VR技術(shù)在檢測(cè)作業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用

白朋輝，龍麗榕

（1、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

由于存在人員流動(dòng)性大、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多、環(huán)境復(fù)雜等不利因素［1-3］，建設(shè)工程檢測(cè)行業(yè)是一個(gè)事故風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高的領(lǐng)域，為避免發(fā)生人為造成的事故，檢測(cè)作業(yè)人員必須具備認(rèn)真、規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩庾R(shí)。傳統(tǒng)的檢測(cè)安全教育培訓(xùn)模式效果不佳，檢測(cè)作業(yè)人員沒有掌握安全知識(shí)，也缺乏對(duì)事故造成嚴(yán)重后果的認(rèn)知。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文全稱為Virtual Reality，可簡稱為VR），是一種整合計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維顯示技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)和人工智能技術(shù)等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的計(jì)算機(jī)高新技術(shù)［4-8］，該技術(shù)既可創(chuàng)造虛擬世界又可實(shí)現(xiàn)親身體驗(yàn)，具有感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)。VR 技術(shù)利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)逼真的三維世界，注重體驗(yàn)者的視覺、聽覺、觸覺等感官的真實(shí)模擬，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)間沉浸式實(shí)時(shí)交互，將VR 技術(shù)用于檢測(cè)安全培訓(xùn)，提升檢測(cè)作業(yè)安全培訓(xùn)效果。

1 VR技術(shù)在檢測(cè)安全培訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)

1.1 突破時(shí)空限制，復(fù)刻檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

VR 技術(shù)能夠模擬檢測(cè)作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過構(gòu)建逼真的三維立體虛擬場(chǎng)景，可以復(fù)刻各種檢測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如豎向抗拔靜載試驗(yàn)作業(yè)、高應(yīng)變法檢測(cè)作業(yè)、路橋隧檢測(cè)作業(yè)、有限空間作業(yè)等，使受培訓(xùn)人員不必親臨作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，也可突破時(shí)間和空間的限制，真實(shí)地了解檢測(cè)作業(yè)的全過程。

1.2 沉浸式體驗(yàn)，任務(wù)式教學(xué)

VR 技術(shù)能夠構(gòu)建逼真的虛擬場(chǎng)景，讓受培訓(xùn)人員在虛擬空間中獲得沉浸式體驗(yàn)，通過任務(wù)式教學(xué)的方式來達(dá)到培訓(xùn)目的。受培訓(xùn)人員可以利用特定的VR 設(shè)備，以第一人稱視角親身體驗(yàn)檢測(cè)作業(yè)過程中的危險(xiǎn)因素，感受到安全事故后果的嚴(yán)重性，以及學(xué)會(huì)如何應(yīng)對(duì)的突發(fā)的險(xiǎn)情。在體驗(yàn)結(jié)束后，受培訓(xùn)人員可通過第三人稱視角來重溫當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景，并進(jìn)行有針對(duì)性的分析和總結(jié)。在體驗(yàn)式教學(xué)中，受培訓(xùn)人員可以掌握整個(gè)檢測(cè)作業(yè)流程和作業(yè)環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，以增強(qiáng)自身對(duì)事故的預(yù)防意識(shí)。通過將VR 技術(shù)的沉浸感、仿真性和交互性特征與人機(jī)互動(dòng)相結(jié)合，受培訓(xùn)人員能夠在安全教育系統(tǒng)上完成檢測(cè)作業(yè)安全技術(shù)交底、安全隱患排查等工作［9］。

1.3 安全性能高，投入成本低

傳統(tǒng)的檢測(cè)安全教育培訓(xùn)若想強(qiáng)調(diào)安全事故具有嚴(yán)重的后果，培養(yǎng)受培訓(xùn)人員的危機(jī)意識(shí)，主要通過兩種方式：一是采取觀看視頻的方式，這種方式比較直接，雖然在短期內(nèi)能夠起到安全警示效果，但是隨著時(shí)間的推移，培訓(xùn)效果會(huì)逐步回歸到培訓(xùn)前的狀態(tài)；二是通過搭建安全體驗(yàn)館的方式［10］，這種方式存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)并且投入成本較高，例如高處墜落的體驗(yàn)項(xiàng)目，耗費(fèi)體驗(yàn)器材和空間等資金，需要受培訓(xùn)人員在在5 m 高度突然墜落到鋪設(shè)好充氣氣墊的地面。然而，通過將VR 技術(shù)引入到檢測(cè)作業(yè)安全教育培訓(xùn)中來，既能夠讓受培訓(xùn)人員在安全的條件下真實(shí)體驗(yàn)檢測(cè)作業(yè)過程中的常見事故，又能夠減少安全體驗(yàn)館固定的體驗(yàn)器材和空間等資金的投入，實(shí)現(xiàn)整體安全性能提高和降低投入成本的目的。

基于上述存在的問題，廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司（以下簡稱省總站）針對(duì)一些典型的檢測(cè)作業(yè)開發(fā)了BIMVR 路橋隧生產(chǎn)作業(yè)安全培訓(xùn)系統(tǒng)、覆蓋渠有限空間作業(yè)安全培訓(xùn)VR 系統(tǒng)、塔式起重機(jī)檢測(cè)VR培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 BIMVR路橋隧生產(chǎn)作業(yè)安全培訓(xùn)系統(tǒng)［11］

BIMVR安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)從檢測(cè)角度選取案例，通過三個(gè)具有代表性的場(chǎng)景為安全培訓(xùn)人員帶來真實(shí)的安全事故體驗(yàn)，以達(dá)到“知安全、重安全”的作用。三個(gè)案例分別為：橋梁檢測(cè)高空落水VR 體驗(yàn)；隧道無損檢測(cè)高空墜落、物體打擊VR 體驗(yàn)；道路交通安全事故VR體驗(yàn)。

2.1 橋梁檢測(cè)高空落水VR體驗(yàn)

檢測(cè)人員在水上平臺(tái)（見圖1）進(jìn)行梁底外觀檢測(cè)，由于水上移動(dòng)平臺(tái)失穩(wěn)導(dǎo)致檢測(cè)人員落水，由岸上人員進(jìn)行施救，并進(jìn)行溺水搶救。主要模擬內(nèi)容：定位水上平臺(tái)、上到活動(dòng)平臺(tái)、綁好安全帶、抓著欄桿、水上活動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)、平臺(tái)失穩(wěn)傾斜沉入水中、下降至2.0 m 高度后解脫安全繩、跳入水中、用力掙扎、體力耗盡后溺水、岸上人員救援船劃船落水人員身旁、救生人員帶著救生圈下水、幫落水人員帶上救生圈、拉至岸上、船上人員拉至淺水區(qū)域、將溺水人員平躺在地面、檢查溺水人員狀況、清理口腔鼻孔異物、進(jìn)行心臟復(fù)蘇急救。

圖1 水上平臺(tái)模型Fig.1 Floating Platform Model

2.2 隧道無損檢測(cè)高空墜落、物體打擊VR體驗(yàn)

檢測(cè)人員進(jìn)行隧道二襯強(qiáng)度檢測(cè)（見圖2），由于操作失誤，導(dǎo)致儀器盒掉落砸到作業(yè)平臺(tái)下方人員，同時(shí)發(fā)生高處墜落事件。主要模擬內(nèi)容：綁好安全帶、收拾檢測(cè)儀器、爬上活動(dòng)平臺(tái)、安全帶掛鉤套好、開始回彈檢測(cè)作業(yè)、活動(dòng)平臺(tái)檢測(cè)人員交換位置、踢到儀器盒意外掉落、撿起儀器盒、觸碰到欄桿、欄桿掉落、檢測(cè)人員墜落、安全帶掛住掉落的檢測(cè)人員與鋼管輕微擦傷、儀器盒及欄桿掉落砸到地上記錄人員頭部、儀器與安全帽撞擊、記錄人員暈倒無外傷、同行人員進(jìn)行救助傷員。

圖2 隧道二襯檢測(cè)模型Fig.2 Tunnel Second Lining Detection Model

2.3 道路交通安全事故VR體驗(yàn)

檢測(cè)人員正在進(jìn)行道路檢測(cè)，車輛在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生碰撞事故，導(dǎo)致作業(yè)人員受傷，未受傷人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)事故的應(yīng)急處理（見圖3）。主要模擬內(nèi)容：檢測(cè)人員坐行行駛車上、車開到轉(zhuǎn)彎處、轉(zhuǎn)彎車輛處準(zhǔn)備并線、雙方碰撞同時(shí)剎車、后座同事撞上司機(jī)椅后背、頭部受傷、短暫意識(shí)模糊、副駕駛位同事下車擺放警告標(biāo)志、儀器散落、后座人員幫傷員按壓人中穴及合谷穴、傷者恢復(fù)意識(shí)、確認(rèn)無骨折情況、被攙扶在路邊樹下靜臥、同行人員拔打了120急救電話、救護(hù)車到場(chǎng)進(jìn)行救治、傷者意識(shí)恢復(fù)、車輛離開、結(jié)束。

圖3 車輛事故模型Fig.3 Vehicle Accident Model

3 覆蓋渠有限空間作業(yè)安全培訓(xùn)VR系統(tǒng)

覆蓋渠是指被某些物體蓋著或者表面看不到的渠道，是一種典型的有限空間。覆蓋渠隨著時(shí)間的推移，易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致外觀產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，從而對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響，為避免該不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此會(huì)對(duì)其外觀定期進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。但有限空間區(qū)域與外界相對(duì)隔離，出入口較為狹窄，作業(yè)人員不能長時(shí)間在內(nèi)工作，自然通風(fēng)不良，易造成有毒有害、易燃易爆物質(zhì)積聚或者氧含量不足的空間。

基于上述存在的問題，以覆蓋渠外觀檢測(cè)為例，將有限空間作業(yè)安全教育培訓(xùn)與VR 技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一款用于指導(dǎo)有限空間安全作業(yè)的VR 系統(tǒng)。學(xué)員通過佩戴相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)入該系統(tǒng)，VR 系統(tǒng)場(chǎng)景環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)的聲效共同作用，可以使得學(xué)員切身感受到違規(guī)作業(yè)的危害，提高事故預(yù)防的意識(shí)。該系統(tǒng)分別設(shè)置了正確模式以及考核模式。正確模式下主要目的是對(duì)學(xué)員進(jìn)行覆蓋渠有限空間作業(yè)的安全教育培訓(xùn)，讓學(xué)員快速學(xué)習(xí)如何正確有序的開展作業(yè)工作，考核模式則隱去了相關(guān)提示，并且會(huì)對(duì)學(xué)員的完成情況進(jìn)行打分，學(xué)員可以根據(jù)分?jǐn)?shù)了解自己的薄弱環(huán)節(jié)，加深自己對(duì)于有限空間作業(yè)的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。培訓(xùn)內(nèi)容主要分為八大模塊：簽署審批表、安全交底、打開井蓋、設(shè)置圍擋、通風(fēng)、檢測(cè)氣體、簽署安全檢測(cè)表、選擇錯(cuò)誤設(shè)備引發(fā)危險(xiǎn)，在進(jìn)行每個(gè)內(nèi)容模塊建設(shè)時(shí)會(huì)有相應(yīng)的操作提示。

4 塔式起重機(jī)檢測(cè)VR培訓(xùn)系統(tǒng)

塔式起重機(jī)是高層建筑施工過程中比較常用的工具之一。在施工的過程中，塔式起重機(jī)主要的任務(wù)就是將建筑物品運(yùn)送到高空中。所以加強(qiáng)對(duì)塔式起重機(jī)檢測(cè)工作的重視，確保塔式起重機(jī)的安全，能夠避免建筑物品高空墜落的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而確保地面工作人員的人身安全。尤其是在人員密集的施工場(chǎng)所，確保塔式起重機(jī)的正常使用更顯得尤為重要。加強(qiáng)對(duì)塔式起重機(jī)檢測(cè)工作的重視，確保塔式起重機(jī)在使用過程中的安全，不僅能夠?qū)Σ僮魅藛T的人身安全進(jìn)行保障，還能夠促進(jìn)建筑項(xiàng)目的順利進(jìn)行，節(jié)省建筑企業(yè)的成本開支。

基于上述存在的問題，省總站開發(fā)了塔式起重機(jī)檢測(cè)VR 培訓(xùn)系統(tǒng)，總體功能可分檢測(cè)安全培訓(xùn)模式、考驗(yàn)測(cè)評(píng)模式和事故體驗(yàn)?zāi)Ｊ饺齻€(gè)功能模塊。

4.1 檢測(cè)安全培訓(xùn)模式

體驗(yàn)者進(jìn)行塔式起重機(jī)檢測(cè)作業(yè)的安全教育培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容主要分為六大部分：準(zhǔn)備工作、塔機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)、塔機(jī)塔身檢測(cè)、套架與平臺(tái)處檢測(cè)、司機(jī)室及平衡臂檢測(cè)、起重臂檢測(cè)。

4.2 考驗(yàn)測(cè)評(píng)模式

體驗(yàn)者進(jìn)行塔式起重機(jī)檢測(cè)作業(yè)常見問題的考核，主要分為兩個(gè)階段：準(zhǔn)備階段和考核階段。在準(zhǔn)備階段，體驗(yàn)者需進(jìn)行勞保用品與防護(hù)用具的穿戴和檢查，體驗(yàn)者手持手柄依次模擬抓取安全帽、勞保鞋和安全帶等并相應(yīng)佩戴，完成后前往現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)配合人員處針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行技術(shù)交底。在考核階段，體驗(yàn)者需要依次完成塔身垂直度測(cè)量、吊鉤不允許出現(xiàn)的缺陷、正確懸掛安全帶、找出塔架外觀缺陷等問題，選出正確的答案。

4.3 事故體驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

體驗(yàn)者進(jìn)行塔式起重機(jī)檢測(cè)時(shí)高空墜落和物體打擊的安全教育培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容主要分為兩個(gè)階段：準(zhǔn)備工作和事故體驗(yàn)。在準(zhǔn)備工作部分，體驗(yàn)者需進(jìn)行勞保用品與防護(hù)用具的穿戴和檢查，體驗(yàn)者手持手柄依次模擬抓取安全帽、勞保鞋和安全帶等并相應(yīng)佩戴，完成后前往現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)配合人員處針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行技術(shù)交底。在事故體驗(yàn)階段，集成了塔式起重機(jī)檢測(cè)作業(yè)中可能存在的隱患發(fā)生的體驗(yàn)場(chǎng)景。主要包含了物體打擊、攀爬直梯高墜、起重臂檢測(cè)點(diǎn)1 高墜、起重臂檢測(cè)點(diǎn)2高墜。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的檢測(cè)安全培訓(xùn)過程單一、缺乏沉浸感以及缺乏交互性，培訓(xùn)效果達(dá)不到預(yù)期，本文提出了將VR技術(shù)用于檢測(cè)作業(yè)安全培訓(xùn)，激發(fā)檢測(cè)作業(yè)人員的興趣，加強(qiáng)檢測(cè)作業(yè)人員對(duì)安全事故的認(rèn)知和自身的安全意識(shí)，從而達(dá)到了安全教育培訓(xùn)的效果。