虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗室安全教育中的應(yīng)用

黃曉一, 范一強, 張亞軍

(1. 北京化工大學(xué) 保衛(wèi)處, 北京 100029； 2. 北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 北京 100029)

實驗室安全教育是各高校實驗室管理中的重中之重。為避免實驗室安全事故的發(fā)生,實驗室安全教育必須有效、實用和持久[1-4]。近年來，虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)的發(fā)展非常迅速[5],將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在實驗室安全教育中,具有以下顯著優(yōu)勢：

(1) 基于VR/AR的實驗室安全教育沒有時間和地點的限制,只要具有相應(yīng)的軟硬件條件即可實施；

(2) 基于VR/AR的實驗室安全教育過程互動性好,學(xué)生的接受程度高,教育效果相比傳統(tǒng)方法具有一定優(yōu)勢；

(3) 顯著降低了實驗室工作人員的勞動強度和實驗耗材的使用成本,且被培訓(xùn)者可根據(jù)需要進行定期鞏固培訓(xùn)效果；

(4) 火災(zāi)逃生、化學(xué)撒漏等不便進行實踐訓(xùn)練的項目可以通過虛擬現(xiàn)實的方法進行培訓(xùn)；

(5) 實驗室安全教育效果的實時反饋：通過虛擬現(xiàn)實中被培訓(xùn)者的表現(xiàn),可以及時對安全教育效果進行評價,并對教育方法進行改進；

(6) 便于實現(xiàn)實驗室安全教育的標(biāo)準(zhǔn)化。

1 虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實發(fā)展現(xiàn)狀

目前,虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實消費和服務(wù)市場總量在快速增加,2018年的預(yù)期產(chǎn)值達(dá)到68億美元(數(shù)據(jù)來源：International Data Corporation)。由于市場的推動,虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的軟硬件資源和相關(guān)應(yīng)用拓展迅速。除了在游戲產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用外,虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)還被應(yīng)用于軍事訓(xùn)練[6]、復(fù)雜醫(yī)學(xué)手術(shù)的模擬訓(xùn)練[7]、高壓電纜維修訓(xùn)練[8]、兒童交通安全訓(xùn)練[9]、建筑工程危險源識別[10]以及礦井操作培訓(xùn)[11]等領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)需要VR/AR軟件與沉浸式虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實硬件的配合來實現(xiàn)。目前市場上主流的VR/AR軟件有Unity(免費)、Unreal Engine(后期付費)、CryEngine(部分付費)、Lumberyard(免費)；主流硬件的收費情況見表1(數(shù)據(jù)采集自2018年7月)。從實驗室安全教育領(lǐng)域的應(yīng)用需求看,目前各類主流VR/AR的軟件硬件設(shè)備均能滿足需求,且絕大部分VR/AR開發(fā)軟件為開源免費使用軟件,VR/AR設(shè)備的價格也相對低廉,高等院校和研究機構(gòu)可以根據(jù)自身實驗室的特點和重點安全教育領(lǐng)域,開發(fā)基于VR/AR技術(shù)的實驗室安全教育軟件并推廣使用。被培訓(xùn)者通過安裝軟件或者使用基于網(wǎng)頁的培訓(xùn)平臺,可以方便地使用電腦或者基于iOS/Android的移動設(shè)備參加實驗室安全教育和效果評估。

表1 市場主流VR/AR硬件設(shè)備價格

2 虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗室安全教育中的應(yīng)用

近年來,虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗室中的應(yīng)用受到很多學(xué)者和科技公司的重視。2013年和2014年,分別有學(xué)者在《自然》和《科學(xué)》期刊發(fā)文,探討將虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在實驗室安全教育中,效果非常顯著[12-13]。

丹麥科技大學(xué)(DTU)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室教學(xué)效果表明：有97%學(xué)生認(rèn)為這種教育方式十分生動且印象深刻,有86%學(xué)生認(rèn)為基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室教學(xué)比傳統(tǒng)方法效果更好。實際教學(xué)效果評估也表明：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室教學(xué)比傳統(tǒng)方法成績提高了4.2%[13]。

近年來,開發(fā)了一系列實驗室安全教育方面的虛擬現(xiàn)實商業(yè)化軟件,具有代表性的開發(fā)商包括丹麥Labester公司以及美國的Virtualheroes公司等。圖1為Labester公司開發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室安全教育系統(tǒng)。使用者可以與軟件構(gòu)建的虛擬環(huán)境互動,根據(jù)軟件引導(dǎo),充分了解各類實驗室防護器具以及噴淋、洗眼器等應(yīng)急設(shè)備的使用方法,可以根據(jù)軟件設(shè)定進行實驗室安全小測驗,還可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)練習(xí)各類腐蝕性化學(xué)物質(zhì)撒漏后的應(yīng)急處置方法。通過沉浸式的虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練,學(xué)生可以充分了解和掌握基礎(chǔ)實驗室安全常識。由于沉浸感強、學(xué)習(xí)過程生動,學(xué)生積極性提高。在實驗室安全教育的實際應(yīng)用中,用戶還可根據(jù)實驗室的特點對安全訓(xùn)練內(nèi)容進行調(diào)整,以適應(yīng)不同研究方向的實驗室安全教育的需要。

在增強現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域也出現(xiàn)了一些面向?qū)嶒炇野踩I(lǐng)域的應(yīng)用。圖2展示了基于微軟HoloLens硬件的利用增強現(xiàn)實技術(shù)識別實驗室內(nèi)輻射劑量分布的應(yīng)用。在CT掃描室內(nèi),工作人員通過佩帶增強現(xiàn)實硬件HoloLens,可以在自身視覺背景上以3D方式疊加輻射劑量分布圖,可以有效避免工作人員在輻射劑量集中的區(qū)域長期暴露而受到傷害。與之類似,Alam等研究者通過增強現(xiàn)實技術(shù),把實驗室管道和線纜的伽馬射線輻射情況疊加在真實視覺上,從而有效降低了使用者接受的輻照劑量。

此外,還有研究者研發(fā)了將肉眼不可見的激光光束用示意圖的方式疊加在人視覺中的增強現(xiàn)實技術(shù),可以有效避免由于人直視激光對眼睛造成的傷害[14]。韓國的Tae-Jung等研究者[15]則將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在了實驗室火災(zāi)的逃生訓(xùn)練中。

值得一提的是,也有高?；蚩蒲袡C構(gòu)在自行開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)的安全教育系統(tǒng)時,借助了一款名為OpenSimulator(原為美國陸軍模擬和訓(xùn)練技術(shù)中心開發(fā),現(xiàn)已公開)的免費軟件,充分利用其中已有的各類模型和訓(xùn)練方法進行快速研發(fā)。

3 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗室安全領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾,目前還遠(yuǎn)未普及到大多高校和研究機構(gòu)的實驗室安全教育中。由于采用沉浸式虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)進行實驗室安全培訓(xùn)效果好、培訓(xùn)成本低,未來必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。但需要指出的是,在實驗室安全教育中不應(yīng)忽視實踐培訓(xùn)的作用,而是要把虛擬世界和現(xiàn)實世界中的培訓(xùn)結(jié)合起來,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,方能實現(xiàn)實驗室安全教育效果的最大化。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗室安全訓(xùn)練

圖2 通過增強現(xiàn)實技術(shù)顯示輻射劑量的分布