5G下VR技術在安全生產應急救援培訓體系中的運用探討

胡鐵力 覃 登

廣西安全工程職業技術學院信息中心 廣西南寧 530100

近年來，各種突發事件頻率增加，并造成生命財產損失。但這些事件及事故的發生，大部分都是由于操作不規范、救援不及時、救援技術不專業不熟練等原因造成的。這也同時顯露出我們的一些專業隊伍、安全管理人員、企業領導等安全生產重在預防的淡薄意識，平時沒有很好地進行常態化的業務學習、事前培訓、演練等，當然，這些業務的開展從客觀上來講，各個地區也都存在著多種多樣、千差萬別的因素。

1 運用研究探討目的和意義

企業的安全管理、安全崗位工作規范要求及培訓學習、演練、事故應急救援處置等制度建立得完善，是事故發生時第一時間響應和處置的關鍵，是防御安全事故、控制蔓延、降低危害及人員傷亡、減少企業損失的關鍵手段。從近幾年發生的事件和生產事故分析，多數事故是由于事前沒有預防、培訓、演練，事中違規或不規范操作、事后應急處置方法不當，導致救援不及時、不科學，從而造成了嚴重后果。尤其是危化品、煙花爆竹、礦山、建筑、工業制造等行業在生產過程中的安全操作行為和應急處置能力，是一個緊迫而嚴肅的問題[1]。

隨著企業信息化不斷發展普及、5G網絡應用普及、VR虛擬仿真技術日益成熟，國內外研究成果和應用案例介紹，VR技術將被廣泛應用到危化品、煙花爆竹、礦山、建筑、工業制造等行業學習培訓中，如虛擬現場教學及培訓、應急救援指揮平臺、安全生產監控等領域。VR技術必將在危化行業、應急救援等培訓發揮巨大作用，且效果明顯優于傳統培訓模式。

2 國內外研究成果分析

與發達國家相比，虛擬現實技術在我們國家研究時間比較短。國內的教育培訓形式仍然比較陳舊，采用傳統的以教師講授為主的培訓教育方式，主要是采用課本、PPT、圖片、視頻等方式對學員進行培訓教育，沒有真實環境進行操作往往理解起來難度比較大，培訓效果有待提高；培訓結果評估以試卷考試為主，不能突出對學生綜合素質與實踐應用能力的考評[2]。

隨著計算機圖形以及系統工程等技術的發展，國家各部門和科學家開始重視虛擬現實技術。這項技術也引起了各界人士的重視，并加大技術的運用與研究。一些研究機構和高校開始了虛擬現實技術的研究工作。最早進行VR研究的是北京航空航天大學計算機系，在這方面該研究單位是非常具有權威的。虛擬現實以及可視化新技術繼承了原有的分布式虛擬環境。提供三維的動態數據庫，可以演示環境的虛擬現實情況。主要用于飛行訓練的實時系統以及系統開發平臺等，主要重視的是虛擬環境中物理特性的處理以及表示并且在虛擬現實結構反面開發出了一些硬件，同時提出了計算方法以及實現方式等。

QuickTime技術所制作的“布達拉宮”是由清華大學國家光盤工程研究中心研制的。這項技術實現了大全景的展現。浙江大學的實驗室開發了桌面型虛擬環境實時漫游系統，同時在研發的過程中，開發了一種新型的快速漫游算法，以及遞進網絡快速生成法。

高級行為特定人臉圖像已經由哈爾濱工業大學計算機系成功研制，這項技術有效解決了表情合成以及唇動合成的技術問題。在研究一個人說話的時候，其頭部動作、手勢動作，還有語言語調的同步情況。武漢理工大學智能制造與控制研究所主要是研究虛擬現實技術，做好機械虛擬制造工作，包括產品原型、快速生產等一系列的創新技術。

中國科技開發院的威海分院，其研究虛擬現實技術中的接口技術，完成了該項技術的圖像算法軟件接口問題。在硬件開發完成了紅外立體眼鏡工作，實現了商品化。

除了一些高校的研究之外，最近這些年，我們國家也出現了很多專門從事虛擬現實技術的研發公司。

3 發展趨勢探討

以實際為需求，未來虛擬顯示技術的發展趨勢有兩個方面。第一個方面，主要是向著桌面虛擬技術進行發展，另一方面是朝著高性能沉浸式虛擬現實發展[3]。

兩種虛擬現實系統未來發展主要是在建模、繪制方法、系統建構等方面提出了一系列新的要求。其新特點以及技術，主要表現在如下幾方面。

3.1 動態環境建模

虛擬環境是建立在VR技術基礎上的，動態環境建模的目的是獲得真實環境的三維數據，同時根據數據建立起虛擬環境的模型。

3.2 實時三維圖形生成和顯示

三維圖形生成技術比較成熟，其關鍵點在于如何實時生成。在不降低圖像質量和復雜程度的基礎上，提高刷新頻率是未來研究的重要內容。同時，VR技術依賴于傳感器技術的發展，而現有的虛擬設備無法滿足系統需求，需要開發新的三維圖形以及顯示技術。

3.3 創新人機交互設備

虛擬現實技術可以實現虛擬世界對象的交互工作，讓人感覺身臨其境一般。借用輸入輸出設備，包括數據手套、衣服顯示、頭盔器，以及三維聲音位置傳感器等，然而實際應用中，效果不理想，所以未來研究重點主要在于新型便宜且魯棒性優良的數據手套和衣服等方面。

3.4 智能化語音虛擬現實建模工作

虛擬現實建模是非常復雜的過程，要耗費大量的精力、物力和時間。如果結合語音識別技術，智能技術以及VR技術，則可以有效解決該問題。對模型、屬性、方法和一般特點描述。采用語音技術轉換建模所要的數據，利用圖形處理技術和人工智能技術開展設計評價，將模型用對象表示，各種模型靜態和動態有效連接，形成最終的模型系統[4]。

3.5 網絡分布式虛擬現實技術的運用和研究

未來分布式虛擬現實技術是該項虛擬現實技術的發展重要方向。伴隨多分布式虛擬開發工具和系統的出現，DVR開始融入各行各業中，例如工程、醫療、教學和協同設計等。

這些年伴隨網絡的普及以及應用，一些面對網絡分布式虛擬現實的運用，分布在世界各地多個用戶可同時工作。把分散虛擬現實技術或者是仿真器通過網絡連接。采用一致的結構和標準形成數據庫，在同一個時間和空間上，虛擬合成環境。參與者自由開展交互，這在航空航天應用中非常突出，主要是國際空間站參與的國家，分布在世界不同區域，而采用分布式的VR訓練環境，不需要適應異地生活。在我國“863計劃”支持下，多所高校一起聯合操作，開發了分布虛擬環境、基礎環境的信息平臺。這一平臺的開發，為我國分布式虛擬現實研究提供了必要的基礎[5]。

4 運用研究應達到的預期目標

4.1 建立完善的安全生產管理、應急救援培訓平臺系統結構體系和標準

建立完善的安全生產管理及應急救援培訓現場與網絡教學平臺體系，利用VR仿真技術，模擬真實設備操作，將實際操作能力提升到新的高度，同時與虛擬仿真培訓相結合，真正做到資源的合理利用和合理分配。并且改變過去單向傳授的“填鴨式”培訓方式，利用三維仿真培訓系統的多向互動、異地遠程實時仿真培訓、直觀推演、效果逼真、可重復性高等特點，將安全生產管理、應急救援等領域所涉及的知識、能力、技巧、要求等按類按需設定知識框架標準，設計分系統標準，將培訓服務體系建設到一個新的高度。

4.2 建立安全生產、應急救援流程體系規范標準和培訓系統

根據國內安全生產管理、應急救援培訓方面的現狀，總結目前國內有待完善的規章制度，建立一套切實可行的、標準流程性的安全生產、應急救援流程體系標準和培訓系統，并解決相關責任人、企事業單位職員、普通民眾應急管理薄弱的培訓工作問題。

4.3 建立網絡服務培訓平臺體系結構標準和學習培訓考核大數據庫

建立網絡服務學習平臺體系結構標準，對企事業單位管理人員、一線崗位專項人員、普通公民、志愿者隊伍等分類建設培訓子系統結構標準。因其社會分工不同，將面向安全生產、應急救援等各崗位的人員，制作培訓課件以及建設不同學習環境和系統，以使培訓能滿足社會發展和企業安全生產的需求，使全民參與應急培訓[6]。

5 運用研究探討的內容

利用5G網絡的網絡容量大、傳輸速率快、低時延、高可靠、智能設備連接數量多等特點，結合VR技術和VR眼鏡提供沉浸式的技術，探討建設安全生產管理及應急救援培訓教學平臺體系結構標準。為有毒有害、高輻射、高腐蝕等高危場景、平常不可達區域的關鍵作業的專業作業能力和異常處置能力的提升提供技術手段，結合多場景專題培訓目標，為學員提供高效的培訓內容。利用虛擬現實技術，為學員提供真實的環境，鞏固他們的學習過程。通過進行綜合訓練與研究，能夠解決以下問題。

(1)培訓課程體系結構標準建立：以安全生產管理、應急救援人員為中心構建培訓體系平臺的課程體系標準。構建初—中—高三級課程體系，實現基礎知識教學、專項技能掌握、協同配合作業、異地遠程培訓等全方位培訓平臺體系標準。并創建學習引導模式、練習模式、考核模式等三種培訓模式標準[7]。

(2)專業協同培訓教室建設標準：專項培訓室是為專業人員，如安全生產管理人員、專職救援隊伍、企業異常處置崗位工人等，其培訓課程內容復雜，交互場景豐富、協同要求高，故專項培訓教室VR硬件配置要求較高，需要配置具有“原地無限空間移動+姿態控制+勢能反饋”能力的VR設備。

(3)VR培訓課件開發結構標準：利用虛擬現實技術，對具有典型特點的裝置、危險作業進行仿真建模，開發具有針對性、實用性的交互式虛擬仿真系統結構標準，模擬裝置及周邊環境，實現為新入職員工、老員工提供進階式的培訓模式標準。

(4)搭建網絡學習平臺及異地遠程培訓學習結構標準：利用與華為技術公司校企合作機會，充分利用華為技術公司在5G網絡技術、VR和AR技術等方面雄厚的科研及技術力量，利用云平臺大數據，共同研究搭建網絡學習平臺及異地遠程培訓學習平臺標準，搭建學習培訓的考核系統模塊標準。

(5)建設安全工程虛擬仿真教學中心(學院基本已建成使用)：建設安全工程虛擬仿真教學中心，為后續的仿真培訓課件制作驗證、現場虛擬環境培訓體驗提供場地保證。

6 運用研究探討應有的成果

該運用研究出一定的成果并能最終建設完成，將會吸引國內外的相關從業者進行培訓，在此期間不僅受培訓者收獲頗多，也會增加行業對應急救援的重視，同時此設備符合可持續發展戰略，節省資源。也是對應急救援的一次宣傳。這領域的研究應帶來以下的研究成果：

(1)VR場景漫游、快速跳轉：在系統中，培訓人員可在場景中，進行場景漫游，通過走路方式進行漫游，也可通過手勢進行場景跳轉，方便學員進行場景瀏覽。用戶以第一人稱視角可對場景進行360°漫游，結合三維空間定位系統，實時定位用戶位置。

(2)多種交互控制：支持手柄交互、手勢交互、動作捕捉交互、語音交互等交互控制方式，系統可通過手柄方式對場景的設備進行控制，也可穿戴VR手套，通過VR手套交互手勢，進行操作，同時可對動作捕捉來判定學員的動作規范性，并可通過語音交互，與培訓場景的NPC人員進行語音交流。

(3)系統交互使用向導功能：在培訓過程中，系統會有背景音對培訓流程、培訓注意事項、培訓課件、課件背景進行向導，增加培訓環境的沉浸感，引導學員進行學習、訓練。

(4)多機協同交互：VR協同培訓課程實現兩人至多人(不少于4人)的培訓課程建設，并最終可根據操作步驟及事故處置完成情況進行考核評估，并最終生成對于個人和班組的評估報告，幫助學員面對實際工作處置時能夠更好地配合協同處置能力。

(5)任務執行引導控制：在進行VR培訓過程中，根據培訓步驟，通過彈窗提示面板對任務進行文字、語音提示，學員根據提示引導信息，進行VR操作。

(6)交互行為記錄與培訓報告：系統在培訓過程中，可記錄交互性的行為，包括交互動作、交互語音等交互指令，同時培訓結束后，可生成培訓報告，記錄培訓過程指令、培訓時間、培訓成績等。

結語

基于VR技術進行安全培訓，可以結合其動態功能讓體驗者有最真實的感受，有效提升工作人員的安全意識并且減少了事故的發生，大大提高了安全培訓效果，同時還可以減少培訓的成本，優化培訓效果，讓新科技可以更好地為大眾服務。