基于VR的地鐵基坑施工安全教育系統設計與應用*

何 江，蒙泳君，趙庚亮，張志龍，湯德品，黃 彥

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.中鐵交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530200；3.南寧增則科技有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

目前我國地鐵工程建設正處于快速發展階段，由于地鐵基坑施工周期長且施工環境復雜等原因，施工中存在著各類安全事故頻發的現象[1]，造成不同程度的人員傷亡和財產損失。在導致各類事故頻發的事故原因中，施工員的不安全行為成為主要因素[2-4]。為提高地鐵基坑施工的安全性，國家住房和城鄉建設部早在2011年頒布《地鐵工程施工安全評價標準》，提出對地鐵基坑施工員進行相關安全培訓教育的要求[5]。由此，為降低地鐵基坑施工事故發生率，對地鐵基坑施工員進行有效的安全教育及培訓極為重要。然而，在現實中，地鐵基坑施工安全教育是難以進行實際操作演練的，且實際操作演練的經濟成本較高、耗時長，存在一定程度的危險，這就導致在培養地鐵基坑施工員的安全意識與應急救援能力上存在著較大的缺失。

對于難以進行實際操作演練的教育培訓項目，國內外均有較多的研究案例，特別是采用多人VR(Virtual Reality)技術可應用于多類行業的教育培訓，并達到有效節省時間、節約成本、演練安全的效果，同時可快速達到教育目的[6-7]，如：火災消防的應急演練[8]；教育施工員針對在預制/預應力混凝土生產作業中常出現事故的VR培訓[9]；對建筑工地安全教育進行施工安全評估的系統[10]；在土木建筑的施工培訓上采用VR技術，可讓新手工人學習得更快且記得更牢固[11]；為快速提升學員在建筑工地上的危險識別和風險管理的能力，采用VR技術開發了立體全景環境的安全培訓系統[12]。這些采用VR技術的教育培訓系統均顯示出較好的效益。在地鐵安全教育方面，王朔等[13]采用VR技術模擬地鐵在運營時出現火災爆炸、恐怖襲擊、水淹等突發事件時的應急預案，提高地鐵運營時緊急情況的預案應對水平；唐維等[14]運用BIM結合VR技術在地鐵基坑施工上的運用，讓施工員更直觀地感受施工場景和了解施工的關鍵技術；方恩權等[15]采用VR技術從自動考勤建檔、組織培訓、設備管理等方向開展培訓，來提高地鐵基坑施工的安全性，但沒有針對性地開發常見的各類安全事故。由于地鐵基坑施工安全事故類型較多，且現實中難以進行實際演練操作，因此直接針對不同地鐵基坑施工安全隱患而開發的事故應急演練教育系統是目前地鐵建設施工行業所急需的。

本文通過分析地鐵基坑施工中常見的安全隱患類型，采用多人VR技術構建地鐵基坑施工常見安全事故教育培訓系統，以滿足地鐵基坑施工人員的安全教育培訓需求，讓受訓者快速認知地鐵基坑施工存在的安全隱患，從而提高施工過程中的安全意識，培養在事故發生時能夠做出正確判斷的能力。

1 常見的地鐵基坑施工安全隱患

地鐵基坑施工的跨度區域一般較大，如某一地鐵工程，其基坑長214.8 m，寬29.5 m，深15.7 m，分為4個施工段，作業人員有50余人，在這4個地鐵基坑施工段常見的事故類型，如圖1所示。在第1施工段，主要作業為混凝土底板墊層澆筑，此時經常需要操作振搗棒等用電設備，而由于操作磨損頻繁而容易發生電纜破皮現象，如不注意會導致觸電事故。第2施工段的主要作業為基地清理、物料吊裝等，此時物料吊裝過程中若出現不規范操作，則會發生物體高空散落打擊事故。第3施工段的主要作業為安裝鋼支撐進行基坑支護，此時施工員需進行高空作業以完成基坑支護工作，施工員需要時刻注意安全防護服的穿戴，以防高空墜落事故。第4施工段的主要作業為基坑開挖，該施工段屬于工程完成度最低，危險性、不確定性最大的施工段，會因自身超挖情況或周圍基坑環境的影響而發生土方坍塌事故。

圖1 地鐵基坑施工段常見的事故類型

綜上可知，各個施工段主要作業內容存在著較大差異，而使各施工段的可能事故類型各有不同。因此，需要有針對性地根據不同事故類型進行培訓教育。

2 地鐵基坑施工安全教育系統構建

2.1 系統的構建技術及運行模式

由于地鐵基坑施工跨度較長，且在不同施工段的安全隱患差異較大，系統采用按施工段來運行演練的方式，使施工人員更好地認識在相應施工段應時常關注的事項，地鐵基坑施工安全教育系統的流程架構，如圖2所示。同時，各個施工段的安全事故演練均包含救援演練模式，當A角色進行錯誤的操作導致事故發生時，第2角色B就需要立即進行救援演練，從而快速培養施工人員的應急救援能力，以最大程度地減少事故的發生與事故發生時的傷害。

圖2 地鐵基坑施工安全教育系統的流程架構

系統基于Unreal Engine 4 引擎，在虛擬的三維環境下再現地鐵基坑施工出現頻繁或危害極大的事故場景，可通過人機交互操作，有效呈現地鐵基坑施工事故及應急救援演練場景。主要有以下特點：1)真實性，即地鐵基坑施工事故場景及應急救援指導場景具有強烈的真實現場感，客觀仿真了事故的各個環節；2)多人實時反饋性，多個角色均可以在各個地鐵基坑施工段事故的演練中，實現實時人機交互的各種指令，即時完成各項演練操作；3)科學性，通過科學算法完成無法進行實地演練的地鐵基坑施工事故場景(如觸電、高空墜落)，幫助施工人員提升應急救援能力。

系統分服務器、管理端、客戶端3個模塊進行同場景協同運行與管理。服務器可管控演練進程、維護及管理數據、實現管理員端和客戶端的數據交互；在管理端，可進行場景設置和預案推演。在場景設置界面里，主要是對不同施工段事故的演練選擇和場景關鍵點的選擇(如事故發生點、救援點等)。在預案推演設置界面里，可設置演練時間、事態發生計劃和刪除計劃等。在客戶端中，各演練者登錄后，進入模式選擇，將置身于基坑場景中。系統可進行多角色互動演習，以提高相互間的救援協調性。

2.2 地鐵基坑施工事故場景構建

由于地鐵基坑施工的基坑場景較大且事故類型較多，為更科學、更真實地實現各施工段的事故場景，采用以下構建方法。

1)由于地鐵基坑施工的基坑場景跨度較大，為保證場景和設備實時顯示的同時，能確保系統畫面的幀率，系統場景構建時采用細節分層模型方法(Level of Detail，LOD)來進行繪制，以3～4層不同細節度方案來實現大跨度三維場景的建模，極大地優化了大場景的模型載荷。該構建方式可根據演練角色視點的遠近、視點主方向及物體在畫面上投影區域的大小等因素，對各個場景展現的側重點物體進行高質量繪制，然后距離較遠的場景模型依次降低繪制的三角面及圖形質量，這樣可以在不降低畫面質量的情況下，降低系統運行負荷，提高畫面幀率。

2)在觸電事故中，需要對電弧粒子進行模擬。除了要考慮生成其外觀效果外，還需考慮其發展過程，即電弧從突然增大到逐漸縮小或熄滅的過程，電弧粒子的構建參見圖3。為能模擬出更加具有真實感的電弧場景，通過UE4級聯粒子系統中的事件子系統動態驅動實現，把電弧抽象成粒子運動，最后定量化地描述出其屬性，并生成目標對象(電弧)的粒子。在本粒子系統的控制機制中，實現了粒子層次化細分、粒子消亡及隨機變化、產生新粒子等，準確模擬了電弧的運動狀態，該運動狀態公式如式(1)～(2)所示：

圖3 電弧粒子的構建

(1)

(2)

式中：ν為電弧粒子運動速度，m/s；ν(t0)為電弧粒子初始速度，m/s；κ為電弧速度，m/s；α(t)為電弧粒子的運動加速度，m/s2；s為電弧粒子的位置，m；s(t0)為電弧粒子的初始位置，m；s(t)為電弧粒子在t時刻的運動速度，m/s；t0為電弧粒子的初始時刻；Δt為電弧粒子產生后的時間變量，s。

3)地鐵基坑施工事故的場景需應用到許多不同形態的物體碰撞，如果全部執行復雜碰撞，會使碰撞檢測非常繁重，降低系統效率。而通過采用物理引擎PhysX進行物理模擬，將執行的碰撞檢測及碰撞對象之間進行物理互動，使物理模擬高效化。高空墜落時物理碰撞模擬，如圖4所示。由圖4可知，高空墜落時安全繩牽制施工員的碰撞模擬，是通過采用物理引擎PhysX中的物理約束，來驅動仿真角色墜落時安全繩牽制下的擺動、旋轉等所有動態碰撞的計算，達到高效的物理纜繩模擬效果。

圖4 高空墜落時物理碰撞模擬

4)場景中各類人物角色的肢體動作和機械設備運行時的動態變化的模擬，均需要啟用骨架高級動畫系統進行構建。人物和機械等本體均由基本網格體和骨架網格體組件構成。基本網格體和骨架網格體組件可用來啟用骨架高級動畫。骨架高級動畫系統可基于網格頂點的變形與骨架的變形，通過多個動畫工具和編輯器構建出真實復雜的動畫場景(如肢體運動、挖掘機施工等復雜動畫)。演練角色可同時接受程序中AI(Artificial Intelligence)模塊的控制。AI角色在不同場景下可實現沿路徑行走或自動尋路、躲避障礙物及人員疏散等過程。動態AI角色的構建，如圖5所示。

圖5 動態AI角色的構建

通過以上的構建方法，可讓用戶端任意角色在不同的施工條件下觸發不同的事故流程，各角色會依據自身對應的突發事故展開相應的應急救援過程，來體驗不同的事故應急演練場景。

3 地鐵基坑施工事故演練

以基坑超挖導致的土方坍塌緊急救援為例，基于所建立的平臺開展事故應急人員的虛擬演練。救援組員通過賬號登錄后，選擇雙人演練模式并點擊確定，進入下一步等待界面，等待系統分配角色，即開始演習。基坑超挖、坍塌、救援場景，如圖6所示。在基坑進行超挖的施工時，根據角色的行動，會產生以下2種不同的結果：

圖6 基坑超挖、坍塌、救援場景

1)如果角色A選擇阻止超挖，現場正在進行土方挖掘的挖掘機會立即停止施工，排除了險情，所以土方坍塌事故就不會發生。

2)如果角色B選擇不阻止超挖，現場土方挖掘繼續進行，但不久就發生土方坍塌事故，造成挖掘機被坍塌的土方壓倒掩埋，駕駛員掉出挖掘機并被石頭壓住。

隨后開展土方坍塌救援演練，并按照系統給出的指示完成救援工作。救援演練過程表明，系統中的場景設置合理，各個模塊設計科學，有助于提升現場人員處置能力。通過本虛擬演練平臺，借助于虛擬頭盔和手柄，對于單雙人的虛擬訓練支持度較高，并可擴展應用于不同場景的多人協同訓練。

由此，通過以地鐵基坑施工中實際存在的安全隱患為背景，采用多人VR技術，打造出上述事故場景進行虛擬演練，可較好地解決因實際演練困難、演練成本較高等因素而難以實施的安全教育。該類型的虛擬演練還可以從傳統被動演習的方式轉變成沉浸式主動體驗，使施工人員更具體地理解相關事故的發生緣由，從而提升其事故防范意識及應急救援能力。此外，構建的虛擬演練平臺不局限于單一場景，還可以根據訓練需要擴展導入不同的災害場景。

4 結論

1)按不同地鐵基坑施工段設置相應的事故場景，演練人員可通過這些虛擬場景完成人機交互，實現地鐵基坑施工全過程的應急虛擬演練。

2)通過本文構建的應急虛擬演練系統平臺，可使地鐵基坑施工員及時發現不同施工段常出現的安全隱患，快速提升其應急處置能力，使地鐵基坑施工人員的教育應急演練效果得到顯著提升。

3)在所搭建的虛擬演練系統平臺中，呈現了觸電事故、物體打擊、高空墜落、基坑坍塌這4種地鐵基坑施工時最常見的事故類型，可滿足目前教育培訓的演練需求。下一步，可結合更多的培訓要求開發更多類型地鐵基坑施工事故場景。