基于VR的交通建設工程施工安全教育系統開發

朱進玉，汪貴平，關麗敏，李 立，雷 旭

（長安大學 電子與控制工程學院，西安 710064）

交通建設工程施工中存在較多威脅安全生的事故隱患，國家和建設企業高度重視對施工人員的安全教育培訓工作[1]。目前的施工安全教育[2]主要采取2 種方式：聘用實踐經驗豐富、專業素質和職業道德水平較高的施工人員，對受訓者進行口頭培訓[3]；利用施工現場條件搭建實體場景，通過受訓者的實地體驗和操作增強其安全意識。然而，前者“口傳身教”的培訓模式，難以為受訓者提供貼近施工現場真實情況的培訓環境，使其“身臨其境”，后者則要求受訓者具備一定的建筑常識和施工經驗。因此，在新進施工人員普遍文化程度較低、安全意識較差的情況下，2 種模式的實際培訓效果均差強人意[4]。

虛擬現實VR 技術[5-6]通過集成計算機圖形、計算機仿真、人工智能及網絡并行處理等技術，利用計算機定義和模擬一個三維空間的虛擬世界，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統[7]。與其他可視化技術不同，VR 技術具有沉浸性、交互性和構想性等特征[8]。

針對目前交通建筑工地施工的主要安全隱患，在此基于VR 技術設計開發了施工安全教育系統。以國家相關主管部門頒布的安全規范為標準設計理論知識體系，進而采用VR 技術模擬橋梁、道路和隧道施工現實的場景和險情，使得受訓者通過VR系統體驗施工過程中的各種潛在危險[9]，并了解相應的防范知識及應急措施。

1 交通建設工程施工安全教育系統

交通建設工程施工VR 安全教育系統主要包括理論知識學習及考核系統和VR 系統。系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

理論知識學習及考核系統主要完成受訓者簽到、理論知識學習培訓和培訓后考核等功能；VR 系統主要為受訓者提供交通建設工程施工虛擬場景、虛擬危險源和虛擬處置環境，達到施工安全教育的目的。

2 理論知識學習及考核系統

施工安全教育的目的，在于讓受訓者更好地掌握在施工中所注意的事項以及預防對策。

理論知識學習及考核系統利用身份證閱讀器采集受訓者的簽到信息，完成簽到后即進行施工安全理論知識學習。學習內容主要分為橋梁施工安全、道路施工安全、隧道施工安全等3 個部分；每個部分又包括施工安全基礎知識、危險源、安全指南、事故應急措施等內容。在受訓者完成理論知識學習以后，即可進行理論知識學習情況的考核。

3 VR 安全教育系統設計

施工人員、管理人員經過安全知識的理論培訓和考核以后，再通過VR 系統體驗虛擬場景。為了加深受訓者對施工安全理論知識的理解，在此設計了橋梁施工、道路施工、隧道施工等3 類VR 安全教育子系統，受訓者能夠使用頭戴設備、操作手柄、振動臺等VR 硬件設施觀察和參與虛擬施工。VR 系統設計分為硬件和軟件2 部分。

3.1 硬件設計

VR 系統的硬件部分主要包括能夠滿足系統運行要求的高性能計算機、VIVE 頭戴設備、手柄、串流盒、顯示器、視頻分配單元等。硬件的連接及系統實物如圖2和圖3所示。此外，為了提示受訓者重點安全場景并增強體驗，在體驗區下方設計有振動臺系統，可以根據VR 系統音頻信號在振動臺上引發同步振動，讓受訓者能夠真實體驗到事故發生時的強烈震撼感，從而加強受訓者的安全意識。

圖2 硬件連接Fig.2 Hardware connection

圖3 VR 系統實物Fig.3 VR system object

由圖3 可見，VR 頭戴設備懸掛于墻壁兩側，定位器按照房間對角線上端以覆蓋整個房間范圍，顯示器實時顯示主頭戴設備當前畫面。驅動VR 操作系統的左側機柜包含有工業計算機、串流盒、視頻分配單元、UPS 等部件；用于控制振動臺系統的右側機柜包含有微型工控機、音頻分配單元、功率驅動單元等部件。實際施工中通常需要較多的受訓者同時參加教育培訓，而現有的VR 系統運行時1 臺計算機只能驅動1 套VR 設備，致使培訓效率較低。對此，設計了1 臺計算機可以同時驅動多套VR 設備的VR安全教育系統，培訓效率大幅提高。

3.2 軟件設計

VR 系統軟件包括施工安全教育場景三維模型庫建立、貼圖渲染優化和交互功能實現等3 部分。

場景模型庫在3Ds Max 中對相關設備及場景進行三維模型構建和優化。人物模型和場景模型的建立過程如圖4所示。

圖4 3Ds Max 中人物以及場景基本模型的構建Fig.4 Construction of the basic model of characters and scenes in 3Ds Max

貼圖渲染的主要目的是增強場景的真實性[10]。具體實現步驟如下：

步驟1利用 EI-shayalSmart 軟件鏈接GoogleEarth，截取GoogleEarth 中的衛星圖，將截取的所有目標區域.jpg 衛星圖片導入到GlobalMapper中，選擇UTM 生成光柵圖像（.bmp），該文件中包含目標區域的經緯度以及海拔高度；

步驟2根據GlobalMapper 中所獲得經緯度數據下載已有DEMO 數據，將下載的DEMO 數據再次導入到GlobalMapper 中輸出高程網格模式，利用經緯度再次確定目標地形，并測量最終地形的長寬以及海拔高度；

步驟3在Worldmachine 中導入DEMO 數據與衛星圖，導出最終所需要的地形貼圖及法線貼圖；

步驟4在Unity 3D 中導入地形高程圖及貼圖和法線貼圖[11]。如圖5所示。

圖5 Unity 3D 中導入地形Fig.5 Importing terrain in unity 3D

系統交互功能主要通過受訓者通過VR 手柄的不同姿態及不同按鍵功能實現。具體實現步驟如下：

步驟1使用VRTK_Interact Touch 腳本實現手柄碰觸物體觸發事件。

步驟2使用VRTK_Interact Grab 腳本實現抓取功能。

步驟3使用VRTK_Bezier Pointer 腳本實現瞬移功能，按下手柄面板的按鍵，松開之后將瞬移至前方弧線終點位置處。

基于上述軟件系統，VR 系統可以實現圖6所示功能。其中，主菜單有3 種施工場景可供選擇，即橋梁施工場景、道路施工場景、隧道施工場景，還有進一步細化的17 個具體場景。進入菜單頁面，扣動手柄扳機，即可選擇培訓場景。

4 體驗實例

在此，以橋梁火災安全教育為實例，介紹具體場景的構建和體驗過程，其真實環境與虛擬場景如圖7所示。

步驟1使用VRTK_Interact Touch 腳本實現手柄碰觸物體觸發事件功能。進入程序主界面后，通過手柄碰觸主界面中的3 個施工場景虛擬球，如選擇橋梁施工，然后扣動手柄扳機鍵，選擇火災和消防場景。

圖6 VR 系統功能Fig.6 Function of VR system

圖7 VR 火災場景Fig.7 VR fire scene

步驟2進入該場景后，使用VRTK_Bezier Pointer 腳本的瞬移功能，行進至倉庫內，2 s 后觸發起火點起火，火焰由小逐漸變大。

步驟3使用VRTK_Interact Grab 腳本實現抓取功能?；鹧孑^小時受訓者可以拿起滅火器滅火，滅火時，開始語音加文字提示：“請拿起手中的滅火器，扣動扳機鍵拔出保險銷”，受訓者扣動扳機鍵后，執行保險銷拔出脫落的動畫。

步驟4繼續語音加文字提示：“請對準起火點，扣動扳機鍵開始滅火”，當受訓者滅掉身邊的火焰后，2 s 后切換到主場景。

步驟5當起火點火焰較大時，語音加文字提示：“火勢失控，3 s 后必須離開失火現場”，同時地面出現提醒受訓者至逃生門的綠色指示箭頭（消防燈閃爍，警鈴報警，逃生指示燈亮起）。此時受訓者選擇逃生，使用VRTK_Bezier Pointer 腳本的瞬移功能，按照綠色指示箭頭所指方向逃離現場。

步驟6受訓者選擇消防逃生后，3 s 后使用VRTK_Bezier Pointer 腳本功能，將受訓者緩慢傳送出逃生門，并語音加文字提示：“逃生成功”。

5 結語

安全生產教育是交通建設工程施工組織過程中必不可少的環節，傳統的施工安全教育效果無法令人滿意。文中融合VR 技術與施工安全理論教育，不但降低施工安全實訓基地的建設成本，而且可較大程度地提高參與受訓者的主動性，保障安全教育過程人員的安全。所設計的VR 系統解決了普遍存在的1 臺計算機服務1 套VR 設備的技術難題，可以實現1 臺主機同時驅動多個VR 設備，大幅提高了培訓效率。該系統經過實際使用取得了良好的效果，具有較強的現實意義和經濟意義。