基于VR的地鐵基坑施工安全教育系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

何 江，蒙泳君，趙庚亮，張志龍，湯德品，黃 彥

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；3.南寧增則科技有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

目前我國地鐵工程建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，由于地鐵基坑施工周期長且施工環(huán)境復(fù)雜等原因，施工中存在著各類安全事故頻發(fā)的現(xiàn)象[1]，造成不同程度的人員傷亡和財產(chǎn)損失。在導(dǎo)致各類事故頻發(fā)的事故原因中，施工員的不安全行為成為主要因素[2-4]。為提高地鐵基坑施工的安全性，國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部早在2011年頒布《地鐵工程施工安全評價標(biāo)準(zhǔn)》，提出對地鐵基坑施工員進(jìn)行相關(guān)安全培訓(xùn)教育的要求[5]。由此，為降低地鐵基坑施工事故發(fā)生率，對地鐵基坑施工員進(jìn)行有效的安全教育及培訓(xùn)極為重要。然而，在現(xiàn)實中，地鐵基坑施工安全教育是難以進(jìn)行實際操作演練的，且實際操作演練的經(jīng)濟(jì)成本較高、耗時長，存在一定程度的危險，這就導(dǎo)致在培養(yǎng)地鐵基坑施工員的安全意識與應(yīng)急救援能力上存在著較大的缺失。

對于難以進(jìn)行實際操作演練的教育培訓(xùn)項目，國內(nèi)外均有較多的研究案例，特別是采用多人VR(Virtual Reality)技術(shù)可應(yīng)用于多類行業(yè)的教育培訓(xùn)，并達(dá)到有效節(jié)省時間、節(jié)約成本、演練安全的效果，同時可快速達(dá)到教育目的[6-7]，如：火災(zāi)消防的應(yīng)急演練[8]；教育施工員針對在預(yù)制/預(yù)應(yīng)力混凝土生產(chǎn)作業(yè)中常出現(xiàn)事故的VR培訓(xùn)[9]；對建筑工地安全教育進(jìn)行施工安全評估的系統(tǒng)[10]；在土木建筑的施工培訓(xùn)上采用VR技術(shù)，可讓新手工人學(xué)習(xí)得更快且記得更牢固[11]；為快速提升學(xué)員在建筑工地上的危險識別和風(fēng)險管理的能力，采用VR技術(shù)開發(fā)了立體全景環(huán)境的安全培訓(xùn)系統(tǒng)[12]。這些采用VR技術(shù)的教育培訓(xùn)系統(tǒng)均顯示出較好的效益。在地鐵安全教育方面，王朔等[13]采用VR技術(shù)模擬地鐵在運(yùn)營時出現(xiàn)火災(zāi)爆炸、恐怖襲擊、水淹等突發(fā)事件時的應(yīng)急預(yù)案，提高地鐵運(yùn)營時緊急情況的預(yù)案應(yīng)對水平；唐維等[14]運(yùn)用BIM結(jié)合VR技術(shù)在地鐵基坑施工上的運(yùn)用，讓施工員更直觀地感受施工場景和了解施工的關(guān)鍵技術(shù)；方恩權(quán)等[15]采用VR技術(shù)從自動考勤建檔、組織培訓(xùn)、設(shè)備管理等方向開展培訓(xùn)，來提高地鐵基坑施工的安全性，但沒有針對性地開發(fā)常見的各類安全事故。由于地鐵基坑施工安全事故類型較多，且現(xiàn)實中難以進(jìn)行實際演練操作，因此直接針對不同地鐵基坑施工安全隱患而開發(fā)的事故應(yīng)急演練教育系統(tǒng)是目前地鐵建設(shè)施工行業(yè)所急需的。

本文通過分析地鐵基坑施工中常見的安全隱患類型，采用多人VR技術(shù)構(gòu)建地鐵基坑施工常見安全事故教育培訓(xùn)系統(tǒng)，以滿足地鐵基坑施工人員的安全教育培訓(xùn)需求，讓受訓(xùn)者快速認(rèn)知地鐵基坑施工存在的安全隱患，從而提高施工過程中的安全意識，培養(yǎng)在事故發(fā)生時能夠做出正確判斷的能力。

1 常見的地鐵基坑施工安全隱患

地鐵基坑施工的跨度區(qū)域一般較大，如某一地鐵工程，其基坑長214.8 m，寬29.5 m，深15.7 m，分為4個施工段，作業(yè)人員有50余人，在這4個地鐵基坑施工段常見的事故類型，如圖1所示。在第1施工段，主要作業(yè)為混凝土底板墊層澆筑，此時經(jīng)常需要操作振搗棒等用電設(shè)備，而由于操作磨損頻繁而容易發(fā)生電纜破皮現(xiàn)象，如不注意會導(dǎo)致觸電事故。第2施工段的主要作業(yè)為基地清理、物料吊裝等，此時物料吊裝過程中若出現(xiàn)不規(guī)范操作，則會發(fā)生物體高空散落打擊事故。第3施工段的主要作業(yè)為安裝鋼支撐進(jìn)行基坑支護(hù)，此時施工員需進(jìn)行高空作業(yè)以完成基坑支護(hù)工作，施工員需要時刻注意安全防護(hù)服的穿戴，以防高空墜落事故。第4施工段的主要作業(yè)為基坑開挖，該施工段屬于工程完成度最低，危險性、不確定性最大的施工段，會因自身超挖情況或周圍基坑環(huán)境的影響而發(fā)生土方坍塌事故。

圖1 地鐵基坑施工段常見的事故類型

綜上可知，各個施工段主要作業(yè)內(nèi)容存在著較大差異，而使各施工段的可能事故類型各有不同。因此，需要有針對性地根據(jù)不同事故類型進(jìn)行培訓(xùn)教育。

2 地鐵基坑施工安全教育系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)及運(yùn)行模式

由于地鐵基坑施工跨度較長，且在不同施工段的安全隱患差異較大，系統(tǒng)采用按施工段來運(yùn)行演練的方式，使施工人員更好地認(rèn)識在相應(yīng)施工段應(yīng)時常關(guān)注的事項，地鐵基坑施工安全教育系統(tǒng)的流程架構(gòu)，如圖2所示。同時，各個施工段的安全事故演練均包含救援演練模式，當(dāng)A角色進(jìn)行錯誤的操作導(dǎo)致事故發(fā)生時，第2角色B就需要立即進(jìn)行救援演練，從而快速培養(yǎng)施工人員的應(yīng)急救援能力，以最大程度地減少事故的發(fā)生與事故發(fā)生時的傷害。

圖2 地鐵基坑施工安全教育系統(tǒng)的流程架構(gòu)

系統(tǒng)基于Unreal Engine 4 引擎，在虛擬的三維環(huán)境下再現(xiàn)地鐵基坑施工出現(xiàn)頻繁或危害極大的事故場景，可通過人機(jī)交互操作，有效呈現(xiàn)地鐵基坑施工事故及應(yīng)急救援演練場景。主要有以下特點：1)真實性，即地鐵基坑施工事故場景及應(yīng)急救援指導(dǎo)場景具有強(qiáng)烈的真實現(xiàn)場感，客觀仿真了事故的各個環(huán)節(jié)；2)多人實時反饋性，多個角色均可以在各個地鐵基坑施工段事故的演練中，實現(xiàn)實時人機(jī)交互的各種指令，即時完成各項演練操作；3)科學(xué)性，通過科學(xué)算法完成無法進(jìn)行實地演練的地鐵基坑施工事故場景(如觸電、高空墜落)，幫助施工人員提升應(yīng)急救援能力。

系統(tǒng)分服務(wù)器、管理端、客戶端3個模塊進(jìn)行同場景協(xié)同運(yùn)行與管理。服務(wù)器可管控演練進(jìn)程、維護(hù)及管理數(shù)據(jù)、實現(xiàn)管理員端和客戶端的數(shù)據(jù)交互；在管理端，可進(jìn)行場景設(shè)置和預(yù)案推演。在場景設(shè)置界面里，主要是對不同施工段事故的演練選擇和場景關(guān)鍵點的選擇(如事故發(fā)生點、救援點等)。在預(yù)案推演設(shè)置界面里，可設(shè)置演練時間、事態(tài)發(fā)生計劃和刪除計劃等。在客戶端中，各演練者登錄后，進(jìn)入模式選擇，將置身于基坑場景中。系統(tǒng)可進(jìn)行多角色互動演習(xí)，以提高相互間的救援協(xié)調(diào)性。

2.2 地鐵基坑施工事故場景構(gòu)建

由于地鐵基坑施工的基坑場景較大且事故類型較多，為更科學(xué)、更真實地實現(xiàn)各施工段的事故場景，采用以下構(gòu)建方法。

1)由于地鐵基坑施工的基坑場景跨度較大，為保證場景和設(shè)備實時顯示的同時，能確保系統(tǒng)畫面的幀率，系統(tǒng)場景構(gòu)建時采用細(xì)節(jié)分層模型方法(Level of Detail，LOD)來進(jìn)行繪制，以3～4層不同細(xì)節(jié)度方案來實現(xiàn)大跨度三維場景的建模，極大地優(yōu)化了大場景的模型載荷。該構(gòu)建方式可根據(jù)演練角色視點的遠(yuǎn)近、視點主方向及物體在畫面上投影區(qū)域的大小等因素，對各個場景展現(xiàn)的側(cè)重點物體進(jìn)行高質(zhì)量繪制，然后距離較遠(yuǎn)的場景模型依次降低繪制的三角面及圖形質(zhì)量，這樣可以在不降低畫面質(zhì)量的情況下，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，提高畫面幀率。

2)在觸電事故中，需要對電弧粒子進(jìn)行模擬。除了要考慮生成其外觀效果外，還需考慮其發(fā)展過程，即電弧從突然增大到逐漸縮小或熄滅的過程，電弧粒子的構(gòu)建參見圖3。為能模擬出更加具有真實感的電弧場景，通過UE4級聯(lián)粒子系統(tǒng)中的事件子系統(tǒng)動態(tài)驅(qū)動實現(xiàn)，把電弧抽象成粒子運(yùn)動，最后定量化地描述出其屬性，并生成目標(biāo)對象(電弧)的粒子。在本粒子系統(tǒng)的控制機(jī)制中，實現(xiàn)了粒子層次化細(xì)分、粒子消亡及隨機(jī)變化、產(chǎn)生新粒子等，準(zhǔn)確模擬了電弧的運(yùn)動狀態(tài)，該運(yùn)動狀態(tài)公式如式(1)～(2)所示：

圖3 電弧粒子的構(gòu)建

(1)

(2)

式中：ν為電弧粒子運(yùn)動速度，m/s；ν(t0)為電弧粒子初始速度，m/s；κ為電弧速度，m/s；α(t)為電弧粒子的運(yùn)動加速度，m/s2；s為電弧粒子的位置，m；s(t0)為電弧粒子的初始位置，m；s(t)為電弧粒子在t時刻的運(yùn)動速度，m/s；t0為電弧粒子的初始時刻；Δt為電弧粒子產(chǎn)生后的時間變量，s。

3)地鐵基坑施工事故的場景需應(yīng)用到許多不同形態(tài)的物體碰撞，如果全部執(zhí)行復(fù)雜碰撞，會使碰撞檢測非常繁重，降低系統(tǒng)效率。而通過采用物理引擎PhysX進(jìn)行物理模擬，將執(zhí)行的碰撞檢測及碰撞對象之間進(jìn)行物理互動，使物理模擬高效化。高空墜落時物理碰撞模擬，如圖4所示。由圖4可知，高空墜落時安全繩牽制施工員的碰撞模擬，是通過采用物理引擎PhysX中的物理約束，來驅(qū)動仿真角色墜落時安全繩牽制下的擺動、旋轉(zhuǎn)等所有動態(tài)碰撞的計算，達(dá)到高效的物理纜繩模擬效果。

圖4 高空墜落時物理碰撞模擬

4)場景中各類人物角色的肢體動作和機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時的動態(tài)變化的模擬，均需要啟用骨架高級動畫系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。人物和機(jī)械等本體均由基本網(wǎng)格體和骨架網(wǎng)格體組件構(gòu)成?；揪W(wǎng)格體和骨架網(wǎng)格體組件可用來啟用骨架高級動畫。骨架高級動畫系統(tǒng)可基于網(wǎng)格頂點的變形與骨架的變形，通過多個動畫工具和編輯器構(gòu)建出真實復(fù)雜的動畫場景(如肢體運(yùn)動、挖掘機(jī)施工等復(fù)雜動畫)。演練角色可同時接受程序中AI(Artificial Intelligence)模塊的控制。AI角色在不同場景下可實現(xiàn)沿路徑行走或自動尋路、躲避障礙物及人員疏散等過程。動態(tài)AI角色的構(gòu)建，如圖5所示。

圖5 動態(tài)AI角色的構(gòu)建

通過以上的構(gòu)建方法，可讓用戶端任意角色在不同的施工條件下觸發(fā)不同的事故流程，各角色會依據(jù)自身對應(yīng)的突發(fā)事故展開相應(yīng)的應(yīng)急救援過程，來體驗不同的事故應(yīng)急演練場景。

3 地鐵基坑施工事故演練

以基坑超挖導(dǎo)致的土方坍塌緊急救援為例，基于所建立的平臺開展事故應(yīng)急人員的虛擬演練。救援組員通過賬號登錄后，選擇雙人演練模式并點擊確定，進(jìn)入下一步等待界面，等待系統(tǒng)分配角色，即開始演習(xí)?；映凇⑻?、救援場景，如圖6所示。在基坑進(jìn)行超挖的施工時，根據(jù)角色的行動，會產(chǎn)生以下2種不同的結(jié)果：

圖6 基坑超挖、坍塌、救援場景

1)如果角色A選擇阻止超挖，現(xiàn)場正在進(jìn)行土方挖掘的挖掘機(jī)會立即停止施工，排除了險情，所以土方坍塌事故就不會發(fā)生。

2)如果角色B選擇不阻止超挖，現(xiàn)場土方挖掘繼續(xù)進(jìn)行，但不久就發(fā)生土方坍塌事故，造成挖掘機(jī)被坍塌的土方壓倒掩埋，駕駛員掉出挖掘機(jī)并被石頭壓住。

隨后開展土方坍塌救援演練，并按照系統(tǒng)給出的指示完成救援工作。救援演練過程表明，系統(tǒng)中的場景設(shè)置合理，各個模塊設(shè)計科學(xué)，有助于提升現(xiàn)場人員處置能力。通過本虛擬演練平臺，借助于虛擬頭盔和手柄，對于單雙人的虛擬訓(xùn)練支持度較高，并可擴(kuò)展應(yīng)用于不同場景的多人協(xié)同訓(xùn)練。

由此，通過以地鐵基坑施工中實際存在的安全隱患為背景，采用多人VR技術(shù)，打造出上述事故場景進(jìn)行虛擬演練，可較好地解決因?qū)嶋H演練困難、演練成本較高等因素而難以實施的安全教育。該類型的虛擬演練還可以從傳統(tǒng)被動演習(xí)的方式轉(zhuǎn)變成沉浸式主動體驗，使施工人員更具體地理解相關(guān)事故的發(fā)生緣由，從而提升其事故防范意識及應(yīng)急救援能力。此外，構(gòu)建的虛擬演練平臺不局限于單一場景，還可以根據(jù)訓(xùn)練需要擴(kuò)展導(dǎo)入不同的災(zāi)害場景。

4 結(jié)論

1)按不同地鐵基坑施工段設(shè)置相應(yīng)的事故場景，演練人員可通過這些虛擬場景完成人機(jī)交互，實現(xiàn)地鐵基坑施工全過程的應(yīng)急虛擬演練。

2)通過本文構(gòu)建的應(yīng)急虛擬演練系統(tǒng)平臺，可使地鐵基坑施工員及時發(fā)現(xiàn)不同施工段常出現(xiàn)的安全隱患，快速提升其應(yīng)急處置能力，使地鐵基坑施工人員的教育應(yīng)急演練效果得到顯著提升。

3)在所搭建的虛擬演練系統(tǒng)平臺中，呈現(xiàn)了觸電事故、物體打擊、高空墜落、基坑坍塌這4種地鐵基坑施工時最常見的事故類型，可滿足目前教育培訓(xùn)的演練需求。下一步，可結(jié)合更多的培訓(xùn)要求開發(fā)更多類型地鐵基坑施工事故場景。