虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在隱患排查中的應(yīng)用研究

文／北京市安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院 張慧

虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、虛擬城市、甚至“數(shù)字地球”，無(wú)一不是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱“VR”）技術(shù)作為一項(xiàng)尖端科技，近年來(lái)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來(lái)越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。安全生產(chǎn)領(lǐng)域也不例外，VR+宣傳、VR+事故、VR+應(yīng)急、VR+培訓(xùn)等方向中VR都得到了很好的應(yīng)用。其中，隱患排查作為企業(yè)落實(shí)國(guó)家及地方生產(chǎn)安全事故隱患排查治理相關(guān)文件的重要工作，是安全生產(chǎn)執(zhí)法檢查人員專業(yè)技能中亟待提升的重點(diǎn)，是安全培訓(xùn)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。一直以來(lái)，國(guó)家鼓勵(lì)采用創(chuàng)新科技提供培訓(xùn)水平。《國(guó)務(wù)院安委會(huì)關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)安全培訓(xùn)工作的決定》要求，要全面提高安全監(jiān)管執(zhí)法培訓(xùn)質(zhì)量，強(qiáng)化實(shí)際操作培訓(xùn)，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，提高3D、4D、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在安全培訓(xùn)中的應(yīng)用。

VR技術(shù)在隱患排查中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯

現(xiàn)有的隱患排查培訓(xùn)以傳統(tǒng)理論授課為主，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操培訓(xùn)較少。同時(shí)，由于安全生產(chǎn)涉及用電、用氣、工業(yè)企業(yè)、建筑工地、工業(yè)企業(yè)車間、加油加氣站等眾多行業(yè)、眾多領(lǐng)域，安全生產(chǎn)檢查場(chǎng)所非常多，存在很多復(fù)雜的、危險(xiǎn)的環(huán)境，專業(yè)性較強(qiáng)、時(shí)效性較高。在實(shí)際培訓(xùn)中很難進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，導(dǎo)致很多安全執(zhí)法檢查人員存在隱患排查知識(shí)不全面、檢查現(xiàn)場(chǎng)不熟悉、隱患排查不深入、整改措施不明確等問(wèn)題。

利用VR技術(shù)開(kāi)展隱患排查實(shí)操培訓(xùn)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。VR技術(shù)可以解決培訓(xùn)環(huán)境危險(xiǎn)和工學(xué)問(wèn)題，有利于化解傳統(tǒng)培訓(xùn)難題。利用VR技術(shù)可以模擬仿真安全生產(chǎn)各種復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境，幫助學(xué)員在無(wú)現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)的仿真場(chǎng)景中，應(yīng)用安全生產(chǎn)理論知識(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全隱患排查，實(shí)現(xiàn)降低培訓(xùn)危險(xiǎn)和成本。VR技術(shù)可以解決場(chǎng)景的情景化和自然交互性，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)沉浸式的虛擬實(shí)操教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建，可以打破傳統(tǒng)單方面灌輸式的教學(xué)模式，將復(fù)雜概念和理論可視化。在這特殊的虛擬教學(xué)環(huán)境中，學(xué)員通過(guò)和虛擬設(shè)備設(shè)施的交互操作掌握相關(guān)技能，從而增加學(xué)員的沉浸性、交互性，提高培訓(xùn)效果。比如，對(duì)于危險(xiǎn)場(chǎng)所和危險(xiǎn)工種的安全培訓(xùn)，利用VR設(shè)備，讓職工實(shí)際操作，如果誤操作或事故隱患不排除，導(dǎo)致的災(zāi)害后果就立刻顯現(xiàn)出來(lái)，有身臨其境之感，事半功倍，從而提高培訓(xùn)效果。同時(shí)，利用VR技術(shù)開(kāi)展隱患排查實(shí)操培訓(xùn)還可以實(shí)現(xiàn)“一設(shè)備”容“萬(wàn)千設(shè)備、萬(wàn)千場(chǎng)景”、學(xué)員培訓(xùn)數(shù)據(jù)全程采集、分析等，從而節(jié)約教學(xué)成本，提高培訓(xùn)質(zhì)量。因此，開(kāi)展VR技術(shù)應(yīng)用于隱患排查實(shí)訓(xùn)的研究具有重要意義。

安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

北京市安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院針對(duì)北京市安全生產(chǎn)執(zhí)法檢查人員隱患排查實(shí)操培訓(xùn)現(xiàn)狀，選擇北京市重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)領(lǐng)域中的10個(gè)具體場(chǎng)景（10kV及以下高低壓配電室，餐飲用氣場(chǎng)所，焊接作業(yè)，加油站，高處懸吊、倉(cāng)庫(kù)類、冷庫(kù)、養(yǎng)老院），通過(guò)研究分析10個(gè)具體場(chǎng)景中隱患排查涉及的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、檢查方法、現(xiàn)場(chǎng)隱患辨識(shí)、排查等知識(shí)，構(gòu)建支撐VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)隱患數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)VR劇本設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)建、模型開(kāi)發(fā)、關(guān)卡設(shè)計(jì)等，完成基于VR技術(shù)的10個(gè)具體場(chǎng)景虛擬仿真設(shè)計(jì)。結(jié)合VR交互設(shè)備（HTC VIVE VR設(shè)備、三星GEAR VR設(shè)備）研發(fā)2套安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沉浸式、交互式的可視化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，最后，采用教育分析技術(shù)對(duì)教育培訓(xùn)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)化。

三化設(shè)計(jì)。專業(yè)化設(shè)計(jì)：依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范梳理隱患，實(shí)現(xiàn)全部隱患有據(jù)可循。情景化設(shè)計(jì)：1:1還原作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情景，增強(qiáng)學(xué)員的融入感、代入感，交互方式簡(jiǎn)單、直觀。任務(wù)化設(shè)計(jì)：在指定場(chǎng)景設(shè)置關(guān)卡、設(shè)置一定數(shù)量的安全隱患，學(xué)員通過(guò)完成關(guān)卡任務(wù)完成學(xué)習(xí)。

四種模式。教學(xué)模式：在設(shè)定情景中，針對(duì)可能存在安全隱患的位置或情況通過(guò)提示及引導(dǎo)進(jìn)行細(xì)致、全面講解，保證學(xué)員全方位了解安全隱患知識(shí)。練習(xí)模式：在設(shè)定情景中，由學(xué)員在無(wú)提示及引導(dǎo)環(huán)境下開(kāi)展自主排查隱患?？荚嚹Ｊ剑嚎己伺嘤?xùn)講解的內(nèi)容，檢驗(yàn)學(xué)員安全隱患辨識(shí)能力，全面評(píng)估教學(xué)效果。競(jìng)賽模式：指定競(jìng)賽主題，有針對(duì)性地組織競(jìng)賽活動(dòng)，考查團(tuán)隊(duì)安全隱患排查能力。

六個(gè)特點(diǎn)。真實(shí)：1:1作業(yè)場(chǎng)景、真實(shí)互動(dòng)感受。全面：全面呈現(xiàn)隱患存在位置、表現(xiàn)形式、辨識(shí)方法、依據(jù)及整改標(biāo)準(zhǔn)。靈活：靈活選擇配置隱患、有針對(duì)性進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。權(quán)威：安全專家指導(dǎo)、內(nèi)容專業(yè)。安全：無(wú)現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境。考核標(biāo)準(zhǔn)化：由系統(tǒng)進(jìn)行客觀標(biāo)準(zhǔn)化打分。

安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)內(nèi)容及組成

經(jīng)過(guò)4年多的研發(fā)，北京市安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院完成了10kV及以下高低壓配電室、餐飲用氣、加油站、焊接作業(yè)、高處懸吊、倉(cāng)庫(kù)類、冷庫(kù)、養(yǎng)老院10個(gè)作業(yè)場(chǎng)景基于HTC VIVE設(shè)備和基于三星GEAR VR設(shè)備的2套安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)；完成10個(gè)場(chǎng)景共1000余項(xiàng)隱患數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建；完成包括教學(xué)、考試、競(jìng)賽、練習(xí)4種培訓(xùn)模式，7個(gè)功能模塊，60個(gè)安全隱患排查科目，近700項(xiàng)隱患實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)；已授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，獲批14項(xiàng)軟件著作權(quán)。

安全隱患知識(shí)庫(kù)。結(jié)合10個(gè)具體場(chǎng)景安全現(xiàn)狀，依據(jù)國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及北京市地方標(biāo)準(zhǔn)，按照普遍性、全面性、科學(xué)性的原則，經(jīng)過(guò)多輪執(zhí)法人員、一線工作人員和專家論證、VR設(shè)計(jì)人員論證，完成VR隱患數(shù)據(jù)庫(kù)研發(fā)。以標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，按照隱患辨識(shí)難易程度及法規(guī)效力，創(chuàng)新隱患分級(jí)分類。明確隱患VR表現(xiàn)形式、整改方法等，建立安全隱患數(shù)據(jù)庫(kù)。并在隱患知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上研發(fā)隱患知識(shí)手冊(cè)、VR隱患手冊(cè)。該成果奠定了隱患梳理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可用于其他場(chǎng)景的隱患知識(shí)內(nèi)容梳理，形成規(guī)范化的安全生產(chǎn)場(chǎng)景隱患知識(shí)庫(kù)。

虛擬仿真教育系統(tǒng)。在安全生產(chǎn)隱患知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，開(kāi)展基礎(chǔ)場(chǎng)景研發(fā)、模型開(kāi)發(fā)、方案設(shè)計(jì)、隱患部署及展示形式、關(guān)卡設(shè)計(jì)等虛擬仿真教育系統(tǒng)研發(fā)。在實(shí)際調(diào)研真實(shí)工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，收集環(huán)境、設(shè)備、設(shè)施等實(shí)景素材，進(jìn)行環(huán)境場(chǎng)景、人物角色、設(shè)備設(shè)施、事件等三維數(shù)據(jù)建模，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式、制作特效和動(dòng)畫等完成模型開(kāi)發(fā)。開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、VR劇本、三維動(dòng)畫訓(xùn)練關(guān)卡、學(xué)習(xí)模式等設(shè)計(jì)，完成虛擬仿真教育系統(tǒng)研發(fā)。

VR培訓(xùn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。基于VR技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采集VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中學(xué)員的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，運(yùn)用學(xué)習(xí)軌跡與隱患知識(shí)點(diǎn)相關(guān)性分析技術(shù)和安全生產(chǎn)隱患排查VR培訓(xùn)效果評(píng)價(jià)分析技術(shù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)生成可視化的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，完成安全隱患排查VR培訓(xùn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)研究，為有效提高學(xué)員的培訓(xùn)質(zhì)量和VR實(shí)訓(xùn)的持續(xù)改進(jìn)提供有效的方法和依據(jù)。

安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。采用VR技術(shù)，通過(guò)智能終端和VR設(shè)備等構(gòu)建適合安全生產(chǎn)執(zhí)法人員和企業(yè)安全管理人員的隱患排查實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練、考核評(píng)價(jià)、培訓(xùn)管理等功能。順利研發(fā)了10個(gè)場(chǎng)景的基于HTC VIVE設(shè)備的VR隱患排查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，和10KV及以下高低壓配電室場(chǎng)景的基于三星GEAR VR設(shè)備VR隱患排查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用及成效

安全隱患排查VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將安全隱患排查實(shí)訓(xùn)和數(shù)據(jù)采集、規(guī)范化管理有效結(jié)合，為安全執(zhí)法檢查人員搭建了快速提升隱患排查技能水平的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。可以幫助其快速掌握隱患排查知識(shí)并轉(zhuǎn)化為隱患排查工作技能，大大降低了學(xué)習(xí)成本，提高了工作效率。培訓(xùn)部門可以節(jié)約搭建隱患排查實(shí)訓(xùn)環(huán)境的成本，縮短實(shí)訓(xùn)周期并提高實(shí)訓(xùn)效率。

研究成果已在北京、河南、成都等多個(gè)省市、行業(yè)、單位得到應(yīng)用，社會(huì)效益顯著。成果應(yīng)用主要通過(guò)以下三個(gè)方面進(jìn)行：一是從北京版拓展至國(guó)標(biāo)版和地方版。經(jīng)過(guò)對(duì)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)分類匯總，將隱患分為國(guó)標(biāo)通用版和地方版，將系統(tǒng)應(yīng)用由北京應(yīng)用推向全國(guó)其他地方的10KV及以下高低壓配電室、餐飲用氣、加油站、焊接作業(yè)、高處懸吊、倉(cāng)庫(kù)類、冷庫(kù)、養(yǎng)老院等10個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用。二是從10個(gè)場(chǎng)景擴(kuò)展到更多應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)不同地區(qū)、不同行業(yè)或?qū)ο笮枨?，采用相似的技術(shù)路線，研發(fā)其他場(chǎng)景的VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。三是從隱患排查業(yè)務(wù)擴(kuò)展到火災(zāi)應(yīng)急逃生、自然災(zāi)害管理、事故警示等安全業(yè)務(wù)。

成功應(yīng)用在北京市安全生產(chǎn)執(zhí)法檢查實(shí)訓(xùn)基地，共接待成都安科中心、北京市不同區(qū)應(yīng)急局、其他相關(guān)委辦局及企業(yè)等單位的領(lǐng)導(dǎo)、執(zhí)法人員、企業(yè)安全管理人員等近5000人次。

通過(guò)簽訂戰(zhàn)略合作框架協(xié)議等方式，與四川、河南、云南等省應(yīng)急管理相關(guān)單位建立項(xiàng)目合作，就VR+火災(zāi)應(yīng)急逃生、VR+隱患排查、VR+居家燃?xì)庑孤┑葮I(yè)務(wù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示、培訓(xùn)體驗(yàn)等方式，分別應(yīng)用于2018、2019年北京市、北京市通州區(qū)、北京市西城區(qū)什剎海街道、濟(jì)寧市等安全咨詢?nèi)蘸捅本┑罔F運(yùn)行公司安全教育培訓(xùn)等活動(dòng)。