林建成

〔中石化森美(福建)石油有限公司三明分公司 福建三明 365000〕

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在?；髽I(yè)安全培訓(xùn)中應(yīng)用的探討

林建成

〔中石化森美(福建)石油有限公司三明分公司 福建三明 365000〕

在介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、應(yīng)用范圍以及主要特征的前提下，重點(diǎn)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在危化企業(yè)培訓(xùn)應(yīng)用的主要內(nèi)容：一是事故情景構(gòu)建仿真；二是車間布局及環(huán)境建模仿真；三是設(shè)備安裝檢修直接作業(yè)環(huán)節(jié)仿真；四是安全隱患虛擬查找教學(xué)仿真；五是事故應(yīng)急演練實(shí)訓(xùn)仿真。該技術(shù)在?；髽I(yè)安全培訓(xùn)中的應(yīng)用具有提升培訓(xùn)效果、節(jié)約時(shí)間和成本、增強(qiáng)安全可靠性以及豐富課堂教學(xué)形式等優(yōu)勢，為提高?；髽I(yè)安全培訓(xùn)效果提供了新途徑。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ?；髽I(yè) 安全培訓(xùn) 應(yīng)用 探討

當(dāng)前我國正在持續(xù)推進(jìn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，自動(dòng)化程度越來越高，安全生產(chǎn)面臨新的隱患和威脅，各類事故的發(fā)生，使保障企業(yè)生產(chǎn)安全成為社會(huì)發(fā)展的核心問題之一，企業(yè)安全管理和安全培訓(xùn)工作是擺在危化企業(yè)面前非常重要的課題。傳統(tǒng)的安全培訓(xùn)是通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作的方式完成，但由于一些特殊原因，造成培訓(xùn)時(shí)間較短，學(xué)員不能系統(tǒng)、深入地掌握必要的知識(shí)。同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)操教學(xué)不容易模擬演示特種設(shè)備的操作和發(fā)生事故后的處理流程，導(dǎo)致學(xué)員處理事故和操作技術(shù)只是理論先行，判斷能力和處理能力得不到提高。重要的是有些設(shè)備在培訓(xùn)時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)員的安全得不到保障。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維培訓(xùn)為企業(yè)安全培訓(xùn)提供了一個(gè)先進(jìn)、直觀的新途徑，已逐漸成為體驗(yàn)式安全培訓(xùn)的發(fā)展方向。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及應(yīng)用范圍

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual ReaIity)簡稱VR技術(shù),是指利用人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口、多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子、機(jī)械、視聽等高新技術(shù)，模擬人在特定環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。它與傳統(tǒng)模擬技術(shù)完全不同的是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，而虛擬環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺感受為主也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸，檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前主要被應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)指揮模擬，飛機(jī)、船舶、車輛虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛訓(xùn)練，飛機(jī)、導(dǎo)彈、輪船與轎車的虛擬制造( 含系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)) ，虛擬現(xiàn)實(shí)建筑物的展示與參觀，虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn)，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)影視藝術(shù)等。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征

2.1 多感知性

指除一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能，但由于傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能還僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。

2.2 沉浸感

指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到用戶難辨真假的程度，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，看上去一切是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。

2.3 交互性

指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實(shí)時(shí)性)。 “參與者”可以利用視覺、聽覺、 觸覺、嗅覺和味覺等感官功能及對(duì)話、頭部運(yùn)動(dòng)、眼睛移動(dòng)、轉(zhuǎn)身、拾取和放置物品等人類自然技能，對(duì)虛擬實(shí)體進(jìn)行交互考察與操作的過程。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。

2.4 構(gòu)想性

又稱為自主性，強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。 一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識(shí)別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

3 VR技術(shù)在?；髽I(yè)安全培訓(xùn)中的應(yīng)用

基于VR技術(shù)的多方面優(yōu)勢，在?；髽I(yè)的應(yīng)用也逐漸推廣和普及，應(yīng)用前景廣闊。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是結(jié)合培訓(xùn)科目需要制定的一種VR應(yīng)用，是針對(duì)特定培訓(xùn)科目真實(shí)課件內(nèi)容進(jìn)行的3D數(shù)字內(nèi)容的模擬開發(fā)，并借助3D虛擬環(huán)境或3D立體顯示設(shè)備模擬一學(xué)科的訓(xùn)練環(huán)境、條件和流程，使培訓(xùn)者能夠獲得和真實(shí)世界一樣或者相近的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)，起到替代或者部分替代實(shí)訓(xùn)效果的作用。就目前來看，在安全培訓(xùn)中應(yīng)用VR技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：

3.1 事故情景構(gòu)建仿真

通過VR技術(shù)安全系統(tǒng)分析方法，利用相關(guān)軟件模擬出形象可感的事故場景，包括災(zāi)害事故波及范圍、時(shí)間、具體過程及影響情形等。比如，在爆炸仿真中，可以進(jìn)行爆炸強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)定，只需要在相關(guān)系統(tǒng)程序中將介質(zhì)的溫度、密度、壓力及工況等相關(guān)參數(shù)輸入進(jìn)去，就能得到事故的最終危害結(jié)果。采用這種方式對(duì)事故模式及影響進(jìn)行仿真，可使培訓(xùn)員工能夠更加直觀地了解事故的危險(xiǎn)并減小親臨現(xiàn)場參加培訓(xùn)的危險(xiǎn)。

3.2 車間布局及其環(huán)境建模仿真

對(duì)生產(chǎn)車間的環(huán)境及相關(guān)工藝流程等進(jìn)行可視化建模仿真，通過頭盔式顯示器(VR眼鏡)、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和其他設(shè)備來實(shí)現(xiàn)虛擬車間的三維空間漫游。相關(guān)人員可以利用數(shù)據(jù)手套對(duì)各類系統(tǒng)閥門、開關(guān)及操作桿等進(jìn)行操作，并對(duì)各類參數(shù)下的設(shè)備設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬操作，使得培訓(xùn)人員能在主要的虛擬情境中更快更準(zhǔn)確地掌握并完成工藝流程及操作[1]，達(dá)到訓(xùn)練效果。

3.3 設(shè)備安裝檢修直接作業(yè)環(huán)節(jié)仿真

對(duì)設(shè)備安裝檢修中直接作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真，使得學(xué)員身臨其境，擺脫了書本中不可觸摸、不可感知的文字。同時(shí)解決了教學(xué)中無法提供實(shí)地觀摩施工項(xiàng)目的困擾，各種設(shè)備器件的安裝、維修過程及重點(diǎn)監(jiān)管的直接作業(yè)環(huán)節(jié)都可以通過虛擬的設(shè)備來進(jìn)行培訓(xùn)，使授課內(nèi)容不再以空洞的說教為基礎(chǔ)，而是以大量詳實(shí)、生動(dòng)、直觀的虛擬情節(jié)出現(xiàn)，使寓教于樂成為教學(xué)的主要方式。

3.4 安全隱患虛擬查找教學(xué)仿真

作為危險(xiǎn)化學(xué)品從業(yè)人員，深入作業(yè)現(xiàn)場檢查是工作的重要組成部分。但由于現(xiàn)場安全隱患的呈現(xiàn)方式千差萬別，不同行業(yè)企業(yè)又有不同的安全隱患，如果僅憑借書本知識(shí)，很難真正落實(shí)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際檢查。利用VR技術(shù)模擬構(gòu)建針對(duì)安全檢查人員的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，將不同的安全隱患場景、案件發(fā)生經(jīng)過真實(shí)場面逼真模擬或者還原，通過手去觸摸、拖拽顯示器界面內(nèi)容來轉(zhuǎn)換視角，可360度無死角地觀察環(huán)境，有立體感地查找安全隱患，系統(tǒng)還可以進(jìn)行提示性操作，模擬不易查找的事故隱患，讓學(xué)員深刻了解日常生活中的安全隱患，如果不采取措施后果的嚴(yán)重性就會(huì)展現(xiàn)在面前。

3.5 事故應(yīng)急演練實(shí)訓(xùn)仿真

利用VR技術(shù)構(gòu)建各類突發(fā)事故應(yīng)急場景模擬系統(tǒng)，讓學(xué)員在逼真的環(huán)境(如火災(zāi)、爆炸、泄漏和恐怖等)中應(yīng)對(duì)處置。系統(tǒng)可以對(duì)事故成因、發(fā)展及應(yīng)急處置等數(shù)據(jù)進(jìn)行完全模擬仿真，能夠根據(jù)學(xué)員處置演練動(dòng)作給予及時(shí)場景反饋，擺脫演練場景靠想象的傳統(tǒng)方式。由學(xué)員控制相應(yīng)角色，完成事故應(yīng)急處理或作業(yè)過程，系統(tǒng)界面會(huì)顯示在培訓(xùn)過程中學(xué)員選擇錯(cuò)誤的地方，根據(jù)提示再進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。培訓(xùn)完成后，學(xué)員還要進(jìn)行復(fù)盤提升，包括小組自評(píng)互評(píng)、回放錄像、專家點(diǎn)評(píng)補(bǔ)充、規(guī)范應(yīng)急流程、規(guī)范演練展示、補(bǔ)充完善6個(gè)組織環(huán)節(jié)。通過復(fù)盤討論、回放演練錄像，查找演練中的不足，提高學(xué)員的應(yīng)急處置水平。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在安全培訓(xùn)中的優(yōu)勢

4.1 提升培訓(xùn)效果

借助于虛擬場景和相應(yīng)的設(shè)備模擬展現(xiàn)出真實(shí)的情景，允許學(xué)員直接觀察事物變化，操作虛擬設(shè)備，檢測實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得學(xué)員在學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境相同的感受，使培訓(xùn)過程變得生動(dòng)、形象，易于理解和操作，提高實(shí)際工作技能。

4.2 節(jié)省時(shí)間和成本

VR技術(shù)使實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用軟硬件結(jié)合，可以反復(fù)、多次進(jìn)行，不受人數(shù)限制，極大地提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能的多樣化和設(shè)備利用率。通過建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以大大降低培訓(xùn)成本，使學(xué)員在短時(shí)間內(nèi)獲得更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到更好的培訓(xùn)效果。

4.3 增強(qiáng)安全可靠性

某些傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目由于學(xué)員的失誤會(huì)產(chǎn)生一些不良的危害，比如一些危險(xiǎn)性演練、破壞性實(shí)驗(yàn)等等，這些危害包括對(duì)學(xué)員自身的或者對(duì)環(huán)境的。使用虛擬仿真培訓(xùn)可以很好地避免這些問題，從而使學(xué)員在安全的狀態(tài)下更好地完成學(xué)習(xí)認(rèn)知的任務(wù)，提升培訓(xùn)效果。

4.4 豐富課堂教學(xué)形式

對(duì)在培訓(xùn)教學(xué)過程中難以演示的部分，無法通過口述或一些非直觀的演示來完成，講師可通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來滿足實(shí)際的教學(xué)需求[2]，擺脫培訓(xùn)對(duì)客觀實(shí)物的依賴。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通過逼真模擬培訓(xùn)科目的訓(xùn)練環(huán)境、條件和流程，使學(xué)員能夠獲得和真實(shí)世界一樣或者相近的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)，達(dá)到替代或者部分替代實(shí)訓(xùn)效果的作用。自2016年以來，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立安全實(shí)訓(xùn)基地和仿真模擬培訓(xùn)基地已經(jīng)成為危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全管理及安全培訓(xùn)的迫切需要和發(fā)展趨勢，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠有效解決現(xiàn)有安全培訓(xùn)過程管理不嚴(yán)、質(zhì)量不能保證的問題。同時(shí)能夠降低培訓(xùn)成本、實(shí)操考試成本及實(shí)操安全風(fēng)險(xiǎn)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品從業(yè)人員能夠經(jīng)常接受安全培訓(xùn)，強(qiáng)化安全管理意識(shí)及安全管理能力，更好地搞好安全生產(chǎn)，造福于企業(yè)，造福于社會(huì)。

[1] 常錦，時(shí)小娟.分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在?；髽I(yè)安全培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2013，101(2)：115.

[2] 白晟.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技展望，2016, 25(12)：171.

2017-01-20。

林建成(1984-)，男，福建省莆田人，2007年畢業(yè)于福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，軟件工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事加油站安全管理工作。