BIM+VR 技術在鐵路營業(yè)線施工安全實景化培訓中的研究與應用

鄭海鵬

（中國鐵路濟南局集團有限公司，山東濟南 250001）

營業(yè)線施工安全是鐵路施工安全管理工作的重中之重。通過開展培訓工作，提高培訓效果，確保培訓質(zhì)量，是提升營業(yè)線施工管理人員、作業(yè)人員安全業(yè)務素質(zhì)主要途徑之一。按照《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》（鐵運[2012] 280號）規(guī)定，營業(yè)線施工人員必須經(jīng)培訓考試合格后上崗。該規(guī)定頒布后，全路培訓學員數(shù)以萬計，為確保鐵路營業(yè)線施工安全發(fā)揮了較好作用。但是，傳統(tǒng)的管理措施和技術手段對培訓質(zhì)量、效率的提高有限，因此，研究新的培訓理念，探索現(xiàn)代培訓技術，提高培訓質(zhì)量、效率，對有力把控施工安全和鐵路運輸安全非常必要。

1 以 BIM+VR 技術為承載的實景化教學

1.1 BIM 和 VR 技術

BIM即“建筑信息模型”（Building Information Modelling），是以三維數(shù)字技術為基礎，集成了工程項目各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型。BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、信息完備性、優(yōu)化性和可出圖性的特征。

VR即“虛擬現(xiàn)實技術”（Virtual Reality），集計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。VR具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性的特征。

1.2 實景化教學

實景化教學是指營造具有工作氛圍的場景，把課堂搬到真實的工作場景中，以達到優(yōu)異的教學效果。該概念的前身包括“實景視頻教學”“信息技術教學”“多媒體教學”“實訓教學”和“實景實戰(zhàn)教學”等。隨著計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，這些概念相互發(fā)生交叉和滲透。

1.3 基于 BIM+VR 技術的實景化教學

筆者將實景化教學和BIM、VR 技術相融合，提出基于BIM+VR 技術的實景化教學理念并加以實踐，“課堂”即“現(xiàn)場”，以實現(xiàn)更好的培訓效果，更加直觀、精準、優(yōu)質(zhì)高效地做好具有內(nèi)容復雜、關聯(lián)性強、實踐要求高等特點的培訓工作?；谂嘤栃枨螅訠IM模型可視化為基礎，利用BIM的模擬性、信息完備性等特性，通過VR技術在BIM三維模型基礎上強化可視性和具象性，提供沉浸式體驗和人機交互，最終實現(xiàn)虛擬實景化工作場景建立和沉浸式參與體驗。同時，由于BIM的可出圖性，其輸出的三維圖紙為實訓教學實景化場地建設提供了參考和依據(jù)。

2 實景化培訓平臺

筆者提出并組織開展了鐵路建設項目營業(yè)線施工安全實景化培訓課題研究，運用研究成果，組織研發(fā)并應用鐵路建設項目營業(yè)線施工安全實景化培訓平臺（以下簡稱“平臺”），用于課堂虛擬實景化教學。

平臺基于VR技術人機交互手段，結(jié)合 BIM+GIS技術，建立包含三站兩區(qū)間的鐵路三維模型，主要包含基礎教育警示室模塊、實景化教學模塊和實景案例模塊。同時，平臺使用的三站兩區(qū)間鐵路三維模型中部分場景是對今后實訓場地規(guī)劃建設的前期BIM 設計，旨在形成課堂虛擬實景化授課、因地制宜開展實訓的全過程實景化培訓模式。

2.1 基礎教育警示室模塊

基礎教育警示室模塊分為3個子模塊：基礎教育室、警示教育室和行車模擬。

2.1.1 基礎教育室子模塊

以基礎教育室為例（圖1），該子模塊將鐵路建設項目涉及的防護信號及防護設施等形狀和標準納入虛擬模塊中進行等比例顯示，讓培訓學員更加直觀地認識和掌握營業(yè)線施工安全防護信號、防護設施的名稱、用途及標準。通過點擊展品，可出現(xiàn)對展品的介紹和相關規(guī)定。VR沉浸式學習功能，既可以通過導航鍵盤自由地在室內(nèi)行走，也可以通過穿戴VR設備，進行VR體驗式學習。

2.1.2 警示教育室子模塊

將不同類型具有典型性的警示教育案例，分門別類地納入相應案例板塊，分析案例原因、存在問題以及防范措施等，圖文并茂地對培訓學員進行警示教育，讓培訓學員真正吸取案例教訓，提高施工安全防范意識，進一步促進培訓學員形成執(zhí)行作業(yè)標準化的主動性和自覺性。

此外，警示教育室設置了警示案例VR體驗區(qū)，培訓學員穿戴上VR設備，按照引導點擊進入模擬狀態(tài)，即可進入設定好的警示案例場景，通過虛擬現(xiàn)實技術切身感受案例帶來的警示效果。

2.1.3 行車模擬子模塊

模擬列車行車過程，完成從站內(nèi)發(fā)車、經(jīng)過施工區(qū)域、曲線視線不良區(qū)域、通過隧道、橋梁施工慢行、通過站場等情形，實景化地展現(xiàn)出營業(yè)線施工中各種常見施工條件和情形。同時也對施工人員進行必要的鐵路行車知識教育。

2.2 實景化教學模塊

實景化教學模塊分為3個子模塊：營業(yè)線施工防護、施工計劃與登銷記、鄰近營業(yè)線施工。

2.2.1 營業(yè)線施工防護子模塊

按照普速鐵路和高速鐵路分類，主要內(nèi)容包含防護信號和標志基本常識、防護基本要求、移動停車信號防護（圖2）、移動減速信號防護等內(nèi)容。通過虛擬實景化動態(tài)演示，更加直觀地給學員身臨其境的培訓環(huán)境，防護員站位、手持信號、各種距離規(guī)定等現(xiàn)場情況一目了然。

圖1 基礎教育室

圖2 移動停車信號防護

2.2.2 施工計劃與登銷記子模塊

施工計劃與登銷記子模塊主要包含鐵路行車知識、施工方案與施工計劃、施工登銷記等內(nèi)容。通過虛擬實景化演示接發(fā)列車、對鐵路行車室全景展示（圖3）、基礎知識講解與施工案例和流程融合等，幫助學員真實直觀掌握列車和調(diào)車進路排列、顯示等行車知識，規(guī)范標準通知現(xiàn)場，保證施工行車和人身安全。結(jié)合營業(yè)線施工方案編制與審查、施工計劃管理與審批等實踐案例，進行理論與實踐并重的全面培訓。

2.2.3 鄰近營業(yè)線施工子模塊

鄰近營業(yè)線施工子模塊主要包含鄰近營業(yè)線施工制度要求、施工類別劃分、施工方案及計劃管理、施工安全監(jiān)控重點等內(nèi)容。通過虛擬實景化綜合應用，幫助學員直觀地學習鄰近營業(yè)線施工的管理要求、流程和實施要點、安全重點，切實提高學員對鄰近營業(yè)線施工安全的管控能力。

2.3 實景案例模塊

依托建立的平臺模型，以一次全過程施工案例為承載，通過施工模擬、列車運行模擬、動畫圖片展示、語音應答（圖4）等形式，按照施工程序串連起營業(yè)線施工方案和計劃、施工過程、現(xiàn)場控制、施工登銷記等教學內(nèi)容，實現(xiàn)理論教學與實踐教學有機結(jié)合，使學員易學、易懂，易理解、易記憶。模擬現(xiàn)場、還原實景，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學模式向?qū)嵕敖虒W模式的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。

3 BIM+VR 實景化培訓應用成效

（1）創(chuàng)新了基于BIM+VR技術在培訓領域的新應用。鐵路營業(yè)線施工安全實景化培訓研究，是工程、培訓、BIM信息化的多學科綜合性研究。BIM技術在培訓中的應用主要體現(xiàn)在：BIM的可視化應用，以BIM模型為基礎實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實展現(xiàn)；BIM的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)應用，將培訓內(nèi)容寫入BIM模型并加以展現(xiàn)；BIM平臺集成化應用，探索了基于同一BIM平臺下多專業(yè)培訓內(nèi)容綜合展示。通過研究和實踐，證明了BIM+VR技術在教育培訓中的廣泛應用前景。

（2）通過虛擬實景化手段全方位增強了教與學的效果。將各教學板塊內(nèi)容融入到同一個實景化虛擬模型中，再以完整綜合施工案例為承載，起到3個“增強”：①增強了專業(yè)理論和實踐之間的聯(lián)系，研究過程也是對授課內(nèi)容的虛擬實踐過程；②增強了各專業(yè)之間結(jié)合部知識的梳理，即在同一虛擬環(huán)境下，在做好本專業(yè)內(nèi)容同時，深化關聯(lián)專業(yè)內(nèi)容研究，使各專業(yè)之間銜接聯(lián)動更加緊密；③增強了確保營業(yè)線施工安全的保障。實景化施工案例全過程研究，也是真實施工的沙盤演練，施工過程串連起培訓內(nèi)容，真正幫助學員做到學以致用。

（3）基于BIM+VR技術的實景化培訓大幅提升教育質(zhì)量水平。平臺基于 BIM+VR 技術，建立包含三站兩區(qū)間的鐵路三維模型，通過具體3個模塊8個子模塊136個知識項點，全面滿足了營業(yè)線施工安全培訓需求，實現(xiàn)了虛擬實景化教學培訓效果。實景化培訓平臺應用后，已累計培訓施工人員1 000余人次，一次性培訓通過率同比、環(huán)比均提高20%以上，經(jīng)檢驗，實景化培訓平臺切實提高了建設項目營業(yè)線施工安全培訓質(zhì)量。

圖3 鐵路行車室全景展示

圖4 虛擬現(xiàn)場動態(tài)演示與同步語音聯(lián)絡示例

4 結(jié)語

通過對BIM+VR技術在鐵路營業(yè)線施工安全實景化培訓中的研究，建立了國內(nèi)第一個用于營業(yè)線施工安全培訓的實景化平臺。經(jīng)培訓實踐檢驗，切實提高了營業(yè)線施工安全培訓質(zhì)量，創(chuàng)新性的幫助學員實現(xiàn)學以致用，為保障營業(yè)線施工安全發(fā)揮了更好作用。

BIM+VR技術的實景化培訓研究和應用從很大程度上創(chuàng)新示范和引領了新的培訓模式。未來，基于BIM+VR技術的實景化培訓將發(fā)揮更突出的作用，社會效益、經(jīng)濟效益將更加顯著。