朱進(jìn)玉，汪貴平，關(guān)麗敏，李 立，雷 旭

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064）

交通建設(shè)工程施工中存在較多威脅安全生的事故隱患，國(guó)家和建設(shè)企業(yè)高度重視對(duì)施工人員的安全教育培訓(xùn)工作[1]。目前的施工安全教育[2]主要采取2 種方式：聘用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)素質(zhì)和職業(yè)道德水平較高的施工人員，對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行口頭培訓(xùn)[3]；利用施工現(xiàn)場(chǎng)條件搭建實(shí)體場(chǎng)景，通過(guò)受訓(xùn)者的實(shí)地體驗(yàn)和操作增強(qiáng)其安全意識(shí)。然而，前者“口傳身教”的培訓(xùn)模式，難以為受訓(xùn)者提供貼近施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況的培訓(xùn)環(huán)境，使其“身臨其境”，后者則要求受訓(xùn)者具備一定的建筑常識(shí)和施工經(jīng)驗(yàn)。因此，在新進(jìn)施工人員普遍文化程度較低、安全意識(shí)較差的情況下，2 種模式的實(shí)際培訓(xùn)效果均差強(qiáng)人意[4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)[5-6]通過(guò)集成計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能及網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)定義和模擬一個(gè)三維空間的虛擬世界，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)[7]。與其他可視化技術(shù)不同，VR 技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征[8]。

針對(duì)目前交通建筑工地施工的主要安全隱患，在此基于VR 技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了施工安全教育系統(tǒng)。以國(guó)家相關(guān)主管部門頒布的安全規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)理論知識(shí)體系，進(jìn)而采用VR 技術(shù)模擬橋梁、道路和隧道施工現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和險(xiǎn)情，使得受訓(xùn)者通過(guò)VR系統(tǒng)體驗(yàn)施工過(guò)程中的各種潛在危險(xiǎn)[9]，并了解相應(yīng)的防范知識(shí)及應(yīng)急措施。

1 交通建設(shè)工程施工安全教育系統(tǒng)

交通建設(shè)工程施工VR 安全教育系統(tǒng)主要包括理論知識(shí)學(xué)習(xí)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(shí)學(xué)習(xí)及考核系統(tǒng)主要完成受訓(xùn)者簽到、理論知識(shí)學(xué)習(xí)培訓(xùn)和培訓(xùn)后考核等功能；VR 系統(tǒng)主要為受訓(xùn)者提供交通建設(shè)工程施工虛擬場(chǎng)景、虛擬危險(xiǎn)源和虛擬處置環(huán)境，達(dá)到施工安全教育的目的。

2 理論知識(shí)學(xué)習(xí)及考核系統(tǒng)

施工安全教育的目的，在于讓受訓(xùn)者更好地掌握在施工中所注意的事項(xiàng)以及預(yù)防對(duì)策。

理論知識(shí)學(xué)習(xí)及考核系統(tǒng)利用身份證閱讀器采集受訓(xùn)者的簽到信息，完成簽到后即進(jìn)行施工安全理論知識(shí)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)內(nèi)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(gè)部分；每個(gè)部分又包括施工安全基礎(chǔ)知識(shí)、危險(xiǎn)源、安全指南、事故應(yīng)急措施等內(nèi)容。在受訓(xùn)者完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)以后，即可進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)情況的考核。

3 VR 安全教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施工人員、管理人員經(jīng)過(guò)安全知識(shí)的理論培訓(xùn)和考核以后，再通過(guò)VR 系統(tǒng)體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景。為了加深受訓(xùn)者對(duì)施工安全理論知識(shí)的理解，在此設(shè)計(jì)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(xùn)者能夠使用頭戴設(shè)備、操作手柄、振動(dòng)臺(tái)等VR 硬件設(shè)施觀察和參與虛擬施工。VR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件2 部分。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

VR 系統(tǒng)的硬件部分主要包括能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的高性能計(jì)算機(jī)、VIVE 頭戴設(shè)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(shí)物如圖2和圖3所示。此外，為了提示受訓(xùn)者重點(diǎn)安全場(chǎng)景并增強(qiáng)體驗(yàn)，在體驗(yàn)區(qū)下方設(shè)計(jì)有振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，可以根據(jù)VR 系統(tǒng)音頻信號(hào)在振動(dòng)臺(tái)上引發(fā)同步振動(dòng)，讓受訓(xùn)者能夠真實(shí)體驗(yàn)到事故發(fā)生時(shí)的強(qiáng)烈震撼感，從而加強(qiáng)受訓(xùn)者的安全意識(shí)。

圖2 硬件連接Fig.2 Hardware connection

圖3 VR 系統(tǒng)實(shí)物Fig.3 VR system object

由圖3 可見(jiàn)，VR 頭戴設(shè)備懸掛于墻壁兩側(cè)，定位器按照房間對(duì)角線上端以覆蓋整個(gè)房間范圍，顯示器實(shí)時(shí)顯示主頭戴設(shè)備當(dāng)前畫面。驅(qū)動(dòng)VR 操作系統(tǒng)的左側(cè)機(jī)柜包含有工業(yè)計(jì)算機(jī)、串流盒、視頻分配單元、UPS 等部件；用于控制振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的右側(cè)機(jī)柜包含有微型工控機(jī)、音頻分配單元、功率驅(qū)動(dòng)單元等部件。實(shí)際施工中通常需要較多的受訓(xùn)者同時(shí)參加教育培訓(xùn)，而現(xiàn)有的VR 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)1 臺(tái)計(jì)算機(jī)只能驅(qū)動(dòng)1 套VR 設(shè)備，致使培訓(xùn)效率較低。對(duì)此，設(shè)計(jì)了1 臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多套VR 設(shè)備的VR安全教育系統(tǒng)，培訓(xùn)效率大幅提高。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

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

場(chǎng)景模型庫(kù)在3Ds Max 中對(duì)相關(guān)設(shè)備及場(chǎng)景進(jìn)行三維模型構(gòu)建和優(yōu)化。人物模型和場(chǎng)景模型的建立過(guò)程如圖4所示。

圖4 3Ds Max 中人物以及場(chǎng)景基本模型的構(gòu)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(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)性[10]。具體實(shí)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(biāo)區(qū)域.jpg 衛(wèi)星圖片導(dǎo)入到GlobalMapper中，選擇UTM 生成光柵圖像（.bmp），該文件中包含目標(biāo)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(dǎo)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(biāo)地形，并測(cè)量最終地形的長(zhǎng)寬以及海拔高度；

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

步驟4在Unity 3D 中導(dǎo)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(dǎo)入地形Fig.5 Importing terrain in unity 3D

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

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

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

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

基于上述軟件系統(tǒng)，VR 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖6所示功能。其中，主菜單有3 種施工場(chǎng)景可供選擇，即橋梁施工場(chǎng)景、道路施工場(chǎng)景、隧道施工場(chǎng)景，還有進(jìn)一步細(xì)化的17 個(gè)具體場(chǎng)景。進(jìn)入菜單頁(yè)面，扣動(dòng)手柄扳機(jī)，即可選擇培訓(xùn)場(chǎng)景。

4 體驗(yàn)實(shí)例

在此，以橋梁火災(zāi)安全教育為實(shí)例，介紹具體場(chǎng)景的構(gòu)建和體驗(yàn)過(guò)程，其真實(shí)環(huán)境與虛擬場(chǎng)景如圖7所示。

步驟1使用VRTK_Interact Touch 腳本實(shí)現(xiàn)手柄碰觸物體觸發(fā)事件功能。進(jìn)入程序主界面后，通過(guò)手柄碰觸主界面中的3 個(gè)施工場(chǎng)景虛擬球，如選擇橋梁施工，然后扣動(dòng)手柄扳機(jī)鍵，選擇火災(zāi)和消防場(chǎng)景。

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

圖7 VR 火災(zāi)場(chǎng)景Fig.7 VR fire scene

步驟2進(jìn)入該場(chǎng)景后，使用VRTK_Bezier Pointer 腳本的瞬移功能，行進(jìn)至倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，2 s 后觸發(fā)起火點(diǎn)起火，火焰由小逐漸變大。

步驟3使用VRTK_Interact Grab 腳本實(shí)現(xiàn)抓取功能?；鹧孑^小時(shí)受訓(xùn)者可以拿起滅火器滅火，滅火時(shí)，開(kāi)始語(yǔ)音加文字提示：“請(qǐng)拿起手中的滅火器，扣動(dòng)扳機(jī)鍵拔出保險(xiǎn)銷”，受訓(xùn)者扣動(dòng)扳機(jī)鍵后，執(zhí)行保險(xiǎn)銷拔出脫落的動(dòng)畫。

步驟4繼續(xù)語(yǔ)音加文字提示：“請(qǐng)對(duì)準(zhǔn)起火點(diǎn)，扣動(dòng)扳機(jī)鍵開(kāi)始滅火”，當(dāng)受訓(xùn)者滅掉身邊的火焰后，2 s 后切換到主場(chǎng)景。

步驟5當(dāng)起火點(diǎn)火焰較大時(shí)，語(yǔ)音加文字提示：“火勢(shì)失控，3 s 后必須離開(kāi)失火現(xiàn)場(chǎng)”，同時(shí)地面出現(xiàn)提醒受訓(xùn)者至逃生門的綠色指示箭頭（消防燈閃爍，警鈴報(bào)警，逃生指示燈亮起）。此時(shí)受訓(xùn)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(chǎng)。

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

5 結(jié)語(yǔ)

安全生產(chǎn)教育是交通建設(shè)工程施工組織過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的施工安全教育效果無(wú)法令人滿意。文中融合VR 技術(shù)與施工安全理論教育，不但降低施工安全實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)成本，而且可較大程度地提高參與受訓(xùn)者的主動(dòng)性，保障安全教育過(guò)程人員的安全。所設(shè)計(jì)的VR 系統(tǒng)解決了普遍存在的1 臺(tái)計(jì)算機(jī)服務(wù)1 套VR 設(shè)備的技術(shù)難題，可以實(shí)現(xiàn)1 臺(tái)主機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)VR 設(shè)備，大幅提高了培訓(xùn)效率。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際使用取得了良好的效果，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。