直接作業虛擬仿真系統安全培訓應用

文/冷明

針對石油化工企業傳統的直接作業環節安全管理培訓方式單一、互動少、考核形式常規化等問題，建立一套基于Unity-3D平臺的具有交互性、真實環境的直接作業虛擬仿真系統，兼顧練習、培訓、考核功能的一體化培訓系統，適用于石油化工企業的員工技能提升培訓，以及直接作業環節監護人培訓、安全管理人員的技能水平考核等。

石油化工行業在國民經濟發展中發揮著極其重要的作用，為人類創造巨大財富的同時，如果企業管理不善發生事故，也給社會、家庭帶來了沉重的災難。

根據石油化工企業全生命周期的過程安全風險管控，石油化工裝置在工程施工、生產運行、檢維修等過程中，都會涉及直接作業環節。由于石化行業存在大量高壓、高溫和劇毒、易燃、易爆等危險化學品，相比較其他行業，在直接作業環節更具備發生危險的可能性。

直接作業已成為石油化工企業日常裝置維保和檢維修過程中最頻繁、最易發生事故的特殊作業，是安全管理的重中之重。根據應急管理部公布的數據顯示，2016—2018年間，國內石油化工事故平均每年發生207 起、造成223 人死亡，部分事故便是由直接作業導致的。而在事故發生后，一些企業習慣錯誤地把一切傷亡事故歸咎于“違章作業”。實際上，人的不安全行為也是由于教育培訓不足造成的。

隨著科學技術的發展，虛擬現實技術在各個行業都開始廣泛應用。近年來，在石油化工領域，越來越多的企業將虛擬現實技術應用于企業員工直接作業環節技能培訓。本文主要介紹直接作業虛擬仿真系統和該技術在企業員工崗位培訓中的應用成果。

直接作業虛擬仿真系統總體架構圖

直接作業虛擬仿真系統介紹

據不完全統計，目前國內直接作業環節仿真軟件不多于3 種，其涉及領域主要是煉油、化工、制藥等行業。仿真系統模擬的詳細程度各具有側重點，且該技術處于發展上升階段。

系統總體架構

下圖為直接作業虛擬仿真系統總體架構圖。該系統采用計算機仿真與虛擬現實技術、三維可視化技術、VR 技術、互聯網技術等先進手段，以仿真資源、課件資源、題庫資源和組態工具為基礎數據庫資源，利用網絡仿真系統運行平臺（PSSP）和三維虛擬現實仿真開發平臺，以石化裝置三維模型及各類輔助資源三維模型（庫）為基礎，通過分析各類直接作業環節要素，構建高處、動火、進入受限空間、起重、臨時用電、動土、腳手架、盲板抽堵等典型作業的仿真系統。

仿真系統可進行安全理論知識學習、典型案例研討和仿真作業實訓的培訓和考核，通過學員的角色屬性和等級屬性，搭建自主學習和任務引導式學習的培訓方法，和自由闖關與統一闖關的考核體系。

通過多媒體和虛擬現實仿真技術，基于豐富表現力和良好交互性，現場直接作業環節三維仿真培訓系統能將抽象、枯燥的安全管理規定轉化為形象化、場景化、實操化、案例化的學習，將文字記憶轉變為形象記憶和情緒記憶，有效提高學員學習興趣和風險意識，在模擬的實操訓練過程中，深刻掌握相關知識概念、固化操作程序和安全處理措施，從而更好地在工作中發揮作用，最大程度避免事故的發生。

虛擬場景的搭建

直接作業虛擬仿真系統作業場景采用石化裝置三維模型，按照實際生產裝置1:1 搭建場景，包括主要裝置、設備、管線、機泵輔助設施等，還包括直接作業環節中用到的工機具模型，以及輔助資源三維模型（庫），場景中可進行天氣、溫度的編輯，最大限度模擬石化裝置的真實環境。

人物角色生動逼真，模型貼近企業特色，在仿真操作中給學員以真實的感覺。在三維虛擬總場景中，學員能夠以第一或第三人稱的視角進入場景，并進行直接作業環節培訓和考核。

動火作業示意圖

系統的培訓邏輯設計

培訓對象

系統主要解決煉化企業員工在直接作業實施中的技能培訓，提高安全技能和風險管控能力。培訓對象主要是以下3 類。

一是企業一線操作人員、監護人員、新員工等。二是企業安全管理人員、審批人員等。三是承包商審批人員、安全管理人員、特種作業人員、承包商管理者、監護人員等。

作業流程

系統作業流程符合煉化企業直接作業環節管理規范，分階段模擬直接作業的整個環節。包括工作安全分析（JSA）、安全措施落實、現場作業與監督、完成驗收（作業許可證關閉）階段，每個環節考察學員詳細操作和執行步驟。培訓學員對直接作業環節安全知識、規章制度、個體防護、風險識別、隱患排除以及直接作業環節實操等內容，可全流程或分階段模擬各類直接作業環節的全過程。仿真軟件符合企業在直接作業環節安全管理特色。

交互感設計

系統采用交互式的培訓理念，主要體現在人與作業環境的交互、人與操作對象的交互、人與人之間的交互。

一是人與作業環境的交互。操作者可選虛擬作業環境下的所有角色，并且可以進行自由的角色切換。根據操作角色的不同，對作業環境做出識別、判斷，并進行相應操作，完成作業環節的具體任務。

二是人與操作對象的交互。操作者在作業環節中，每一步操作都會觸發相應的結果事件。學員可以根據結果判斷作業進行到哪一環節，并進行下一步操作。

三是人與人之間的交互。在每類作業任務中，學員可選擇其中一個或者多個角色進行操作，未被選擇的角色將由計算機代替，多人聯機操作共同完成一個作業任務。

系統操作界面示意圖

操作界面

學員進入直接作業虛擬仿真系統后，瀏覽作業任務。根據作業任務內容，按照任務流程提示（考試模式不顯示）進行操作練習。并可進行角色切換、個體防護裝備選擇、對作業現場進行安全分析，并落實安全措施和現場作業。作業結束后，系統自動給出評分并指出錯誤操作步驟。

系統在安全培訓管理中的應用

全方位自動評分

可分角色評分，根據每個角色評測其操作情況并給出總成績；可分過程評分，根據評分結果給出每個過程的總成績；如重大安全隱患未發現或排除，則直接判定作業失敗，并指示出危害結果。

配置理論測試

仿真系統在網絡平臺運行，在操作完成后，可隨機進行問答環節，包括直接作業環節的作業安全標準、作業流程以及作業人員職責等知識點。

網絡化培訓管理

依托網絡培訓管理平臺，能夠實現直接作業環節的網絡化遠程培訓和信息化統一管理，有效解決工學矛盾，并提升培訓過程的信息化管理水平，不僅能夠實現員工的遠程分散學習、自主按需所學，還能將培訓教師和安全專家從繁重的培訓組織、管理、考核和數據統計、分析等基礎性工作中解放出來。

系統在石油化工行業的應用

因傳統培訓的局限性，國內越來越多的石油化工企業已采用直接作業虛擬仿真系統進行培訓和安全技能人才的選拔。目前，采用直接作業虛擬仿真系統的企業有：中國石油天然氣分公司獨山子石化、鎮海煉化、長嶺煉化、萬華化學、燕山石化等大型國企，其中，2018 年中石油安全員競賽，就是采用直接作業虛擬仿真考核辦法進行的。

基于虛擬現實技術在作業培訓中的應用，直接作業虛擬仿真系統在煉化企業員工崗位培訓的作用也越來越大，本文所述的直接作業虛擬仿真系統對石油化工等企業具有重要意義。

一是結合計算機技術模擬現場作業環節，已建立了10 余類直接作業虛擬仿真系統，直接作業虛擬仿真系統將最大程度地模擬石油化工企業現場直接作業環節的全過程。

二是交互感的培訓設計理念，使得煉化企業崗位直接作業環節培訓更加具備趣味性和帶入感，并實現人機互換，實現虛擬現實仿真培訓要求。

三是網絡化培訓管理能夠實現直接作業環節的網絡化遠程培訓和信息化統一管理，使學員可以分散學習、自主按需所學。

四是直接作業虛擬仿真系統隨著科學技術的發展，仿真程度必然將更加逼近實際作業環境，更加人性化、友好化、完美化。