BIMVR技術(shù)在路橋隧安全培訓(xùn)中的應(yīng)用

喬奮義

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500）

0 引言

虛擬現(xiàn)實建筑信息建模技術(shù)（Building Informa?tion Modeling Virtual Reality，縮寫為BIMVR），是20 世紀(jì)發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實即虛擬世界和現(xiàn)實世界：它是一個主要由用戶的感官器官進行針對性創(chuàng)造的3D 世界。在該世界里，消除了時間與空間限制，計算機通過對用戶的動作行為進行捕捉，及時且精準(zhǔn)地在3D 世界里作出反饋，使用戶認(rèn)為自身仿佛置身于現(xiàn)實世界。BIMVR 由大量相關(guān)學(xué)科所組成，包括圖形顯示技術(shù)，人工智能，計算機仿真技術(shù)，定位、追蹤與感應(yīng)等先進技術(shù)，是由計算機作為平臺或載體的高技術(shù)模擬系統(tǒng)［1］。該技術(shù)是伴隨著科學(xué)技術(shù)的的巨大進步，相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展到一定的水平的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其中軟件方面包括：BIMVR 顯示技術(shù)、運動追蹤技術(shù)（BIMVR 定位追蹤技術(shù)）、眼球追蹤預(yù)測技術(shù)、輸入/輸出交互技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)平臺和工具（如OSBIMVR，SteamBIMVR）等；硬件方面包括：顯示設(shè)備、高性能PC 主機、追蹤系統(tǒng)、控制器。其中，BIMVR 顯示設(shè)備是VR 研究的重點，當(dāng)前VR 顯示設(shè)備包括頭戴式顯示、換幕顯示、全息投影及CAVE顯示系統(tǒng)等［2］。

BIMVR技術(shù)依托于相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，軟硬件技術(shù)已經(jīng)足夠成熟與穩(wěn)定，目前在教育、建筑工程、游戲、影視等方面已有廣泛應(yīng)用［3］。BIMVR 技術(shù)應(yīng)用于建筑工程安全培訓(xùn)領(lǐng)域，尤其是危險性高的培訓(xùn)與演練領(lǐng)域，可以為學(xué)員提供多種非語言素材，文字、圖形、圖像、聲音、動畫有機地結(jié)合在虛擬環(huán)境中全方位、多視角地呈現(xiàn)在學(xué)員面前［4］，更加真實地還原訓(xùn)練場景，讓學(xué)習(xí)者更加快速地掌握其所學(xué)技能［5］。

1 BIMVR技術(shù)安全培訓(xùn)的應(yīng)用背景

根據(jù)國務(wù)院安委辦、應(yīng)急管理部要求，各企事業(yè)單位每年要開展符合自身生產(chǎn)特點的安全教育活動——全國“安全生產(chǎn)月”。相關(guān)政府機構(gòu)或企事業(yè)單位等可對管理人員和一線員工引入BIMVR進行安全培訓(xùn)。

對于企業(yè)內(nèi)部人員進行的安全教育、培訓(xùn)等系列活動，可以采取多種形式，在嚴(yán)格落實各項安全制度和專項方案的同時，引入BIMVR 針對性地開展自身特點的安全教育活動。

對于建筑工程、交通土建、地下工程、采礦工程等，對新員工采用BIMVR 進行安全培訓(xùn)，這種改進創(chuàng)新的安全培訓(xùn)模式，能夠讓新員工對工作中存在的風(fēng)險進行預(yù)判，為入職后積極開展工作奠定基礎(chǔ)。同時也可以鼓勵老員工參與活動，積極接受安全教育，培育員工“知安全、會安全”的良好素質(zhì)。最終提高職工的安全知識技能和事故預(yù)判、防范能力［6］。

2 BIMVR技術(shù)安全培訓(xùn)的創(chuàng)新點

BIMVR技術(shù)的獨特創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在：現(xiàn)實世界虛擬化；通過視覺、聽覺、觸覺等感知系統(tǒng)，讓人有種身臨其境的感覺；實現(xiàn)人機交互，利用動作捕捉器、觸覺接收器等將指令，通過計算機系統(tǒng)在虛擬世界得到即時反饋。BIMVR安全培訓(xùn)創(chuàng)新點主要有以下幾方面：

2.1 打破多種限制，多樣化培訓(xùn)

打破時空限制，實現(xiàn)高危場景培訓(xùn)。傳統(tǒng)的安全教育很難達到預(yù)期的演練效果［7］，而BIMVR 技術(shù)可根據(jù)不同的工作環(huán)境還原真實的場景，如高空墜落傷害體驗，電焊機觸電傷害體驗，支模系統(tǒng)坍塌體驗，塔吊墜物體驗，隧道突泥突水體驗，隧道火災(zāi)爆炸滅火體驗，路橋深基坑坍塌傷害體驗，移動平臺傾覆體驗，溺水事故體驗等。受訓(xùn)者可以通過視覺、聽覺、觸覺等全方位的體驗，能夠清晰地記住該作業(yè)下的操作要點以及安全隱患點，顯著提高危機意識。特別對于高危險的工作場景，可以讓受訓(xùn)者提前對重大安全隱患進行預(yù)判，做好心理準(zhǔn)備，也可以讓管理者對現(xiàn)場重大危險源進行預(yù)防性管控［8］。

2.2 激發(fā)受訓(xùn)者主動性

采取“情景式”+“體驗式”的教育模式，依據(jù)現(xiàn)行工程規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，建立現(xiàn)實工作環(huán)境場景，演練現(xiàn)場的高度仿真使受訓(xùn)者難辨真假，進而輕松理解、掌握安全知識與逃生技能?？梢约ぐl(fā)員工參與的興致和熱情，尤為新生代員工所歡迎。

2.3 降低培訓(xùn)成本

對新員工進行培訓(xùn)，利用BIMVR 技術(shù)提前將施工現(xiàn)場模擬出來，可以突破時間和空間的教學(xué)局限；能夠隨時進行事故體驗，省時省力且經(jīng)濟高效；設(shè)備占用空間小，一間普通的教室即可滿足場地需求。一次投入，無限次使用，能夠進行持續(xù)、大規(guī)模的安全培訓(xùn)，比傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更節(jié)省成本。

2.4 規(guī)避現(xiàn)場風(fēng)險，培訓(xùn)效果顯著

采用BIMVR 安全培訓(xùn)，可以規(guī)避事故隱患［9］，且輔以新科技，易于理解，有利于提高企業(yè)人員的認(rèn)知，相比于傳統(tǒng)口頭的安全培訓(xùn)教育手段，培訓(xùn)效果更加明顯。學(xué)習(xí)者獨立且交互式參與到場景中，切身感受事故的嚴(yán)重性，達到深刻的教育效果，強化對安全事故的重視。

3 BIMVR技術(shù)制作流程

BIMVR 技術(shù)應(yīng)用與安全培訓(xùn)分為全景拍攝與3D建模場景制作2 種情況，全景拍攝需要用到全景攝像頭到實地進行拍攝，3D 建模則一般使用Unity3D、UE等軟件進行3D 建模來構(gòu)建虛擬場景，并在虛擬場景中設(shè)置全景鏡頭。主要制作流程如下：

3.1 全景拍攝制作流程

⑴方案的設(shè)計和策劃，根據(jù)實際需求按照不同場景編制腳本。

⑵現(xiàn)場進行實地拍攝取材，得到全景圖。

⑶對全景圖進行處理，使其滿足后期交互等制作要求。

⑷對處理過的全景圖進行切圖，制作動畫片段。

⑸編寫代碼，將受訓(xùn)者的輸入動作與場景動畫進行交互。

⑹軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)試用及優(yōu)化改進。

3.2 3D建模制作流程

⑴方案的設(shè)計和策劃，編制腳本。

⑵場景模型的補充搭建和優(yōu)化：場景搭建主要負責(zé)對三維模型和動畫進行視覺和音效的渲染，并對場景加載和狀態(tài)進行管理［10］。

⑶場景美術(shù)效果渲染設(shè)計制作：根據(jù)腳本建立3D模型。

⑷編寫代碼，將受訓(xùn)者的輸入動作與場景模型動畫進行交互。

⑸程序的調(diào)試與輸出：軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)試用及優(yōu)化改進。

4 應(yīng)用與推廣價值

針對建筑工程領(lǐng)域場景的應(yīng)急培訓(xùn)演練，BIMVR具有先天的優(yōu)勢。廣東建科院路橋所BIMVR 安全培訓(xùn)系統(tǒng)選取3 個實際案例，借助BIMVR 技術(shù)將3 個不同場景真實地呈現(xiàn)在受訓(xùn)者面前。讓受訓(xùn)者真實地感知安全教育的意義所在。高空墜落、物體打擊、車輛事故等常見事故具有極大的危險性，很難通過實際體驗來感受。BIMVR 技術(shù)可以通過建立虛擬體驗場景，結(jié)合全身體感設(shè)備，進行各種BIMVR 施工安全事故體驗，貫穿各種安全防護救援知識，達到增強安全危險意識、提升應(yīng)急處置能力的目的。

4.1 BIMVR安全培訓(xùn)的應(yīng)用

廣東建科院路橋所BIMVR 安全應(yīng)急培訓(xùn)演練共分為3個場景，項目案例均來源于實際檢測項目，具體如下：

4.1.1 高空墜落場景

橋梁檢測高空落水BIMVR 體驗。檢測人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇高空落水場景進入?拾取地上的安全帽、救生衣、水褲、安全帶、建科易檢設(shè)備?檢測人員移至水上平臺并攀爬到平臺頂部?將安全帶掛到工作臺上?水上平臺移動到橋下指定位置?檢測人員開始梁底檢測?水上移動平臺失穩(wěn)導(dǎo)致幾名檢測人員懸空和落水?岸上人員通過皮劃艇進行施救?心肺復(fù)蘇溺水搶救?安全警示語。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場情況如圖1所示。

4.1.2 物體打擊場景

圖1 高處墜物模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場Fig.1 Model of Objects Falling from Height and Safety Training Site

隧道無損檢測高空墜落、物體打擊BIMVR 體驗。檢測人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇隧道無損檢測高空墜落、物體打擊場景進入?拾取地上的安全帽、安全帶、攜帶儀器?檢測人員移至作業(yè)區(qū)域并攀爬到腳手架平臺頂部?將安全帶掛到工作臺上?開始隧道二襯強度回彈檢測—不小心踢到活動平臺的儀器盒，并伸手去抓，意外失去重心，撞向平臺圍欄，圍欄脫落，檢測人員失足墜落，安全帶牽引停止下落?儀器盒撞擊到腳手架，飛向地面記錄人員，記錄人員正在記錄數(shù)據(jù)，摔倒在地?輔助檢測人員進行緊急救治工作。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場情況如圖2所示。

圖2 物體打擊模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場Fig.2 Object Strike Model and Safety Training Site

4.1.3 車輛事故場景

道路交通安全事故BIMVR 體驗：檢測人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇隧道無損檢測高空墜落、物體打擊場景進入?拾取地上的安全帽、安全帶、攜帶儀器并進入車內(nèi)指定位置?工作車輛在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致后排檢測人員受撞擊昏迷?未受傷人員進行現(xiàn)場搶救，包括車輛后方擺放警告標(biāo)志牌、初步救治傷員、救護報警、事故報警、向主管人員匯報情況?結(jié)尾出現(xiàn)警示語。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 車輛事故模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場Fig.3 Vehicle Accident Model and Safety Training Site

4.2 推廣價值

BIMVR 技術(shù)安全培訓(xùn)具有較高的商用價值。主要體現(xiàn)在如下幾方面：

⑴BIMVR 沉浸式體驗，還原真實現(xiàn)場場景?？筛鶕?jù)不同的需求，實現(xiàn)現(xiàn)實場景虛擬化，模擬高難度的施工場景，對施工人員提前預(yù)判可能風(fēng)險提供幫助。

⑵培訓(xùn)對象多元化。對一些不參加現(xiàn)場一線工作的管理者、決策者，可以更加真實直觀地了解現(xiàn)場的情況。為批準(zhǔn)方案、計劃增加佐證材料。

⑶可降低企業(yè)安全培訓(xùn)成本。根據(jù)需要制作培訓(xùn)系統(tǒng)后，可不限時間、空間進行安全培訓(xùn)；可用來代替知識講座、參觀交流、視頻動畫資料學(xué)習(xí)、現(xiàn)場實訓(xùn)等。

⑷將BIMVR 技術(shù)應(yīng)用到建筑工程施工、設(shè)計、檢測等領(lǐng)域，為項目參與人員提供可視化體驗。

⑸可有效減少疫情期間不必要的接觸。

5 結(jié)論

將BIMV 融合到建筑工程領(lǐng)域安全培訓(xùn)中，是一種全新高效的安全培訓(xùn)途徑［11］。對于實現(xiàn)高難度培訓(xùn)場景、有效降低培訓(xùn)成本、提高培訓(xùn)效益方面具有明顯的優(yōu)勢。盡管如此，但仍存在一些不足之處：如在BIMVR 安全培訓(xùn)中，缺乏面對面的指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問題不能及時解答，部分學(xué)習(xí)項目只能通過實踐項目操作，采用BIMVR 模擬訓(xùn)練有一定難度等［12］。這有待于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及BIMVR 相關(guān)學(xué)科技術(shù)的進一步發(fā)展。在科學(xué)技術(shù)日新月異的當(dāng)代，我們期望BIMVR技術(shù)能夠在建筑工程安全培訓(xùn)方面發(fā)揮更大作用，變得更加普及，大幅提高培訓(xùn)工作效率。