铁路四电工程VR技术安全培训场景研发及应用

铁路四电工程VR技术安全培训场景研发及应用

王先铎1 ,李永攀2

1身份证号码：500228198607203739

2身份证号码：130182198502164896

摘要：近年来，VR等三维可视化虚拟现实技术蓬勃发展，其借助计算机及多种新式传感器，创造出一种崭新的人机交互沉浸模式。国家建造业向数字化、智能化方向发展的同时，运用VR虚拟现实技术，可有效降低安全质量事故发生频次。因此，本文在对VR虚拟现实技术分析和运用的基础上，结合铁路建造行业中的通信、信号、电力、牵引供电建造过程特点，分析事故类别，针对性地开发相应的培训场景，在安全教育培训中应用。

关键词：四电工程；VR；安全；沉浸；交互；真实

0. 前言

VR是Virtual Reality的英文缩写，即虚拟现实技术，其借助计算机及多种新式传感器，创造出一种崭新的人机交互沉浸模式。美国是虚拟现实技术研究的发源地，日本虚拟现实技术应用于大规模VR知识库和虚拟现实游戏领域。德国VR在改造传统产业方面，用于产品设计、产品演示和培训。VR产业是数字产业的“未来星”，2018年后，全球处于部分沉浸、成长培育期，虚拟现实产业发展开始进入起飞阶段【1】，此技术广泛应用于建筑、制造、医疗、教育、旅游、商业、游戏、影视、房地产、服务等行业。

近年来，国内建筑行业在VR应用方面不多，铁路四电行业中基本没有涉及，面对安全形势严峻的现状，有必要对铁路四电行业中进行探究并应用。

1. 国家建筑施工安全事故统计

2021年具不完全统计，全国建筑业共发生事故2288起，平均每天发生事故6.27起。事故发生起数较2020年下降11.4%，虽然降幅较大，但这组数据仍令人触目惊心【2】。全国建筑施工伤亡事故类别中高处坠落、坍塌、物体打击、机具伤害、触电，死亡人数分别占全数事故的45.52%、18.61%、11.82%、5.87%、6.54%，具体统计及占比如下表。

图12021年各类型安全事故比例图

通过图表可看出，事故类型仍以“五大伤害”为主。高处坠落、施工坍塌、物体打击、机具伤害和触电事故起数占事故总数的88.36%，其中又以高处坠落事故为主，占事故总数45.52%【3】。铁路四电工程施工均涉及上述五大伤害作业环节。

2. VR技术特点

VR技术综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其特点包括交互性、沉浸感、想象性。

交互性可令体验者在这个虚拟世界里进行操作并得到反馈，比如通过按压、触摸、行走、应答等在虚拟世界里进行交互。超强的真实度是虚拟世界沉浸感的要求，再现真实存在的情境，可以构想客观不存在的甚至是难以发生的情境，从而提高对某些事物的认识，拓展想象空间。

3. VR安全教育培训项目分类

结合铁路四电工程各专业施工特点，以施工现场安全教育为基础，剖析已经发生的安全事故案例，总结四电工程施工生产违规违章行导致的事故，分为八类合计31项，主要包括物体打击、起重伤害、中毒窒息、高处坠落、触电、火灾、车辆伤害、机具伤害等，详见表1。

表1VR安全教育培训项目分类

4. VR脚本及场景开发
   1. VR安全教育培训脚本构成

VR安全教育培训体验脚本采用情景剧模式，将剧情分成三部分：第一部分，体验者以第一人称视角参与现场施工，通过按压手柄或步态跟踪等方式实现人机交互，身临其境地经历安全事故发生的起因、经过和结果，自觉的发现施工现场安全隐患，主动辨别危险源，使体验者真正的学习到安全防护知识。第二部分，体验者以第三人称视角还原事故发生场景，亲眼目睹由于“自己”的违规行为导致的严重后果，增强体验感受，加深对人身安全伤害事故的认识。第三部分，弹框告知违规之处及避免该类事故发生的正确施工方法，旁白列举相似事故案例，安全警示由此付出的生命代价及重大经济损失。

4.2VR安全教育培训脚本编制

VR安全教育培训脚本由场景环境、情景设置、交互方式、场景铺垫、交互脚本、事故起因及过程、造成后果、原因分析八部分组成，脚本里面有完整的施工现场，可以看到必要的施工装备、作业人员，醒目的警示标识和安全防护，转动头部可以向各个方向进行观察。具体功能详见表2。

表2VR安全教育体验脚本组成及功能

4.3利用BIM模型制作VR场景

将BIM模型拟析为VR剧情场景。将材质和模型面数，作为BIM源模型处理要点。模型传递期间，第三方中间格式有IFC、FBX、DAE、OBJ等等，基于实际中的工程BIM项目经验，以Revit模型为例，将模型导出为功能完善的、3D通用模型文件FBX格式，传递至后续处理软件Fuzor。“BIM+VR”的关系图如图2所示。

图2 BIM+VR关系图

Fuzor为内置于Revit、Navisworks等建模与漫游分析平台的第三方专业插件，同时也是一个丰富完整的BIM设计施工协同软件平台，对施工项目针对性较高，基于设计与施工的功能众多，兼容性与模型识别读取度高，一键加载BIM模型，可以进行模型同步反向调整，启动VR体验系统或者打包生成VR-EXE体验系统，利用HTC vive及Oculus等主流VR设备进行体验，支持在眼镜设备中沉浸式读取与分析BIM数据，以及进行多项调整操作，模型显示实时效果较好，沉浸式效果优【4】。

5. VR技术应用
   1. VR硬件配置

系统硬件主要包括：高性能图形处理器的主机，主要负责三维可视化环境的渲染以及核心运算的数据处理；VR眼镜，主要功能有设备定位、人机交互、图形捕捉、画面显示等。硬件设备性能参数见表3。

表3 VR硬件设备性能参数表

5.2VR体验流程图

图3 VR安全教育培训体验流程图

5.3VR安全培训示例

培训时，专业培训人员打开VR设备，参培人员戴上VR眼镜，握紧手柄。按照场景剧情提示进行体验，如表4所示。通过培训，使参培者对安全事故后果产生“敬畏之心”，深刻认识到各种形式的伤害，对员工起到强烈警示、震撼教育的目的，规范员工日常施工行为。

表4 VR安全体验示例表

5.4VR项目应用效果

真实的应用效果，只有亲身经历才能得出真实的应用体验。本文通过对3个铁路四电专业施工项目调查采访，对管理和作业人员共计272人次进行追踪，体验对象的基本情况如表5。

表5 VR安全体验对象的基本情况

体验者均表示，VR场景真实，清晰度高，通过对话及肢体动作，能够很好的融入环境中，有很强的带入感。高处坠落、物体打击、机械伤害等危险情节和血腥画面，给人强烈心理冲击，使人印象深刻，重现了事故发生的真实过程。违规行为明确，事故后果严重，达到了安全教育培训的目的，VR项目应用效果良好。3个施工项目自体验后至项目收尾期间，均未发生安全事故。项目管理层和作业层均提升了安全作业意识。

6. VR安全教育培训的优势

铁路四电工程安全教育培训中，应用VR技术，在经济、安全、绿色环保、社会效益、功能方面、感官方面、未来趋势等方面，优势明显。通过VR技术对铁路四电作业人员安全教育，将安全意识根植于作业人员的思想和心理活动中，可以有效规范人的安全行为，从根源上规避人的不安全状态，避免安全事故的发生。VR技术打破了传统安全教育培训方式，将阅读、聆听、观看，改为沉浸、感知、交互，以真人真实体验取代传统口述教育，以第一人称视角，从受培者心理出发，从侥幸心理、逆反心理以及从众心理等方面进行剖析事故产生原因。

6.1绿色经济环保

成套的VR安全培训硬件设备，一次性投入不足4万元，且占地面积小，拆装方便，周转使用率高。单位管理者根据各项目工期进度，制定VR安全教育培训计划，以硬件设备移动代替项目培训人员移动，屏蔽天气、环境、疫情等不利因素影响，节省项目资源，降低施工成本。

6.2安全系统完整

VR 软件系统，可针对铁路四电工程专业施工特点，系统、完整的按照各专业施工工序，定制开发需求场景，尤其对于施工难度大、安全风险等级高的作业项目，如大型设备吊装、恒张力线索架设、高电压等级耐压试验、高空坠落、密闭空间作业、机械伤害等，创建虚拟应用场景，参培者在虚拟环境中体验安全事故发生，锻炼参培者在一定时间内的应急反应和决策能力，而不必担心受到真实的伤害。

6.3真实新颖深刻

VR安全教育培训系统，打破传统培训观念，通过VR眼镜，以第一人称视角将参培者置身虚拟施工环境，亲身经历安全事故发生全过程，沉浸感真实且强烈；通过移动手柄的按压，或步态跟踪的方式，融入场景剧情，交互感真实且流畅；通过第三人称视角，观看事故还原过程和后期安全教育警示，明确事故发生原因，给出正确施工方法，教育意义真实且深刻。VR安全教育培训，体验真实，方式新颖，印象深刻。

7. 展望

综上所述，VR技术以易于理解和接受的时间、地点、环境、人物、故事情节为要素的情景剧形式，将参培者以第一人称角度沉浸施工现场，亲身经历安全事故发生全过程，得到强烈的警示和深刻的安全教育，明确了正确的施工方法，规范了日常施工行为。该形式安全教育培训，绿色经济环保，安全系统完整，真实新颖深刻，在铁路四电工程项目中应用效果良好。

VR技术是一种崭新的人机交互手段，它的多感知性、沉浸感、交互感和存在感等特点和四电工程安全教育培训有着很高的契合度，以真人真实体验取代传统口述教育，该形式的安全教育交底，新颖且给人印象深刻，是铁路四电工程这个传统行业利用先进科学技术在安全教育培训上的创新发展，具备在新时代，以新的安全教育培训形式应用于铁路四电工程中的潜能。

参考文献

1. 中研产业研究院《2022-2026年中国VR元宇宙行业竞争格局及发展趋势预测报告》；
2. 国家安全生产监督管理总局，《全国安全生产各类伤亡事故统计表-2021年》；
3. 《全国建筑施工安全生产形势分析报告（2021年度）》；
4. 宋彪，《BIM与VR在实际项目中的具体结合应用方法》，筑龙，202103期。

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