本的瞬移功能，行進至倉庫內，2 s 后觸發(fā)起火點起火，火焰由小逐漸變大。

步驟3使用VRTK_Interact Grab 腳本實現(xiàn)抓取功能?；鹧孑^小時受訓者可以拿起滅火器滅火，滅火時，開始語音加文字提示：“請拿起手中的滅火器，扣動扳機鍵拔出保險銷”，受訓者扣動扳機鍵后，執(zhí)行保險銷拔出脫落的動畫。

步驟4繼續(xù)語音加文字提示：“請對準起火點，扣動扳機鍵開始滅火”，當受訓者滅掉身邊的火焰后，2 s 后切換到主場景。

步驟5當起火點火焰較大時，語音加文字提示：“火勢失控，3 s 后必須離開失火現(xiàn)場”，同時地面出現(xiàn)提醒受訓者至逃生門的綠色指示箭頭（消防燈閃爍，警鈴報警，逃生指示燈亮起）。此時受訓者選擇逃生，使用VRTK_Bezier Pointer 腳本的瞬移功能，按照綠色指示箭頭所指方向逃離現(xiàn)場。

步驟6受訓者選擇消防逃生后，3 s 后使用VRTK_Bezier Pointer 腳本功能，將受訓者緩慢傳送出逃生門，并語音加文字提示：“逃生成功”。

5 結語

安全生產(chǎn)教育是交通建設工程施工組織過程中必不可少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的施工安全教育效果無法令人滿意。文中融合VR 技術與施工安全理論教育，不但降低施工安全實訓基地的建設成本，而且可較大程度地提高參與受訓者的主動性，保障安全教育過程人員的安全。所設計的VR 系統(tǒng)解決了普遍存在的1 臺計算機服務1 套VR 設備的技術難題，可以實現(xiàn)1 臺主機同時驅動多個VR 設備，大幅提高了培訓效率。該系統(tǒng)經(jīng)過實際使用取得了良好的效果，具有較強的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。