虛擬仿真技術在道橋隧安全施工教學中的應用

摘 要 在道路、橋梁、隧道安全施工教學中，針對一些場地稀缺、器材成本高、具有危險性的實踐環(huán)節(jié)，創(chuàng)新地運用虛擬仿真技術對實踐過程進行真實還原，建立了“道橋隧安全施工重大危險源識別與考核仿真系統”。該系統依托Unity引擎、PBR流程建模、Socket網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，對道路、橋梁、隧道全流程施工中共計39個危險源進行了還原；學生在虛擬環(huán)境中開展安全的沉浸式實驗，以達到教學大綱所要求的教學效果，具有安全性高、擴展性強、成本低等特點。

關鍵詞 虛擬仿真技術；安全施工；危險源識別；虛擬現實

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.036

Application of Virtual Simulation Technology in Safety Construction Teaching

of Roads， Bridges and Tunnels

Abstract In the safety construction teaching of roads， bridges and tunnels， virtual simulation technology is innovatively used to restore the practice process in view of scarce sites， high equipment costs and risks. We have established a simulation system for identification and assessment of hazard sources in safety construction. Based on Unity Engine， PBR process modeling， socket network communication and other technologies， the system constructs a highly simulated virtual environment and objects. A total of 39 hazard sources in the whole construction of roads， bridges and tunnels have been simulated in the system. Students carry out safe and immersive experiments in the virtual environment to achieve the teaching effect required by the syllabus. The system has the characteristics of high security， strong expansibility and low cost.

Keywords virtual simulation technology; safety construction; hazard identification; virtual reality

2023年，教育部辦公廳印發(fā)《關于加快推進現代職業(yè)教育體系建設改革重點任務的通知》（以下簡稱《通知》）[1]，其中將持續(xù)建設職業(yè)教育專業(yè)教學資源庫、建設職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地等作為重點任務。同時，《通知》指出，各校要瞄準專業(yè)實訓教學中“高投入高難度高風險、難實施難觀摩難再現”等現實問題，結合自身實際，建設職業(yè)教育虛擬仿真實訓基地。虛仿基地要有效運用虛擬現實、數字孿生等新一代信息技術，開發(fā)資源、升級設備、構建課程、組建團隊，革新傳統實訓模式，有效服務專業(yè)實訓和社會培訓等?！锻ㄖ愤€提出到2025年建成200個左右全國示范性虛仿基地，帶動各地1000個左右區(qū)域示范性虛仿基地建設，推動職業(yè)院校技術技能人才實訓教學模式創(chuàng)新。因此，將虛擬仿真技術與職業(yè)教育教學相結合，構建特定學科領域的虛擬仿真實驗系統具有很強的現實意義。

在道路、橋梁及隧道施工流程中存在著一系列不同類型的危險源，在高校相關專業(yè)的教學大綱中，培養(yǎng)學生掌握基本的危險源識別方法與樹立安全意識是重要的教學目標之一。傳統的道橋隧安全施工教學主要采用課堂教學和實地教學等方式進行，其中課堂教學僅依靠教師講述和相關圖文資料展示，效果較差，學生參與度較低，難以滿足教學大綱中所要求的教學效果；實地教學主要包括企業(yè)工地參觀實踐與校內仿真模型體驗等方式，具有場地稀缺、器材成本較高、教學覆蓋面較窄、危險性較高等問題[2]。

根據相關指導文件的精神，為更好地發(fā)揮數字教育的優(yōu)勢，切實解決道橋隧安全施工教學實踐中的相關痛點和難點，課程組基于虛擬仿真技術構建了“道橋隧安全施工重大危險源識別與考核仿真系統”，該系統具有安全性高，擴展性強、成本較低，覆蓋面較廣等特點，可以有效與傳統教學形成優(yōu)勢互補[3]。

1 虛擬仿真實驗體系構建

根據相關專業(yè)教學大綱中的要求，本系統的教學目標是樹立學生的安全施工意識，同時培養(yǎng)學生掌握道路、橋梁及隧道施工流程中常見的危險源識別方法，使得學生具備承擔道路、橋梁和隧道工程的安全技術管理、日常安全教育與培訓、安全分析與評價等能力。

1.1 基于虛擬仿真技術的場景教學

虛擬仿真技術涉及計算機圖形學、人機交互技術、人工智能等多個領域，主要是指利用計算機來對現實場景進行建模和模擬，從而構建一個包含視覺、聽覺等多感官的逼真虛擬環(huán)境，具有較強的沉浸感。近年來隨著相關技術的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術已經廣泛應用于工業(yè)培訓、石油化工、教育、數字校園建設等領域。

本系統基于虛擬仿真技術來構建虛擬實驗場景和實驗對象，通過對實際的施工環(huán)境進行考察調研，并結合相關設計圖紙，對道路、橋梁和隧道三個施工場景進行了高度還原，學生在相應的虛擬場景中進行瀏覽學習并完成相應練習。

1.2 基于施工流程的階段教學

在實際的生產環(huán)境中，施工流程中的不同環(huán)節(jié)往往會存在不同類型的危險源，傳統的實地教學往往只能針對施工流程中的某一個或某幾個工藝環(huán)節(jié)進行教學，無法涉及全流程的危險源識別教學，整體實踐效果較為局限。

得益于虛擬仿真技術的運用，本系統在教學模式上突破了傳統教學中時間和空間的限制。系統對不同階段中可能出現的多個危險源進行了情景模擬，通過對施工全流程中危險源的識別學習，從而培養(yǎng)學生掌握對不同階段潛在危險源的識別方法并樹立高度的安全預警意識[4]。

1.3 基于情景再現的實踐教學

危險源識別與評價方法主要分為兩大類，分別是直觀經驗法和系統安全分析法[5]。對于道橋隧建設等土木工程專業(yè)，在施工過程中大量使用了直觀經驗法，這要求相關技術人員熟練掌握施工流程中的安全規(guī)范，并擁有一定的安全施工經驗。落實到高校教學中，即通過課堂規(guī)范教學與對實際案例的學習分析，讓學生掌握施工流程中常見危險源的識別方法。

本系統對每個危險源場景預設了情景演繹，以三維動畫的形式來表現施工人員之間的對話和環(huán)境物品的變化等，從而生動展示了該施工環(huán)節(jié)中潛在的危險源。學生通過代入具體的施工情景，在觀看動畫的同時對危險源進行識別和推斷，從而建立起對該類型危險源的直觀經驗；再結合對相關規(guī)范的課堂學習，樹立良好的危險預警意識。

2 虛擬仿真實驗系統設計與實現

本系統具體包含三個子系統，分別是危險源識別系統、安全知識認知系統，以及內容更新系統。

2.1 危險源識別系統

學生在進入系統之后，可以選擇進入對應專業(yè)的虛擬施工場景。本系統共包含道路、橋梁、隧道三個施工大場景的共計39個危險源。學生在虛擬施工場景中以第一人稱視角進行漫游，可以在施工流程的各個工藝環(huán)節(jié)進行危險源識別實踐。學生在虛擬施工場景中遇到危險源事件之后，會播放相應的三維演示動畫，通過情景演繹和旁白解說的方式讓學生了解此時施工中發(fā)生的危險源事件。危險源識別系統共包括三種學習模式，分別是瀏覽模式、訓練模式和考核模式，三種模式的教學流程和講解細節(jié)有所不同。

2.2 安全知識認知系統

安全知識認知系統是一套題庫系統，其中包含一系列與安全施工相關的習題。與傳統的二維平面題庫系統不同的是，該系統提供了一個虛擬的施工場景，場景中存在若干數量的習題板，習題板上包含了對題目的描述（圖片、文字、視頻等形式）以及若干選項。學生以第一人稱視角在虛擬施工場景中進行瀏覽，在習題板前停留并進行作答。該系統包含訓練和考核兩種模式。

2.3 內容更新系統

內容更新系統主要包括自定義編輯模塊和內容更新模塊兩個子模塊。其中自定義編輯模塊允許相關專業(yè)教師對系統中的教學內容進行修改和更新。內容更新模塊會將教師的修改轉換為自定義的序列化文件，然后將其和所依賴的資源上傳到資源服務器中。用戶在進入系統時，系統會自動進行版本校驗，并從/2EGZKwt+uAAKWduJh+vaA==服務器上按需下載最新的教學資源。

3 虛擬仿真實驗系統的特點

3.1 真實感虛擬仿真場景的構建

本系統基于Unity引擎的通用渲染管線進行開發(fā)，部署于PC客戶端，在保證渲染質量的同時降低了對設備性能的要求。場景中的地形與模型均采用次世代建模流程制作，并使用基于物理的著色模型進行渲染[6]；對于相關專業(yè)施工設備，采用CAD圖紙進行自動生成與參考建模，模型與貼圖具有豐富的細節(jié)。本系統還使用了高質量的粒子特效（如煙塵、火焰、水流等）與后處理效果，與基于WebGL的虛擬仿真系統相比，具有更強的表現力和沉浸感。

3.2 系統自定義編輯與內容更新

常見的虛擬仿真培訓系統都是高度定制且不可擴展的，其中的教學資源也不可遷移和復用，這導致系統開發(fā)完成之后難以維護和進行二次開發(fā)，用戶也無法進行自定義修改。另外，相關專業(yè)教師基本不具備虛擬仿真系統教學資源的開發(fā)能力，因此后續(xù)教學資源只能繼續(xù)定制更新，導致定制費用較高。

本系統針對上述問題設計開發(fā)了內容更新系統，該系統允許教師對已有的教學內容進行一定程度的自定義修改和編輯，提升了系統的可擴展性。我們對系統操作進行了簡化，教師在經過簡單培訓之后可以快速掌握編輯工具的使用方法。不僅降低了定制教學資源的成本，也充分利用了教師的專業(yè)知識，提高其參與積極性。

4 基于虛擬仿真實驗的安全施工教學改革

本系統在遼寧省交通高等?？茖W校道路與橋梁工程系進行了部署和應用，通過課堂教學和虛擬教學相結合的方式，取得了較好的教學效果，師生普遍反響良好。

基于虛擬仿真技術的實驗系統具有部署成本低、可復制性強、安全性高等特點，在一定程度上解決了傳統教學資源短缺、時空受限、實踐環(huán)節(jié)難以開展等問題。同時通過計算機圖形學技術、多媒體技術與人機交互技術等，使得教學環(huán)節(jié)從知識的單向傳遞變?yōu)槔碚摵蛯嵺`的雙向互動，讓教學環(huán)節(jié)變得更具吸引力，極大提高了學生的學習興趣和積極性[7]。

本系統主要針對道路、橋梁以及隧道施工流程中的危險源識別進行安全教學，一般來說，需要進行安全施工教學的專業(yè)（例如土木工程，核工程等），本身便具有一定的危險性，其實踐環(huán)節(jié)存在因操作不規(guī)范和突發(fā)情況導致危險發(fā)生的可能，因此在相關專業(yè)使用虛擬仿真實驗的形式來進行安全教學是十分有前景和意義的。

5 結語

傳統道路、橋梁及隧道施工安全教學具有場地稀缺、器材成本高、教學覆蓋面窄等問題，通過本系統，學生可以不受時間和場地限制，在虛擬施工場景中以情景演繹的方式體驗施工全流程中可能出現的危險源，并對其進行識別和學習，從而建立起對常見危險源的直觀經驗，為將來從事相關技術與管理工作奠定安全施工意識。本系統在一定程度上彌補了傳統教學的缺陷，對教學資源進行了整合，實現了教學資源的互補。

本系統具有一定的可擴展性，允許專業(yè)教師對已有的教學資源進行自定義修改和編輯，并將內容更新推送到服務器中。在充分利用了教師的專業(yè)知識和積極性的同時，降低了定制教學資源的成本。

參考文獻

[1] 崔鈺婷，趙志群.虛擬現實技術對學生學習績效的影響——基于59項實驗或準實驗研究的元分析[J].中國遠程教育，2020（11）：59-67，77.

[2] 文錦瓊，肖世維，青思含.虛擬仿真技術在高校不同學科中的應用[J].實驗室科學，2020，23（2）：79-82，87.

[3] 尹雋，李路路，齊新雷，等.虛擬仿真教學系統學習效果的影響因素研究[J].現代教育技術，2022，32（1）：64-74.

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[5] 金文生.橋梁施工過程中危險源識別技術及評價研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2012.

[6] 趙夢琦.基于PBR流程的次世代寫實游戲材質設計[D].湘潭：湘潭大學，2021.

[7] 黃濤，胡佳恒，付佩.虛擬仿真實驗在材料力學課程教學改革中的應用研究[J].實驗科學與技術，2022，20（1）：34-38，44.