基于VR技術的移動式壓力容器充裝實訓平臺構建

袁奕雯 丁 菊 李 坤

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062）

移動式壓力容器是長距離運輸化工物料、危化品的主要裝備，屬于特種設備[1]，其運輸的物料大多存在易燃、易爆、有毒、腐蝕等危險性，如果在充裝、運輸環節處置不當，將會造成災難性事故。近年來，“6·13”溫嶺罐車重大爆炸事故、山東金譽石化“6·5”重大爆炸事故、湖南懷化“10.6”常吉高速罐車側翻爆炸事故引起了社會廣泛關注。《中華人民共和國特種設備安全法》[2]第四十九條規定移動式壓力容器使用單位應當具有與充裝和管理相適應的管理人員和技術人員方可從事充裝活動。TSG Z6001—2019《特種設備作業人員考核規則》[3]和TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》[4]要求移動式壓力容器充裝人員和檢查人員都應取得移動式壓力容器操作人員證書，即“R2證”。但移動式壓力容器操作人員（R2）資格培訓多偏重于理論講解，缺少實操培訓，這主要是由于移動式壓力容器充裝場地大多為防爆重點場所，非工作人員不得入內，在充裝站內進行實訓的確存在一定風險并將消耗較大的時間及經濟成本，且這樣的取證考證，也頗受部分充裝單位詬病，存在取證和上崗作業脫節的弊病。

虛擬實景技術（Virtual Reality，以下簡稱VR技術）是新一代的人機接口技術，它利用計算機生成模擬環境，創建和體驗虛擬世界，實現多源信息融合的交互式的三維動態視覺和實體行為的系統仿真，讓用戶置身到實景環境中沉浸式體驗。把VR技術引入移動式壓力容器實操培訓中，可以有效實現取證人員熟悉設備結構、積累實踐經驗的效果，可降低員工上崗初期由于不熟悉實操流程而產生的不必要的技術和經濟風險。

近年來，VR技術已經在國內培訓領域得到了嘗試應用，蘇培[5]等人利用VR技術在鐵路乘務應急演練實訓系統開展了構建研究；朱永皓[6]等人將VR技術頭盔應用到運動員訓練和模擬練習中，促使運動員在虛擬世界中提升自身經驗和技巧；楊梅[7]將VR技術運用到生物實驗教學中，通過虛擬仿真幫助學生體驗生物成長過程；郭泱泱[8]對VR技術運用在煤礦安全培訓中的可行性進行了研究。綜上，限于特種設備的特殊屬性，在現有的成果中，針對移動式壓力容器充裝作業開發的實訓平臺仍較為匱乏，此為本文研究的原因。

本文以常溫型汽車罐車充裝場景為例，搭建移動式壓力容器虛擬充裝工作平臺，將角色扮演游戲（Role-playing Game，簡稱RPG）任務邏輯引入充裝實訓，體驗者可通過在虛擬場景下扮演充裝人員和檢查人員，引導受訓人員在雙人視角下，按步序進行實操、共同完成單人或協作任務。復原常溫型汽車罐車充裝及充裝前后檢查場景，有助于提升受訓人員實踐經驗，降低新員工初次上崗實操產生的技術和經濟風險。

1 移動式壓力容器充裝實訓平臺模型選擇

移動式壓力容器充裝實訓的目的，是為了提高移動式壓力容器作業人員的實操能力，規避持證上崗和實際操作存在脫節的風險。移動式壓力容器充裝實訓平臺依托虛擬現實平臺，仿真模擬移動式壓力容器充裝作業現場，通過人機交互的操作，使相關人員得到全面培訓和指導，可減少實操培訓中所產生的資源消耗，提升移動式壓力容器作業人員實際操作水平和能力。移動式壓力容器充裝實訓平臺具有現場復原性好、視覺真實感強、協同性高、安全性好等特點。

移動式壓力容器有汽車罐車、罐式集裝箱、長管拖車、管束式集裝箱、鐵路罐車5個品種，但本平臺作為充裝實訓平臺的探索，無法囊括所有工作場景，其中汽車罐車及罐式集裝箱在移動式壓力容器中數量較多，應用最廣且其二者的差別僅在于是否有集裝框架，因此，本實操平臺以汽車罐車的充裝作為研究對象，以充裝LPG介質為例，見圖1，對其全過程充裝進行模型構建。

圖1 LPG汽車罐車充裝實景

2 移動式壓力容器充裝實訓平臺設計

2.1 充裝實訓平臺場景設計

移動式壓力容器充裝場景的地域跨度較小，主場景為移動式壓力容器充裝站，真實的充裝站一般會有8～10組充裝泊位，平臺從實際需求考慮對實景進行了簡化建模，在場地中標記出“一般行駛路線”和“緊急疏散路線”2條路線，只保留了1組充裝泊位，但仍然保留了充裝站所必須涵蓋的“預檢區”“檢查區”“稱重區”“充裝區”等4個區域組成，見圖2。

圖2 平臺全景圖（包括區域、路線、罐車）

其次，在充裝區根據實際充裝裝置需求設置枕木、靜電接地裝置、充裝鶴管、警戒線等必要裝置，見圖3，在汽車罐車上仿真設置操作箱、壓力表、溫度計、液位計、緊急切斷閥等關鍵安全附件，見圖4。

圖3 充裝裝置場景圖

圖4 罐車操作箱細節展示

通過宏觀充裝站全景、充裝裝置場景和移動式壓力容器場景3個場景組合成為移動式壓力容器充裝平臺，并對上述3種場景中的建筑物、固定設施、移動設施進行細節層次繪制，側重于突出關鍵部件的視覺比例，對非重要的建筑物降低繪制精細度，在保證實景的前提下，提高視覺效果，有助于受訓者了解汽車罐車的基本結構、安全附件的位置及基本功能，并正確操作充裝工作。

2.2 充裝實訓平臺人物及任務設計

TSG R0005—2011中規定裝卸過程必須由2名以上操作人員進行作業，按照上述要求，充裝平臺的模塊設計為“充裝人員”和“檢查人員”2個視角，受訓者可以任意選擇其中一個角色體驗協作工作場景。見圖5和圖6。

圖5 充裝人員視角

圖6 檢查人員視角

鑒于檢查人員在檢查工作中會有與隨車押運人員之間的交互交流，但隨車押運人員出現的工作內容較少，從節約成本方面考慮，在模塊設置中，讓充裝人員“一人分飾兩角”，即在進入充裝區之前，所體驗的角色是隨車押運人員，配合檢查人員完成預檢，進入充裝區之后，隨車押運人員離開車輛，角色轉換為充裝人員，這一角色的轉換，將通過文字在平臺上進行提示。2個視角的工作場景會略有不同，工作任務不同，平臺支持單人操作，也可以協同操作。

檢查人員的主要工作職責是進行預檢、充裝前檢查、確認充裝人員的工作流程，警戒，充裝后檢查，放行等；隨車押運人員／充裝人員的主要職責是配合檢查人員預檢（前期)，隨車押運人員交互工作完成后，轉換為充裝人員視角，跟隨檢查人員在充裝前檢查階段確認相關信息，完成充裝設備的操作，警戒等工作。

2.3 充裝實訓平臺訓練邏輯設計

本模塊以教學充裝實操培訓為主，受訓者根據文字提示，通過手柄進行選取、觸碰、移動物品、動作完成等操作，實訓過程中會有單選、多選、判斷、觀察、視角轉換、操作等不同類型的提示，可以增加實訓者的探索欲和體驗的趣味性。

其中，對于一些關鍵部件或安全附件，如枕木、鶴管、靜電釋放裝置、壓力表、溫度計、液位計、安全閥等，會在正確選擇后給出簡要釋義，解釋其功能和作用，以達到教學目的。

同時，為了增強受訓者教學的實際學習效果，實訓教學并非全過程流暢教學，而采用通關制，激發受訓者的通關欲望，提升教學效果。在文字提示的前提下，選擇的物品有錯誤選項、迷惑選項，受訓者必須選擇正確才能進入下一環節：

1）如果選項錯誤或者步驟錯誤，系統文字報錯提醒：“再試一次”。

2）累計3次錯誤，系統文字提示：“對不起，您沒能完成本次罐車充裝！”

3）順利通過所有實訓，完成充裝后，系統文字提示：“恭喜您成功完成了罐車充裝！”

3 VR實訓效果

以檢查人員視角為例，基于所建立的平臺開展操作人員的虛擬場景實訓，車輛進入預檢區，判斷當前氣象條件是否適宜充裝，不適宜勸退車輛駕駛員，適宜則進入下一環節，要求隨車監護人出示相關證件、寄存相關物品，通過手柄移動車輛進入正確區域即檢查區，見圖7。

圖7 手柄挪動車輛進入檢查區

檢查人員在檢查區對隨車監護人進行隨車防護用具及專用工具、應急預備、證照檢查等確認符合性檢查，開始進行車體檢查，包括各種標志、車輛定檢周期、車輛狀況、安全附件溫度、壓力等項目，上述檢查都需要檢查人員通過手柄觸碰完成，見圖8，檢查完成后，引導車輛進入下一區域（稱重區）。

圖8 手柄觸碰壓力表

進入稱重區后，確認罐車重量后，引導車輛進入充裝區，繼續執行司機離開、釋放靜電、連接靜電線等任務，并配合充裝人員從屬開啟裝卸閥門等有關行為，對充裝現場進行監護，見圖9。

圖9 檢查人員監護充裝

充裝完成后，依次完成輔助充裝人員關閉裝卸閥門，復位靜電線、枕木、警戒線等輔助裝置，對罐車進行充裝后檢查，見圖10，然后交還鑰匙，引導司機離場。

圖10 檢查人員對罐車密封面、閥門和接管進行確認

4 結論

1）通過實操平臺，受訓人員可通過虛擬場景完成人機交互，學習移動式壓力容器常溫型汽車罐車的充裝過程，實現從理論知識到實踐操作的一次跨越；

2）通過此實操平臺，可以使移動式壓力容器操作人員及時掌握充裝工作所必需的工作流程，特別是充裝前后檢查流程，了解作業對象的基本結構，熟悉充裝設備的基本使用邏輯和方法；

3）可以基于此平臺進一步開發移動式壓力容器充裝過程突發情況應急演練系統，將移動式壓力容器應急預案通過數字化方法呈現是下一步研究的重點。