基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“受限空間安全事故處理”實訓(xùn)課程開發(fā)與實踐*

程雷相

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)， 甘肅 蘭州 730207)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡稱VR技術(shù)，是20世紀(jì)末興起的一項信息綜合應(yīng)用的技術(shù)。目前VR技術(shù)在諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。因其具有良好的直觀性、互動性、沉浸性從而在教育教學(xué)中應(yīng)用廣泛。高職院校的實訓(xùn)課程因場地、資金、設(shè)備、師資等條件的限制，并不能順利開展，尤其是占地面積大、資金投入高同時又帶有危險性的實訓(xùn)課程很難在高職院校實施。例如“化工安全”“實驗室安全”等實訓(xùn)課程。

受限空間作業(yè)是化工企業(yè)常見八大高危作業(yè)之一。受限空間作業(yè)常指在封閉或者部分封閉，出入口較為狹窄且與外界相對隔離的環(huán)境下的作業(yè)。因為在該環(huán)境下工作，常伴有自然通風(fēng)不良，有毒有害氣體、易燃易爆物質(zhì)的集聚，或者含氧量低于19.5%的工作條件。在化工企業(yè)生產(chǎn)中受限空間作業(yè)危險性極大，因為化工企業(yè)的介質(zhì)存在高危高壓、有毒有害、易燃易爆的特點，這些特點增大了受限空間作業(yè)的危險性。受限空間作業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的事故有窒息、中毒、燃燒爆炸等。然而，受限空間作業(yè)在化工企業(yè)中經(jīng)常存在，設(shè)備檢修、清洗、維護(hù)作業(yè)中常伴隨受限空間作業(yè)，因此受限空間作業(yè)非常重要。在高職應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)教學(xué)中，有必要開發(fā)受限空間事故處理實訓(xùn)課程。

受限空間事故處理實訓(xùn)是《化工安全技術(shù)》課程里面的一項內(nèi)容。這項實訓(xùn)對場地和設(shè)備要求高，資金投入大，加之實訓(xùn)內(nèi)容的特點決定了實訓(xùn)過程中常伴有危險性，學(xué)生生產(chǎn)實踐經(jīng)歷少，經(jīng)驗匱乏，在這些實訓(xùn)場所中教學(xué)非常危險。指導(dǎo)教師一般以演示的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，以確保教學(xué)中的安全。然而，這種教學(xué)方法效果差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的事故應(yīng)急處置能力，也滿足不了化工生產(chǎn)過程中受限空間作業(yè)崗位對能力的需求。既要保證學(xué)生實訓(xùn)過程中的安全而使實訓(xùn)課程順利進(jìn)行，又要提高教學(xué)效果培養(yǎng)學(xué)生實踐技能水平，必須要另辟蹊徑，引入新技術(shù)，開發(fā)新的教學(xué)方法。VR 技術(shù)以其良好的直觀性、互動性、沉浸性和安全性給“受限空間事故處理”實訓(xùn)課程的教學(xué)帶來了新思路。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實訓(xùn)課程中應(yīng)用的優(yōu)勢

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)很好地填補(bǔ)了安全教育與IT技術(shù)融合處的空白，已經(jīng)被應(yīng)用在越來越多的安全教育培訓(xùn)中。VR世界的沉浸感會將人們置身于火災(zāi)、爆炸事故、特種作業(yè)環(huán)境、地震臺風(fēng)等災(zāi)害場景中，可以最大程度地讓人們從心底認(rèn)識到事故預(yù)防的重要性。

1.1 智能化評估實訓(xùn)效果

根據(jù)學(xué)員特點和災(zāi)害強(qiáng)弱程度的分析，交互式的VR培訓(xùn)平臺可以針對特定學(xué)員和組織做出獨特的處理。VR技術(shù)應(yīng)用可以創(chuàng)建學(xué)員所需的特殊場景，并在教學(xué)任務(wù)的培訓(xùn)中提供即時的反饋。例如，VR技術(shù)可以評估員工在面對事故時應(yīng)急預(yù)案的成效。反過來，根據(jù)提供的即時數(shù)據(jù)找出差距和需要改進(jìn)的地方，并進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練。通過VR場景和運(yùn)動記錄，可以將表現(xiàn)進(jìn)行數(shù)字化存儲，從而更有效地評估。當(dāng)你在應(yīng)急演練時，VR平臺可以將你的行為用360°拍攝下來，這是十分寶貴的預(yù)演分析視頻?？梢杂糜诟行У胤e累經(jīng)驗，為以后制定行動提供必要的糾正措施。需要指出的是，我們并不需要單單依靠VR去進(jìn)行訓(xùn)練，而是應(yīng)當(dāng)與其他傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合，融合各自的優(yōu)點，更好地達(dá)到目的。

1.2 實時教育

VR可以將諸如颶風(fēng)或地震等自然現(xiàn)象一致同步到各個區(qū)域，讓多個組織同時進(jìn)行培訓(xùn)。在學(xué)員進(jìn)行模擬的過程中，VR可以將傳統(tǒng)的教學(xué)元素如幻燈片的圖形和數(shù)據(jù)嵌入在虛擬環(huán)境中，進(jìn)行實時教育。

1.3 場景逼真

另一個顯著優(yōu)點就是更加逼真的視聽刺激，提高學(xué)員的重視程度，體驗著關(guān)注事故應(yīng)急及避免事故發(fā)生的重要性。此外，培訓(xùn)方案可模擬分布在各個城市和住宅的環(huán)境中。假如舉行一場火災(zāi)事故應(yīng)急演練，我們需要關(guān)閉數(shù)個有相當(dāng)大的人流量的街區(qū)，這在學(xué)校環(huán)境中幾乎是不可能實現(xiàn)。VR卻可以很容易地模擬出這些苛刻環(huán)境，解決真實環(huán)境中的限制因素問題。

1.4 訓(xùn)練靈活

VR應(yīng)用允許學(xué)員按照自己的節(jié)奏來學(xué)習(xí)，逐步而全面地掌握相關(guān)的防范知識。在進(jìn)行團(tuán)體培訓(xùn)時，VR平臺可以提供小組討論和分析的場景，用來討論個體行為的正確性以及是否能保證團(tuán)隊協(xié)作。

1.5 實訓(xùn)成本低

從成本的角度來看，VR培訓(xùn)有著明顯的優(yōu)勢。因近年來化工廠事故頻發(fā)，國家法律法規(guī)要求相關(guān)人員定期進(jìn)行事故演練，但很多情況下因時間經(jīng)費(fèi)等問題，不能達(dá)到很好的效果，而VR方案只需要消耗一定量的資金去購買設(shè)備就可以在不同的虛擬環(huán)境中重復(fù)練習(xí)。

2 受限空間作業(yè)事故處理實訓(xùn)課程開發(fā)

筆者基于北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司合作開發(fā)的受限空間作業(yè)事故處理VR系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的實訓(xùn)課程，內(nèi)容包括“VR系統(tǒng)的認(rèn)識”“VR系統(tǒng)操作”“在VR系統(tǒng)上進(jìn)行受限空間作業(yè)和事故處理”。

2.1 VR系統(tǒng)硬件認(rèn)識

VR系統(tǒng)的硬件主要有VR頭戴顯示器和操作手柄(圖1)。

VR頭戴顯示器具備完整的激光定位系統(tǒng)，精確追蹤定位，頭顯顯示屏部分具備，整個系統(tǒng)延時低于 20 ms，低于神經(jīng)系統(tǒng)感知誤差，有效避免因延遲造成的眩暈。頭顯的顯示部分整體分辨率為2160×1200(單眼分辨率為1080×1200)，高于全高清分辨率，保證了顯示效果清晰；刷新率達(dá)到90次每秒，降低畫面撕裂失真。體感手柄配合激光定位捕捉肢體動作，模擬交互，提高沉浸感。另外，虛擬現(xiàn)實頭顯示設(shè)備內(nèi)置有數(shù)個傳感器、兩個無線控制器，并具備手勢追蹤功能。而且，內(nèi)置的跟蹤系統(tǒng)會向用戶所在屋內(nèi)發(fā)射數(shù)道射線，并感知到墻壁的存在位置，因此學(xué)員可以佩戴這一頭盔在屋內(nèi)隨意走動。

VR系統(tǒng)手柄主要用來跟系統(tǒng)角色互動，操作VR系統(tǒng)更好的完成任務(wù)。操作時需要用到兩個手柄，左手手柄用來操作工具和NPC(軟件設(shè)定的角色、不可操作)交互，右手手柄用來護(hù)具穿戴和人物移動。手柄的主要功能包括中移動、物品使用、物品拾取、綜合運(yùn)用等功能。VR系統(tǒng)如圖1所示。

①開關(guān)機(jī)；②瞬移鍵；③菜單鍵；④顯示燈；

2.2 受限空間作業(yè)事故背景設(shè)置

應(yīng)急虛擬現(xiàn)實仿真演練系統(tǒng)通過對各類災(zāi)害數(shù)值模擬和人員行為數(shù)值模擬的仿真，在虛擬空間中仿真災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的過程，以及人們在災(zāi)害環(huán)境中可能做出的各種反應(yīng)；并在演練平臺上，在最大限度仿真實際災(zāi)害的條件下，開展應(yīng)急演練。在此基礎(chǔ)上，制定各類企事業(yè)單位的數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)可以用來訓(xùn)練各級決策與指揮人員、事故處置人員，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急處置過程中存在的問題，檢驗和評估應(yīng)急預(yù)案的可操作性和實用性，提高應(yīng)急能力。

典型污水處理廠受限空間安全事故處理VR系統(tǒng)，采用VR技術(shù)，形成一個沉浸式的三維仿真環(huán)境。需要根據(jù)典型污水處理廠AAO工藝(厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝)的建設(shè)和工藝布局要求，建立污水處理廠仿真教學(xué)場景模型。

根據(jù)典型污水處理廠建設(shè)和工藝布局要求，建立現(xiàn)代化污水處理廠仿真教學(xué)場景模型，包含：格柵池、泵房、沉砂池、二沉池、消毒池、污泥井、濃縮池、脫水機(jī)房、風(fēng)機(jī)房、化驗室、中控室、初沉池、生化池等單體生產(chǎn)設(shè)備模型。進(jìn)入仿真軟件后，用戶可控制人物在廠區(qū)行走，并進(jìn)入到相應(yīng)的事故單體建筑模型附近進(jìn)行事故處理操作。

2.3 事故處理流程

1)發(fā)布任務(wù)

首先，與NPC交互，接受任務(wù)，然后選擇正確的作業(yè)票。

2)工具/護(hù)具選擇

選擇需要穿戴的護(hù)具：普通工作服、普通手套、安全帽、普通勞保鞋、安全礦燈、安全帶、呼吸機(jī)。選擇需要使用的工具：警戒線、作業(yè)牌、扳手、8字盲板、掛鉤、梯子、三腳架、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、對講機(jī)、氣體檢測儀。

3)危害識別

首先，找到污泥井周圍環(huán)境中存在的風(fēng)險隱患點，其中含有的風(fēng)險隱患包括積水、生銹的欄桿等。

4)作業(yè)前安全隔離

操作步驟包括：①在作業(yè)區(qū)域設(shè)置警戒桿，進(jìn)行區(qū)域隔離；②擺放作業(yè)指示牌；③切斷污泥螺桿泵電源，懸掛警示牌；④進(jìn)口閥門安裝盲板；⑤填寫作業(yè)票。

5)作業(yè)

第一步進(jìn)行氣體檢測，步驟包括：①打開污泥井蓋；②放置鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)管，進(jìn)行通風(fēng)置換；③進(jìn)行氣體檢測。

第二步穿戴個人防護(hù)用品。

第三步下井作業(yè)，并做好安全監(jiān)護(hù)，步驟包括：①安放直梯，下井作業(yè)；②按照巡檢路線進(jìn)行巡檢。

6)發(fā)生事故，緊急救援

緊急救援步驟包括：①事故匯報；②安裝三腳架；③下井營救傷員；④傷員轉(zhuǎn)移，緊急救護(hù)；⑤填寫作業(yè)票。

3 教學(xué)實踐

3.1 教學(xué)設(shè)計

首先，制定教學(xué)目標(biāo)。受限空間作業(yè)事故處理是化工安全技術(shù)課程的一部分內(nèi)容，主要考察學(xué)員的受限空間作業(yè)應(yīng)知應(yīng)會的知識、作業(yè)規(guī)范、操作技能和職業(yè)素養(yǎng)。因此，在制定課程目標(biāo)時，可以從知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)等三個方面展開，另外設(shè)計一些課程思政元素也是有必要的。目標(biāo)的描述應(yīng)用動賓結(jié)構(gòu)語句，量詞可評可測，切勿模糊不清。例如，知識目標(biāo)課描述為陳述受限空間作業(yè)作業(yè)的流程、在VR系統(tǒng)上進(jìn)入受限空間作業(yè)的操作規(guī)范等；能力目標(biāo)可描述為在VR系統(tǒng)里處理受限空間作業(yè)事故(窒息、中毒等)；素質(zhì)目標(biāo)可描述為培養(yǎng)學(xué)員面對險情臨危不亂的職業(yè)素養(yǎng)。另外，在課程思政方面，深挖思政元素，包括國家科技的進(jìn)步、愛國精神、保護(hù)人民生命安全及財產(chǎn)的擔(dān)當(dāng)?shù)取７椒ㄅe措包括教師結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和軟件和實訓(xùn)內(nèi)容，一是體驗VR技術(shù)的科技感，二是生命安全意識的重要性。

其次，在教學(xué)策略上，應(yīng)分為課前導(dǎo)預(yù)習(xí)、課上導(dǎo)學(xué)習(xí)和課后鞏固三個環(huán)節(jié)分別設(shè)計。依據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念，在課前導(dǎo)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，可將淺顯易懂的理論知識制作成電子課件上傳到學(xué)生的手機(jī)端，讓學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)；課上，教師先示范使用VR系統(tǒng)，然后讓學(xué)員依次練習(xí)，教師全過程指導(dǎo)，糾正錯誤，避免危險。課后鞏固環(huán)節(jié)，可自由開放實訓(xùn)室，安排學(xué)生自由練習(xí)，并由專人指導(dǎo)和管理，鞏固教學(xué)成果。

3.2 教學(xué)效果評價及反思

針對應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)二年級學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實踐，實踐過程中，學(xué)生對先進(jìn)設(shè)備和系統(tǒng)充滿好奇心，學(xué)習(xí)興趣濃厚，積極參與實訓(xùn)，相比傳統(tǒng)的教學(xué)方式方法，效果有明顯提高。

同時，在教學(xué)實踐過程中，有些地方需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。一是教師教學(xué)水平的提高，尤其在信息化教學(xué)水平方面。職業(yè)院校高速發(fā)展的同時，新設(shè)備和新技術(shù)不斷的引入到教學(xué)中，對教師是一項挑戰(zhàn)，教師應(yīng)與時俱進(jìn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高教學(xué)水平。二是要進(jìn)一步的深入設(shè)計課程，充分利用先進(jìn)的設(shè)備，發(fā)揮設(shè)備的功能進(jìn)行教學(xué)，深挖思政元素，做好思政教育工作。三是學(xué)生在面對新技術(shù)、新設(shè)備時，雖然能迅速適應(yīng)，但缺乏對知識系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，把握不住學(xué)習(xí)重點，認(rèn)為VR系統(tǒng)類似游戲，以玩游戲的心態(tài)參與實訓(xùn)。面對這種情況，教師要加強(qiáng)引導(dǎo)，發(fā)揮引領(lǐng)示范作用。

4 總結(jié)

綜上所述，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展受限空間事故處理實訓(xùn)既能順利開展教學(xué)活動提升教學(xué)效果，又避免了實訓(xùn)過程中的危險性。在職業(yè)院校高速發(fā)展的今天，充分利用現(xiàn)代科技，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，將先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備引入教學(xué)活動，是職業(yè)教育教學(xué)的發(fā)展趨勢。