胡鐵力 覃 登

廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息中心 廣西南寧 530100

近年來，各種突發(fā)事件頻率增加，并造成生命財產(chǎn)損失。但這些事件及事故的發(fā)生，大部分都是由于操作不規(guī)范、救援不及時、救援技術(shù)不專業(yè)不熟練等原因造成的。這也同時顯露出我們的一些專業(yè)隊伍、安全管理人員、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)等安全生產(chǎn)重在預(yù)防的淡薄意識，平時沒有很好地進行常態(tài)化的業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)、事前培訓(xùn)、演練等，當(dāng)然，這些業(yè)務(wù)的開展從客觀上來講，各個地區(qū)也都存在著多種多樣、千差萬別的因素。

1 運用研究探討目的和意義

企業(yè)的安全管理、安全崗位工作規(guī)范要求及培訓(xùn)學(xué)習(xí)、演練、事故應(yīng)急救援處置等制度建立得完善，是事故發(fā)生時第一時間響應(yīng)和處置的關(guān)鍵，是防御安全事故、控制蔓延、降低危害及人員傷亡、減少企業(yè)損失的關(guān)鍵手段。從近幾年發(fā)生的事件和生產(chǎn)事故分析，多數(shù)事故是由于事前沒有預(yù)防、培訓(xùn)、演練，事中違規(guī)或不規(guī)范操作、事后應(yīng)急處置方法不當(dāng)，導(dǎo)致救援不及時、不科學(xué)，從而造成了嚴(yán)重后果。尤其是危化品、煙花爆竹、礦山、建筑、工業(yè)制造等行業(yè)在生產(chǎn)過程中的安全操作行為和應(yīng)急處置能力，是一個緊迫而嚴(yán)肅的問題[1]。

隨著企業(yè)信息化不斷發(fā)展普及、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用普及、VR虛擬仿真技術(shù)日益成熟，國內(nèi)外研究成果和應(yīng)用案例介紹，VR技術(shù)將被廣泛應(yīng)用到?；?、煙花爆竹、礦山、建筑、工業(yè)制造等行業(yè)學(xué)習(xí)培訓(xùn)中，如虛擬現(xiàn)場教學(xué)及培訓(xùn)、應(yīng)急救援指揮平臺、安全生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域。VR技術(shù)必將在?；袠I(yè)、應(yīng)急救援等培訓(xùn)發(fā)揮巨大作用，且效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)培訓(xùn)模式。

2 國內(nèi)外研究成果分析

與發(fā)達(dá)國家相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在我們國家研究時間比較短。國內(nèi)的教育培訓(xùn)形式仍然比較陳舊，采用傳統(tǒng)的以教師講授為主的培訓(xùn)教育方式，主要是采用課本、PPT、圖片、視頻等方式對學(xué)員進行培訓(xùn)教育，沒有真實環(huán)境進行操作往往理解起來難度比較大，培訓(xùn)效果有待提高；培訓(xùn)結(jié)果評估以試卷考試為主，不能突出對學(xué)生綜合素質(zhì)與實踐應(yīng)用能力的考評[2]。

隨著計算機圖形以及系統(tǒng)工程等技術(shù)的發(fā)展，國家各部門和科學(xué)家開始重視虛擬現(xiàn)實技術(shù)。這項技術(shù)也引起了各界人士的重視，并加大技術(shù)的運用與研究。一些研究機構(gòu)和高校開始了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究工作。最早進行VR研究的是北京航空航天大學(xué)計算機系，在這方面該研究單位是非常具有權(quán)威的。虛擬現(xiàn)實以及可視化新技術(shù)繼承了原有的分布式虛擬環(huán)境。提供三維的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，可以演示環(huán)境的虛擬現(xiàn)實情況。主要用于飛行訓(xùn)練的實時系統(tǒng)以及系統(tǒng)開發(fā)平臺等，主要重視的是虛擬環(huán)境中物理特性的處理以及表示并且在虛擬現(xiàn)實結(jié)構(gòu)反面開發(fā)出了一些硬件，同時提出了計算方法以及實現(xiàn)方式等。

QuickTime技術(shù)所制作的“布達(dá)拉宮”是由清華大學(xué)國家光盤工程研究中心研制的。這項技術(shù)實現(xiàn)了大全景的展現(xiàn)。浙江大學(xué)的實驗室開發(fā)了桌面型虛擬環(huán)境實時漫游系統(tǒng)，同時在研發(fā)的過程中，開發(fā)了一種新型的快速漫游算法，以及遞進網(wǎng)絡(luò)快速生成法。

高級行為特定人臉圖像已經(jīng)由哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機系成功研制，這項技術(shù)有效解決了表情合成以及唇動合成的技術(shù)問題。在研究一個人說話的時候，其頭部動作、手勢動作，還有語言語調(diào)的同步情況。武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所主要是研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)，做好機械虛擬制造工作，包括產(chǎn)品原型、快速生產(chǎn)等一系列的創(chuàng)新技術(shù)。

中國科技開發(fā)院的威海分院，其研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的接口技術(shù)，完成了該項技術(shù)的圖像算法軟件接口問題。在硬件開發(fā)完成了紅外立體眼鏡工作，實現(xiàn)了商品化。

除了一些高校的研究之外，最近這些年，我們國家也出現(xiàn)了很多專門從事虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研發(fā)公司。

3 發(fā)展趨勢探討

以實際為需求，未來虛擬顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢有兩個方面。第一個方面，主要是向著桌面虛擬技術(shù)進行發(fā)展，另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現(xiàn)實發(fā)展[3]。

兩種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)未來發(fā)展主要是在建模、繪制方法、系統(tǒng)建構(gòu)等方面提出了一系列新的要求。其新特點以及技術(shù)，主要表現(xiàn)在如下幾方面。

3.1 動態(tài)環(huán)境建模

虛擬環(huán)境是建立在VR技術(shù)基礎(chǔ)上的，動態(tài)環(huán)境建模的目的是獲得真實環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，同時根據(jù)數(shù)據(jù)建立起虛擬環(huán)境的模型。

3.2 實時三維圖形生成和顯示

三維圖形生成技術(shù)比較成熟，其關(guān)鍵點在于如何實時生成。在不降低圖像質(zhì)量和復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，提高刷新頻率是未來研究的重要內(nèi)容。同時，VR技術(shù)依賴于傳感器技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)有的虛擬設(shè)備無法滿足系統(tǒng)需求，需要開發(fā)新的三維圖形以及顯示技術(shù)。

3.3 創(chuàng)新人機交互設(shè)備

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬世界對象的交互工作，讓人感覺身臨其境一般。借用輸入輸出設(shè)備，包括數(shù)據(jù)手套、衣服顯示、頭盔器，以及三維聲音位置傳感器等，然而實際應(yīng)用中，效果不理想，所以未來研究重點主要在于新型便宜且魯棒性優(yōu)良的數(shù)據(jù)手套和衣服等方面。

3.4 智能化語音虛擬現(xiàn)實建模工作

虛擬現(xiàn)實建模是非常復(fù)雜的過程，要耗費大量的精力、物力和時間。如果結(jié)合語音識別技術(shù)，智能技術(shù)以及VR技術(shù)，則可以有效解決該問題。對模型、屬性、方法和一般特點描述。采用語音技術(shù)轉(zhuǎn)換建模所要的數(shù)據(jù)，利用圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)開展設(shè)計評價，將模型用對象表示，各種模型靜態(tài)和動態(tài)有效連接，形成最終的模型系統(tǒng)[4]。

3.5 網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用和研究

未來分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)是該項虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展重要方向。伴隨多分布式虛擬開發(fā)工具和系統(tǒng)的出現(xiàn)，DVR開始融入各行各業(yè)中，例如工程、醫(yī)療、教學(xué)和協(xié)同設(shè)計等。

這些年伴隨網(wǎng)絡(luò)的普及以及應(yīng)用，一些面對網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實的運用，分布在世界各地多個用戶可同時工作。把分散虛擬現(xiàn)實技術(shù)或者是仿真器通過網(wǎng)絡(luò)連接。采用一致的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)形成數(shù)據(jù)庫，在同一個時間和空間上，虛擬合成環(huán)境。參與者自由開展交互，這在航空航天應(yīng)用中非常突出，主要是國際空間站參與的國家，分布在世界不同區(qū)域，而采用分布式的VR訓(xùn)練環(huán)境，不需要適應(yīng)異地生活。在我國“863計劃”支持下，多所高校一起聯(lián)合操作，開發(fā)了分布虛擬環(huán)境、基礎(chǔ)環(huán)境的信息平臺。這一平臺的開發(fā)，為我國分布式虛擬現(xiàn)實研究提供了必要的基礎(chǔ)[5]。

4 運用研究應(yīng)達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)

4.1 建立完善的安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急救援培訓(xùn)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系和標(biāo)準(zhǔn)

建立完善的安全生產(chǎn)管理及應(yīng)急救援培訓(xùn)現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺體系，利用VR仿真技術(shù)，模擬真實設(shè)備操作，將實際操作能力提升到新的高度，同時與虛擬仿真培訓(xùn)相結(jié)合，真正做到資源的合理利用和合理分配。并且改變過去單向傳授的“填鴨式”培訓(xùn)方式，利用三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的多向互動、異地遠(yuǎn)程實時仿真培訓(xùn)、直觀推演、效果逼真、可重復(fù)性高等特點，將安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急救援等領(lǐng)域所涉及的知識、能力、技巧、要求等按類按需設(shè)定知識框架標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，將培訓(xùn)服務(wù)體系建設(shè)到一個新的高度。

4.2 建立安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援流程體系規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)系統(tǒng)

根據(jù)國內(nèi)安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急救援培訓(xùn)方面的現(xiàn)狀，總結(jié)目前國內(nèi)有待完善的規(guī)章制度，建立一套切實可行的、標(biāo)準(zhǔn)流程性的安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援流程體系標(biāo)準(zhǔn)和培訓(xùn)系統(tǒng)，并解決相關(guān)責(zé)任人、企事業(yè)單位職員、普通民眾應(yīng)急管理薄弱的培訓(xùn)工作問題。

4.3 建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)培訓(xùn)平臺體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)習(xí)培訓(xùn)考核大數(shù)據(jù)庫

建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)學(xué)習(xí)平臺體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，對企事業(yè)單位管理人員、一線崗位專項人員、普通公民、志愿者隊伍等分類建設(shè)培訓(xùn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。因其社會分工不同，將面向安全生產(chǎn)、應(yīng)急救援等各崗位的人員，制作培訓(xùn)課件以及建設(shè)不同學(xué)習(xí)環(huán)境和系統(tǒng)，以使培訓(xùn)能滿足社會發(fā)展和企業(yè)安全生產(chǎn)的需求，使全民參與應(yīng)急培訓(xùn)[6]。

5 運用研究探討的內(nèi)容

利用5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸速率快、低時延、高可靠、智能設(shè)備連接數(shù)量多等特點，結(jié)合VR技術(shù)和VR眼鏡提供沉浸式的技術(shù)，探討建設(shè)安全生產(chǎn)管理及應(yīng)急救援培訓(xùn)教學(xué)平臺體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。為有毒有害、高輻射、高腐蝕等高危場景、平常不可達(dá)區(qū)域的關(guān)鍵作業(yè)的專業(yè)作業(yè)能力和異常處置能力的提升提供技術(shù)手段，結(jié)合多場景專題培訓(xùn)目標(biāo)，為學(xué)員提供高效的培訓(xùn)內(nèi)容。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為學(xué)員提供真實的環(huán)境，鞏固他們的學(xué)習(xí)過程。通過進行綜合訓(xùn)練與研究，能夠解決以下問題。

(1)培訓(xùn)課程體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)建立：以安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急救援人員為中心構(gòu)建培訓(xùn)體系平臺的課程體系標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建初—中—高三級課程體系，實現(xiàn)基礎(chǔ)知識教學(xué)、專項技能掌握、協(xié)同配合作業(yè)、異地遠(yuǎn)程培訓(xùn)等全方位培訓(xùn)平臺體系標(biāo)準(zhǔn)。并創(chuàng)建學(xué)習(xí)引導(dǎo)模式、練習(xí)模式、考核模式等三種培訓(xùn)模式標(biāo)準(zhǔn)[7]。

(2)專業(yè)協(xié)同培訓(xùn)教室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：專項培訓(xùn)室是為專業(yè)人員，如安全生產(chǎn)管理人員、專職救援隊伍、企業(yè)異常處置崗位工人等，其培訓(xùn)課程內(nèi)容復(fù)雜，交互場景豐富、協(xié)同要求高，故專項培訓(xùn)教室VR硬件配置要求較高，需要配置具有“原地?zé)o限空間移動+姿態(tài)控制+勢能反饋”能力的VR設(shè)備。

(3)VR培訓(xùn)課件開發(fā)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對具有典型特點的裝置、危險作業(yè)進行仿真建模，開發(fā)具有針對性、實用性的交互式虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，模擬裝置及周邊環(huán)境，實現(xiàn)為新入職員工、老員工提供進階式的培訓(xùn)模式標(biāo)準(zhǔn)。

(4)搭建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺及異地遠(yuǎn)程培訓(xùn)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：利用與華為技術(shù)公司校企合作機會，充分利用華為技術(shù)公司在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VR和AR技術(shù)等方面雄厚的科研及技術(shù)力量，利用云平臺大數(shù)據(jù)，共同研究搭建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺及異地遠(yuǎn)程培訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺標(biāo)準(zhǔn)，搭建學(xué)習(xí)培訓(xùn)的考核系統(tǒng)模塊標(biāo)準(zhǔn)。

(5)建設(shè)安全工程虛擬仿真教學(xué)中心(學(xué)院基本已建成使用)：建設(shè)安全工程虛擬仿真教學(xué)中心，為后續(xù)的仿真培訓(xùn)課件制作驗證、現(xiàn)場虛擬環(huán)境培訓(xùn)體驗提供場地保證。

6 運用研究探討應(yīng)有的成果

該運用研究出一定的成果并能最終建設(shè)完成，將會吸引國內(nèi)外的相關(guān)從業(yè)者進行培訓(xùn)，在此期間不僅受培訓(xùn)者收獲頗多，也會增加行業(yè)對應(yīng)急救援的重視，同時此設(shè)備符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)省資源。也是對應(yīng)急救援的一次宣傳。這領(lǐng)域的研究應(yīng)帶來以下的研究成果：

(1)VR場景漫游、快速跳轉(zhuǎn)：在系統(tǒng)中，培訓(xùn)人員可在場景中，進行場景漫游，通過走路方式進行漫游，也可通過手勢進行場景跳轉(zhuǎn)，方便學(xué)員進行場景瀏覽。用戶以第一人稱視角可對場景進行360°漫游，結(jié)合三維空間定位系統(tǒng)，實時定位用戶位置。

(2)多種交互控制：支持手柄交互、手勢交互、動作捕捉交互、語音交互等交互控制方式，系統(tǒng)可通過手柄方式對場景的設(shè)備進行控制，也可穿戴VR手套，通過VR手套交互手勢，進行操作，同時可對動作捕捉來判定學(xué)員的動作規(guī)范性，并可通過語音交互，與培訓(xùn)場景的NPC人員進行語音交流。

(3)系統(tǒng)交互使用向?qū)Чδ埽涸谂嘤?xùn)過程中，系統(tǒng)會有背景音對培訓(xùn)流程、培訓(xùn)注意事項、培訓(xùn)課件、課件背景進行向?qū)?，增加培?xùn)環(huán)境的沉浸感，引導(dǎo)學(xué)員進行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。

(4)多機協(xié)同交互：VR協(xié)同培訓(xùn)課程實現(xiàn)兩人至多人(不少于4人)的培訓(xùn)課程建設(shè)，并最終可根據(jù)操作步驟及事故處置完成情況進行考核評估，并最終生成對于個人和班組的評估報告，幫助學(xué)員面對實際工作處置時能夠更好地配合協(xié)同處置能力。

(5)任務(wù)執(zhí)行引導(dǎo)控制：在進行VR培訓(xùn)過程中，根據(jù)培訓(xùn)步驟，通過彈窗提示面板對任務(wù)進行文字、語音提示，學(xué)員根據(jù)提示引導(dǎo)信息，進行VR操作。

(6)交互行為記錄與培訓(xùn)報告：系統(tǒng)在培訓(xùn)過程中，可記錄交互性的行為，包括交互動作、交互語音等交互指令，同時培訓(xùn)結(jié)束后，可生成培訓(xùn)報告，記錄培訓(xùn)過程指令、培訓(xùn)時間、培訓(xùn)成績等。

結(jié)語

基于VR技術(shù)進行安全培訓(xùn)，可以結(jié)合其動態(tài)功能讓體驗者有最真實的感受，有效提升工作人員的安全意識并且減少了事故的發(fā)生，大大提高了安全培訓(xùn)效果，同時還可以減少培訓(xùn)的成本，優(yōu)化培訓(xùn)效果，讓新科技可以更好地為大眾服務(wù)。