基于VR的交通運輸行業安全培訓系統研究

朱云峰，張 峰，韓樹河

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

1 交通運輸應用VR技術的優勢

交通運輸是國民經濟中基礎性、先導性、戰略性產業，是重要的服務性行業，具有系統龐大、范圍廣、領域多、參與人員多的特點，被列為高風險行業進行管理。一直以來，各級領導及政府高度重視交通運輸安全生產工作，雖然總體形勢穩定，但其安全生產事故總量仍居高不下[1]。同時，交通運輸行業當前仍呈高速發展態勢，運輸市場轉型升級加快，新的業態、新的運輸方式不斷涌現，發生交通運輸事故的可能性和突發性還將長期存在，安全生產工作面臨許多挑戰，從業人員素質整體不高就是挑戰之一。

本文運用互聯網、虛擬現實(Virtual Reality，VR)等先進技術手段，借助網龍華漁101VR編輯器(平臺)，建立一系列交通行業安全教育培訓場景，設計并實現一套基于VR的沉浸式安全培訓系統及相關課程。綜合運用虛擬現實、大數據、網絡等信息技術與現代化手段，打破時間、空間、環境的限定，打造具有高度交互和體驗的安全培訓系統，通過身臨其境的沉浸式教育，全方位地開展安全培訓與教育。通過系統設計與開發，優化教育培訓模式，降低培訓對場地、設備的需求以及培訓潛在安全風險，實現綠色培訓、分散式培訓和實時培訓，減少培訓損耗，提高培訓的效率。

2 VR技術概述

VR技術借助傳感、計算機視覺、人工智能等高新技術，結合實現實時交互的、多樣化、沉浸式人機交互體驗環境，具有沉浸性、交互性和構想性(自主性)3個主要特點。將VR技術與現實需要相結合，創建多維度虛擬信息空間，高度還原真實場景，增加體驗者的臨場感(沉浸性)；利用頭戴式VR眼鏡(頭盔)、控制手柄、步移器等感知控制設備，通過感知控制，增加體驗者的交互操作；利用合理的場景布置、關卡設計，通過體驗者在虛擬空間的自主感知和認知，在體驗過程中增加獲取知識的主觀能動性。因此，VR技術能夠較好地服務于行業技能培訓，能夠在有限的空間內實現多場景、多應用；能夠高度模擬還原現實生活中難以重現的真實事故場景；能夠將教學與交互操作有效融合，實現分步教學、細節演示、重點凸顯等教學培訓設計。

3 基于VR技術的交通運輸行業安全培訓系統的設計

本文通過分析交通運輸行業安全培訓所需內容，有針對性地選取需要且適合用VR技術仿真的安全培訓內容及課程。利用3DSMAX，MAYA，Unity3D等建模和虛擬現實軟件，設計、制作相關培訓場景；借助網龍華漁101VR資源庫及平臺搭建虛擬現實培訓平臺。

3.1 VR系統的平臺架構設計

交通運輸行業安全培訓VR系統的平臺架構主要包括：模擬場景、數據庫、輸入設備、輸出設備、VR虛擬現實軟件平臺。其中，模擬場景主要包括實物模擬場景和虛擬模型場景；數據庫主要包括虛擬場景資源庫、培訓信息數據庫；輸入設備主要包括VR手柄、VR空間自由移動平臺等傳感設備；輸出設備主要包括VR眼鏡、LED屏等、燈光、音頻輸出設備等；VR虛擬現實軟件平臺為網龍華漁101VR虛擬現實平臺、相關建模軟件等。VR系統的平臺架構如圖1所示。

圖1 基于VR的交通運輸行業安全培訓系統的平臺架構

3.2 培訓課程的開發

交通運輸行業安全培訓，主要針對交通運輸行業涉及的安全隱患及防范進行設計、組織與實施。培訓工作圍繞VR培訓系統，主要從培訓方案制定、場景設定、培訓實施、結果反饋4個環節，針對交通運輸行業涉及的安全隱患及防范要求進行設計、組織與實施。主要的培訓課程分為安全體驗課程和模擬實操課程兩個部分。

3.2.1 安全體驗課程的開發

單場景安全體驗課程設計目的是通過場景還原、事件重演，讓體驗者切身體驗實際事故發生場景，并從中反思、分析、研判事故的原因、應對措施以及防范方法。

根據具體的交通運輸行業事故案例和現有調研、利用VR技術、基于101虛擬現實平臺開發的安全體驗課程主要有：貨物堆場高處墜物事故VR體驗、LNG碼頭燃爆事故VR體驗、貨車纜繩鞭打VR體驗、滿載重型貨車追尾VR體驗等重點事故或情景的VR體驗課程、觸電傷害VR體驗、火災傷害VR體驗項目、安全帽佩戴VR體驗等。課程開發注重對視覺、聽覺、觸覺等感官的調用，強化參訓人員對于安全事故的感性認知，具有明確的警示與潛移默化的正向引導作用。在體驗課程中，采用第一人稱多視角觀察的手段，結合圖文、語音等方式描述事故發生的原因以及防范方案，有利于激發參訓人員的主觀能動性，提升學習的效率與效果。

3.2.2 模擬實操課程的開發

除了安全體驗課程的基本功能之外，交通運輸行業安全培訓還應具備具有交互的功能。通過模虛擬仿真技術，引導人員按照技術規范有序開展實操演練。模擬實操課程根據道路運輸、港口碼頭等復雜工作環境，建立包括油庫、配電間、辦公室、車輛、裝卸臺、宿舍等區域的消防滅火VR模擬實操課程和危化品泄露、塌方等應急處置VR模擬實操課程等。

模擬實操課程的開發過程中，以101VR平臺為依托，采用模擬仿真操作的方式，將操作達標率作為參訓人員操作效果的評估要素，根據各領域主要作業環節，設立“關鍵設備安裝”“安全隱患排查”“突發事件處理”等闖關模式，通過設定不同安全防范級別，增加不同的安全操作環節以及安全隱患排查點，讓參訓人員通過逐級闖關的方式，模擬安全作業、隱患排查、應急處置等安全作業，達到參訓人員熟練操作技能、增強主動安全意識的目標[2-3]。同時，闖關模式也實現了對參訓人員安全作業水平等級進行考核的目的，為安全培訓的學時、學分積累和學歷資格認證提供了有效的參考。

3.3 具體技術實現

在項目實現環節，充分利用現有場地、101VR平臺，從增加參訓人員的代入感、臨場感、視覺感官認知、觸覺感官認知等方面出發，選取相關技術實現“沉浸”式互動效果。

3.3.1 實物場景的布置與搭建

本項目所有實景場地的空間范圍是16 m×9.6 m×4.5 m，主要模型的實物場景可以根據不同主題進行快速布展。主要圍繞安全教育主題，根據具體案例，利用實物模型、圖文展板、影視資料展示等，展現安全事故的部分現場環境。

構建現實教學場景，能夠讓參訓人員身臨其境，增強代入感。實物場景的具體布展注重的是效果真實與拆建簡易，可以利用背景畫布、雕刻板拼接模型等素材模擬場景主題，其中，模型與實物比為1∶1，大型場景則根據實際情況進行等比例縮放。展示板、影視宣傳片除了常規的圖文宣傳之外，還可以展示一些需要分步展示、細節展示的操作方法和注意事項。實物場景的布置與搭建如圖2所示。

圖2 實物場景的布置與搭建

3.3.2 360全景環境場景的實現

通過真實的場景圖片，利用相關全景視頻技術，制作360全景場景，高度還原現場周邊環境，構建沉浸式教學場景，增加參訓人員臨場感。360全景場景的制作方法主要有3種。

(1)通過360全景攝像機將真實的場景拍攝下來，再通過Unity3D軟件，將拍攝場景與模擬場景融合。優點是真實還原場景，但是需要實地取景，對于一些特殊場景或者需要多層級交互的場景不太適用。

(2)通過PanoramaStudioPro，PanotourPro等全景圖制作軟件，將現場拍攝的照片進行合成。不需要實地取景，能夠快速將圖片進行拼接合成，但對圖片的質量要求較高，如果合成圖片之間的切合度不夠，會存在部分場景的拼接縫較明顯等問題。

(3)通過3DSMAX，maya，101VR編輯器等軟件進行場景建模，能夠創建各類場景，容易實現多場景間的切換，但是存在制作耗時、真實度有所欠缺等問題。

3.3.3 模型及特效的制作

利用3DSMAX，maya，blender等建模軟件及特效軟件制作相關模型、特效，模擬操作工具、場景環境等，同時，結合真實案例視頻錄像，增加視覺感官認知。

3.3.4 互動交互功能的實現

利用101VR編輯器、Unity3D，通過控件使用、程序設計實現對感知控制設備(手柄、頭盔、移步器等)的控制或數據采集，通過模擬事故的震動、燈光、聲音等效果，增加觸覺感官認知。使用101VR編輯器實現簡單交互設計，通過使用101VR編輯器自帶的邏輯控件，設置事件觸發機制實現多次交互。使用Unity3D軟件實現復雜交互操作。

通過編寫C#程序，實現對感知控制設備的交互操作。在獲取手柄、頭盔及移步器等控制器的操作參數方面，主要調用了CameraRig，MoveControl，TrigleControl等腳本組件，其中，CameraRig用于獲取頭盔感知的相關參數，主要包括Controller(left)，Controller(right)，Camera(head)，Camera(eye)，Camera(ears)等函數。其中，MoveControl用于獲取手柄，步移器等控制器的操作參數，主要包括Move(left)，Move(Right)，Move(Front)，Move(Back)，Move(Angle)等函數。TrigleControl組件主要用于獲取手柄，觸摸屏等操作參數，主要包括TagControl()，TouchControl()等函數。

在模擬場景控制方面，使用系統自帶的物理引擎、物體碰撞、關節鏈接、水霧特效、光影特效、模型骨骼架構映射、動畫控制等控件，對模擬對象進行控制。

4 結語

本項目創新性地將VR技術與交通運輸行業安全培訓相結合，通過對從業人員安全教育培訓頂層設計，基于VR技術設計并開發交通運輸行業安全培訓系統，通過合理的課程開發、場景還原、三維模型、場景模擬仿真以及VR沉浸式體檢，優化教育培訓模式，為現代化安全教育培訓提供了可參考可操作的實際應用。由于交通運輸從業人員具有流動性強、工作地點多變的特點，集中培訓較難實現，還需進一步拓展異地在線培訓相關功能。為此，借助5G技術，設計并開發能夠在移動端實現模擬仿真培訓的相關功能，并確保系統輸出內容清晰、運行流暢是本項目下一步將要開展的工作。