基于VR 技術的一站式安全實訓中心研究與應用

林濟樂 陳峰 王培碩

（1.國能浙江寧海發電有限公司 浙江省寧波市 315600 2.鄭州萬特電氣股份有限公司 河南省鄭州市 450000）

發電公司是勞動密集型企業，危險源多、危險面廣，面對復雜的作業環境，作業人員多存在安全意識不強、安全技能薄弱等問題，而違規違章操作極易引發各類事故，影響電力系統的安全運行。為了保證電力系統的穩定可靠，除堅持優化系統結構，增強設備的可靠性外，還需要不斷完善安全管理制度，提高相關從業人員的技能水平和安全生產意識。隨著能源建設企業的快速發展，如何保障安全生產已經成為行業穩健發展的重要課題，而傳統的安全培訓模式效果有限，難以滿足日益復雜的安全培訓需要。本文針對電廠系統安全教育的現狀，分析電力行業基于仿真、虛擬現實的培訓情況，探索安全培訓工作的新思路、新途徑，提出了基于虛擬現實技術建立一個事故模擬、風險體驗、應急實訓的安全培訓平臺。

1 與現有安全培訓方式的對比分析

結合筆者電廠的實際情況：承包商人數眾多，人員素質參差不齊，承包商的安全培訓工作已經成為電廠系統安全管理不可忽視的重點和難點。目前安全培訓的現狀是：

（1）傳統基于教材和PPT 演示文檔的安全教學培訓系統雖然圖文并茂，但通過這種方式學習的知識模塊較為獨立，員工較難建立前后知識的聯系。即使嵌入一些動畫、視頻，也很難使從未接觸過具體情景的員工形成立體感，不利于員工理解掌握危害狀態和處理方法，需配合耗費人力、物力的且多個課時的實物實踐課程。

（2）實物實踐課程經常受到場地和時間的限制，訓練規模也因此受到多種外在因素的制約，并且可能存在危險性；受限作業、動火作業、用電作業、高處作業的風險點及危害只能通過理解來學習，沒有具象化的表現或感受，人員對危險的認識不到位。

伴隨安全體感技術、虛擬現實技術的日趨成熟，使研制一套智能化、安全化和高效化的電力安全體驗館成為可能。結合VR 技術的形象化、具象化表現優勢，將安全設備的組成結構、工作原理等知識動態展示出來；將廠區常見的危害形式和原因與設備的使用結合起來，逼真的再現作業場景危害狀態；將處理的方法、規則用三維可交互場景展示出來，并提供危害輔助維修和決策指引。

為切實提高人員安全意識，從思想源頭控制安全隱患，我們將以安全實訓中心為載體，展示作業中存在的危險因素，以感觸、視聽和觀摩等不同表現方法，通過體驗者零距離體會和親自參與，感同身受違章作業、違規操作等各種不安全行為可能帶來的嚴重危害。通過警示教育意識到安全的重要、生命的珍貴，從而自覺注意人身安全，規范作業行為，真正達到“安全第一、預防為主”和“防微杜漸、警鐘長鳴”的教育目的。

2 虛擬現實技術成熟度分析

VR 體驗設備基本包括頭顯、兩個控制手柄、兩個空間追蹤器。在功能方面，具有提供流暢的、真正沉浸式的虛擬現實所需要的各種功能；在視覺呈現方面，1400x1600 像素屏幕，每秒90 幀的超快刷新率，帶來從所有角度充盈視野的逼真圖像，消除以前VR 技術常見的抖動；在追蹤和空間探測上，陀螺儀傳感器、加速度計、激光定位傳感器結合，在兩個軸線方向上定位頭部旋轉，將頭戴式設備與一對基站連接起來，可追蹤物理位置（在最大為15 英尺x15 英尺空間內）；在自定義游戲控制器上，兩手分別操控一個VR 游戲控制器，符合人體工程學原理，可自如使用虛擬對象與虛擬世界進行交互。

VR 已經在眾多領域都有了相應的應用，其中應用最廣泛的就是VR 安全教育培訓。VR 不僅能還原災害的發生過程，更能從視覺、聽覺、觸覺等方面給人帶來巨大的沖擊感，讓人們對災害能提前預防。以VR+煤礦為例，煤礦工人大多數都在井下工作，比較危險。如果實地訓練的話，還會浪費很多時間和金錢。利用VR 技術可以把井下的工作環境模擬出來，讓采礦專業的學生進行訓練，這樣既可以降低實習費用，又能縮短教學時間。另外VR 煤礦安全培訓系統還能工作人員進行崗前培訓，讓訓練者提前熟悉井下的環境，更從容的去面對各種險情，從而提高人員素質，消防事故隱患。

VR 技術目前已趨于成熟，其覆蓋領域也廣泛應用于大多傳統行業，但是由于電力行業的復雜性和特殊性以至VR技術在發電廠領域涉足未深，與此同時電力同屬高危行業迫切需要VR 技術身臨其境的體驗進行安全培訓，所以開展以VR 為主題的一體式安全體驗館來達到安全培訓的效果，解決人員安全意識提升難、安全培訓效果不佳等難題。

3 虛擬現實應用于安全培訓的研究內容

本系統的創意主要體現在通過VR 技術建立一個三維可視化交互的安全體驗系統，利用虛擬現實場景，模擬真實設備環境下的操作培訓，避免操作培訓時受電氣設備、人數、環境的限制，大幅減少培訓成本，提升培訓效果及質量；利用人機交互設備，模擬實際環境中設備異常運行狀況或誤操作現象，給予學員視覺、感觀上的沖擊感，使培訓效果更真實。主要研究內容如下：

3.1 安全體驗虛擬現實場景開發

以電廠現場生產環境為基礎，分析三維模型建立特點，采集現場各設施的模型數據，組合成一套符合電廠的虛擬現實場景。結合典型的安全風險事故，基于虛擬現實引擎Unity3D 的實現過程，建立事故狀態模型，在場景內進行最大程度的還原。

3.2 安全事故可視化交互體驗的開發及應用

以安全規程為基礎，結合安全事故案例資料，分析模型碰撞檢測技術，研究工器具等設備模型事故處理過程中的碰撞檢測在Unity3D 引擎中的具體實現，從而實現三維可視化交互的真實感，增強用戶人機交互體驗。

3.3 三維可視化場景實時渲染的研究

體驗人員穿戴VR 眼鏡進行虛擬現實場景體驗時，其他人員只能通過顯示屏幕觀看，代入感較差、體驗效果不佳。基于實時渲染技術的研究可以將VR 眼鏡虛擬現實場景的體驗畫面實時傳輸到VR 一體機眼鏡內，通過分析VR 眼鏡三維場景虛擬環境的主要影響參數，使VR 眼鏡和VR 一體機眼鏡里的內容高度融合，降低差異效果，實現服務端系統實時比對渲染。即在同一虛擬場景內實現一人實時體驗，多人實時觀看的效果。

4 虛擬現實應用于安全培訓的實踐分析

4.1 實施的技術方法

4.1.1 安全體驗三維可視化描述方法

在對生產事故全面分析的基礎上，采用VR 技術建立設備三維仿真模型，再通過信息關聯技術將設備三維可視化實體模型與設備數字化信息模型關聯起來，使得計算機能自動識別對象設備的物理結構，辨識對象狀態，反映對象機理信息。在確保系統實時性要求的前提下，提高設備的精細程度和真實感，保證設備三維虛擬模型的運動與真實設備的運動特征相匹配。

4.1.2 三維場景可視化交互操作實現方法

在體驗場景內準確表達電廠安全規定知識，逼真再現事故現場狀態，融入安全操作行為和不安全操作行為的判斷，從而實現三維可視化交互操作。首先分析各種違規操作在三維虛擬仿真環境下發生的安全事故情況及處理操作過程和規劃，再研究三維虛擬環境中交互操作的實現方法和用戶在交互操作過程中的提示引導信息，最后分析用戶處理能力評估模型，利用大數據技術設計模型數據結構，并實現存儲和讀取，實現系統對用戶進行技能考核評估。

4.2 應用效果表現

通過虛擬現實技術、體感培訓技術和多媒體展示技術，建設和電廠環境相符合的場景，在以往的安全事故案例上進行延伸，表現事故過程，展現事故后果和危害。使員工可以隨時進入三維模擬電力系統環境中，模擬真實設備環境下的操作培訓，減少現場教學的頻次。

培訓策略如下：

（1）在培訓中心對承包商做好項目開工前的安全交底，針對承包商人員的現狀、文化知識層次差異以及不同工種、不同作業進行有針對性的培訓（包括安全工器具的安全培訓、安全標識認知的安全培訓、消防技能的安全培訓、高處作業的安全培訓、安規知識的安全培訓等）。

（2）根據公司管理要求（高風險作業、受限空間、高處作業等規范性要求），開發編制有針對性的、互動式的VR 視頻課件，用可視化方式和親身體驗方式，使承包商人員易于接受安全管理理念。

功能特點如下：

（1）在三維可視化交互環境里，進行維修操作訓練的“預實踐”，貼近真實的安全訓練現場，模擬實際的危險處理訓練環境。

（2）在系統給出的多種突發事故的情況下，不斷做出正確而快速的應對措施，提高員工對廠區安全事故處理的整體素質。

（3）涵蓋現場經常出現的事故類型，逼真的再現安全風險危害狀態，便于員工清晰的掌握事故情況，從而快速應對解決。

（4）在人員體驗和訓練時間縮短的同時，提高訓練效率和質量，降低企業對員工的培訓和訓練成本。

可以預見，通過沉浸式的安全體驗培訓，可以有效增強員工的安全意識和安全防護措施，將有助于降低安全事故發生的幾率，對發電安全運營管理水平的提高提供有力的幫助，在改善企業安全生產的問題上具有深刻的應用意義。

5 沉浸式風險模擬

針對目前電廠系統運行中存在的主要安全風險，開展基于體感技術和虛擬現實技術相結合的安全培訓研究與應用，探索新型培訓手段融入電廠系統安全教育的可行性和適用性，并對實施過程中的重難點進行分析論證，采用視、聽、體驗相結合的三維立體式安全教育模式，實施可感受、可操作的實體化安全教育。

通過本次項目的開展和應用，還原電廠作業環境里的安全風險，使員工在安全的環境下體驗到不安全的風險事故，促進了承包商安全風險教育的全面提升。體驗者可以比較真實的體驗到施工現場的安全風險，學習到發生事故后的正確處理方式，并且學會對應的防范常識以及應急措施，從而鞏固員工的安全生產意識，增強安全技能實際運用的鍛煉，達到身臨其境、深刻體驗、培訓有效的目的。

5.1 觸電風險

以發電廠高壓開關室為事故體驗場景，人員在進行開關柜檢修作業時違規操作發生觸電事故。采用可穿戴觸電模塊與VR 場景交互的形式，在觸電過程中，觸電模塊可以使人的身體同步產生觸電的麻木感，增強體驗效果，使體驗人員牢記觸電危害。讓員工通過培訓意識到按規章操作的正確性和必要性，避免日后觸電事故的發生。觸電風險體驗場景示意圖如圖1 所示。

圖1：觸電風險體驗場景示意圖

5.2 高墜風險

以發電廠高處管道檢修為事故體驗場景，人員未按照標準作業流程工作，未采取正確安全防護措施，導致檢修過程中發生高空墜落事故。采用動感平臺與VR 場景交互的形式，隨著平臺搭設進程實現高度實時提升，當發生坍塌事故時，平臺會劇烈晃動直至瞬間下墜模擬出真實的失重效果，使體驗者加深安全防護意識，高空作業時做好安全防護措施。高墜風險體驗場景示意圖如圖2 所示。

圖2：高墜風險體驗場景示意圖

5.3 火災風險

采用環境模擬裝置與VR 場景結合的形式，搭設環境參數模擬單元，真實的烘托出火災發生時的感知環境；模擬滅火器，還原出拔滅火器安全銷和按壓把手噴射的功能。通過監測滅火器的使用狀態，并結合嚴謹的數據分析，給予體驗者視覺、感官上真實的沖擊感受，從而達到身臨其境的效果，得以掌握有效的消防滅火技能。火災風險體驗場景示意圖如圖3 所示。

圖3：火災風險體驗場景示意圖

5.4 墜物打擊風險

模擬工器具物品從高空墜落后可能帶來的危險后果，感受在高空落物時安全帽起到的安全保護作用，展示墜物打擊安全帽的產生的巨大沖擊力，分析沖擊力數值的變化，學習高空作業中正確的工作方法，提高高空作業安全防護意識，掌握高空作業中正確的安全防護方法。墜物打擊風險體驗場景示意圖如圖4 所示。

圖4：墜物打擊風險體驗場景示意圖

5.5 腳手架傾倒風險

模擬高處作業時移動腳手架，體驗腳手架平臺重心偏移時瞬間傾倒的感覺。通過感受認識違規操作導致的危險后果，正確掌握移動腳手架作業的安全防護方法，避免出現腳手架傾倒事故造成人身傷害。腳手架傾倒風險體驗裝置如圖5 所示。

圖5：腳手架傾倒風險體驗裝置

5.6 事故應急處置

設置觸電事故模擬場景，配置模擬人，進行心肺復蘇實操的觸電急救技能培訓。讓員工以理論學習結合實戰化訓練，深刻認識觸電的危害、掌握觸電急救的方法，從意識形態、身體素質、綜合技能等各個方面進行全面性提升，能夠從容處理現場事故處置及緊急救援工作。事故應急處置體驗裝置如圖6 所示。

圖6：事故應急處置體驗裝置

6 結束語

建立廠級的基于VR 技術的一站式安全實訓中心是推動本質安全理念落實，創新安全培訓方式，提高安全管理效率的一個重要途徑。結合電力系統作業現場的實際情況，開展虛擬現實仿真技術在安全培訓中的應用，通過聲、光、電、視、聽等全方位給體驗者和培訓者帶來一種身臨其境的感覺，體驗人員可以從視覺上和思想上認識各種習慣性違章產生的狀況，達到培訓和糾正習慣性違章的目標，杜絕事故的發生。讓他們感受到因為違規操作而帶來的巨大危害，起到強化安全防范意識的作用，激發他們去熟練掌握安全操作的方法，降低事故發生頻次，提高事故處理水平，嚴格落實各級人員的安全生產責任，最終保障發電安全、高效運營，實現安全生產。