基于VR的交通运输行业安全培训系统研究

朱云峰，张 峰，韩树河

(江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

1 交通运输应用VR技术的优势

交通运输是国民经济中基础性、先导性、战略性产业，是重要的服务性行业，具有系统庞大、范围广、领域多、参与人员多的特点，被列为高风险行业进行管理。一直以来，各级领导及政府高度重视交通运输安全生产工作，虽然总体形势稳定，但其安全生产事故总量仍居高不下[1]。同时，交通运输行业当前仍呈高速发展态势，运输市场转型升级加快，新的业态、新的运输方式不断涌现，发生交通运输事故的可能性和突发性还将长期存在，安全生产工作面临许多挑战，从业人员素质整体不高就是挑战之一。

本文运用互联网、虚拟现实(Virtual Reality，VR)等先进技术手段，借助网龙华渔101VR编辑器(平台)，建立一系列交通行业安全教育培训场景，设计并实现一套基于VR的沉浸式安全培训系统及相关课程。综合运用虚拟现实、大数据、网络等信息技术与现代化手段，打破时间、空间、环境的限定，打造具有高度交互和体验的安全培训系统，通过身临其境的沉浸式教育，全方位地开展安全培训与教育。通过系统设计与开发，优化教育培训模式，降低培训对场地、设备的需求以及培训潜在安全风险，实现绿色培训、分散式培训和实时培训，减少培训损耗，提高培训的效率。

2 VR技术概述

VR技术借助传感、计算机视觉、人工智能等高新技术，结合实现实时交互的、多样化、沉浸式人机交互体验环境，具有沉浸性、交互性和构想性(自主性)3个主要特点。将VR技术与现实需要相结合，创建多维度虚拟信息空间，高度还原真实场景，增加体验者的临场感(沉浸性)；利用头戴式VR眼镜(头盔)、控制手柄、步移器等感知控制设备，通过感知控制，增加体验者的交互操作；利用合理的场景布置、关卡设计，通过体验者在虚拟空间的自主感知和认知，在体验过程中增加获取知识的主观能动性。因此，VR技术能够较好地服务于行业技能培训，能够在有限的空间内实现多场景、多应用；能够高度模拟还原现实生活中难以重现的真实事故场景；能够将教学与交互操作有效融合，实现分步教学、细节演示、重点凸显等教学培训设计。

3 基于VR技术的交通运输行业安全培训系统的设计

本文通过分析交通运输行业安全培训所需内容，有针对性地选取需要且适合用VR技术仿真的安全培训内容及课程。利用3DSMAX，MAYA，Unity3D等建模和虚拟现实软件，设计、制作相关培训场景；借助网龙华渔101VR资源库及平台搭建虚拟现实培训平台。

3.1 VR系统的平台架构设计

交通运输行业安全培训VR系统的平台架构主要包括：模拟场景、数据库、输入设备、输出设备、VR虚拟现实软件平台。其中，模拟场景主要包括实物模拟场景和虚拟模型场景；数据库主要包括虚拟场景资源库、培训信息数据库；输入设备主要包括VR手柄、VR空间自由移动平台等传感设备；输出设备主要包括VR眼镜、LED屏等、灯光、音频输出设备等；VR虚拟现实软件平台为网龙华渔101VR虚拟现实平台、相关建模软件等。VR系统的平台架构如图1所示。

图1 基于VR的交通运输行业安全培训系统的平台架构

3.2 培训课程的开发

交通运输行业安全培训，主要针对交通运输行业涉及的安全隐患及防范进行设计、组织与实施。培训工作围绕VR培训系统，主要从培训方案制定、场景设定、培训实施、结果反馈4个环节，针对交通运输行业涉及的安全隐患及防范要求进行设计、组织与实施。主要的培训课程分为安全体验课程和模拟实操课程两个部分。

3.2.1 安全体验课程的开发

单场景安全体验课程设计目的是通过场景还原、事件重演，让体验者切身体验实际事故发生场景，并从中反思、分析、研判事故的原因、应对措施以及防范方法。

根据具体的交通运输行业事故案例和现有调研、利用VR技术、基于101虚拟现实平台开发的安全体验课程主要有：货物堆场高处坠物事故VR体验、LNG码头燃爆事故VR体验、货车缆绳鞭打VR体验、满载重型货车追尾VR体验等重点事故或情景的VR体验课程、触电伤害VR体验、火灾伤害VR体验项目、安全帽佩戴VR体验等。课程开发注重对视觉、听觉、触觉等感官的调用，强化参训人员对于安全事故的感性认知，具有明确的警示与潜移默化的正向引导作用。在体验课程中，采用第一人称多视角观察的手段，结合图文、语音等方式描述事故发生的原因以及防范方案，有利于激发参训人员的主观能动性，提升学习的效率与效果。

3.2.2 模拟实操课程的开发

除了安全体验课程的基本功能之外，交通运输行业安全培训还应具备具有交互的功能。通过模虚拟仿真技术，引导人员按照技术规范有序开展实操演练。模拟实操课程根据道路运输、港口码头等复杂工作环境，建立包括油库、配电间、办公室、车辆、装卸台、宿舍等区域的消防灭火VR模拟实操课程和危化品泄露、塌方等应急处置VR模拟实操课程等。

模拟实操课程的开发过程中，以101VR平台为依托，采用模拟仿真操作的方式，将操作达标率作为参训人员操作效果的评估要素，根据各领域主要作业环节，设立“关键设备安装”“安全隐患排查”“突发事件处理”等闯关模式，通过设定不同安全防范级别，增加不同的安全操作环节以及安全隐患排查点，让参训人员通过逐级闯关的方式，模拟安全作业、隐患排查、应急处置等安全作业，达到参训人员熟练操作技能、增强主动安全意识的目标[2-3]。同时，闯关模式也实现了对参训人员安全作业水平等级进行考核的目的，为安全培训的学时、学分积累和学历资格认证提供了有效的参考。

3.3 具体技术实现

在项目实现环节，充分利用现有场地、101VR平台，从增加参训人员的代入感、临场感、视觉感官认知、触觉感官认知等方面出发，选取相关技术实现“沉浸”式互动效果。

3.3.1 实物场景的布置与搭建

本项目所有实景场地的空间范围是16 m×9.6 m×4.5 m，主要模型的实物场景可以根据不同主题进行快速布展。主要围绕安全教育主题，根据具体案例，利用实物模型、图文展板、影视资料展示等，展现安全事故的部分现场环境。

构建现实教学场景，能够让参训人员身临其境，增强代入感。实物场景的具体布展注重的是效果真实与拆建简易，可以利用背景画布、雕刻板拼接模型等素材模拟场景主题，其中，模型与实物比为1∶1，大型场景则根据实际情况进行等比例缩放。展示板、影视宣传片除了常规的图文宣传之外，还可以展示一些需要分步展示、细节展示的操作方法和注意事项。实物场景的布置与搭建如图2所示。

图2 实物场景的布置与搭建

3.3.2 360全景环境场景的实现

通过真实的场景图片，利用相关全景视频技术，制作360全景场景，高度还原现场周边环境，构建沉浸式教学场景，增加参训人员临场感。360全景场景的制作方法主要有3种。

(1)通过360全景摄像机将真实的场景拍摄下来，再通过Unity3D软件，将拍摄场景与模拟场景融合。优点是真实还原场景，但是需要实地取景，对于一些特殊场景或者需要多层级交互的场景不太适用。

(2)通过PanoramaStudioPro，PanotourPro等全景图制作软件，将现场拍摄的照片进行合成。不需要实地取景，能够快速将图片进行拼接合成，但对图片的质量要求较高，如果合成图片之间的切合度不够，会存在部分场景的拼接缝较明显等问题。

(3)通过3DSMAX，maya，101VR编辑器等软件进行场景建模，能够创建各类场景，容易实现多场景间的切换，但是存在制作耗时、真实度有所欠缺等问题。

3.3.3 模型及特效的制作

利用3DSMAX，maya，blender等建模软件及特效软件制作相关模型、特效，模拟操作工具、场景环境等，同时，结合真实案例视频录像，增加视觉感官认知。

3.3.4 互动交互功能的实现

利用101VR编辑器、Unity3D，通过控件使用、程序设计实现对感知控制设备(手柄、头盔、移步器等)的控制或数据采集，通过模拟事故的震动、灯光、声音等效果，增加触觉感官认知。使用101VR编辑器实现简单交互设计，通过使用101VR编辑器自带的逻辑控件，设置事件触发机制实现多次交互。使用Unity3D软件实现复杂交互操作。

通过编写C#程序，实现对感知控制设备的交互操作。在获取手柄、头盔及移步器等控制器的操作参数方面，主要调用了CameraRig，MoveControl，TrigleControl等脚本组件，其中，CameraRig用于获取头盔感知的相关参数，主要包括Controller(left)，Controller(right)，Camera(head)，Camera(eye)，Camera(ears)等函数。其中，MoveControl用于获取手柄，步移器等控制器的操作参数，主要包括Move(left)，Move(Right)，Move(Front)，Move(Back)，Move(Angle)等函数。TrigleControl组件主要用于获取手柄，触摸屏等操作参数，主要包括TagControl()，TouchControl()等函数。

在模拟场景控制方面，使用系统自带的物理引擎、物体碰撞、关节链接、水雾特效、光影特效、模型骨骼架构映射、动画控制等控件，对模拟对象进行控制。

4 结语

本项目创新性地将VR技术与交通运输行业安全培训相结合，通过对从业人员安全教育培训顶层设计，基于VR技术设计并开发交通运输行业安全培训系统，通过合理的课程开发、场景还原、三维模型、场景模拟仿真以及VR沉浸式体检，优化教育培训模式，为现代化安全教育培训提供了可参考可操作的实际应用。由于交通运输从业人员具有流动性强、工作地点多变的特点，集中培训较难实现，还需进一步拓展异地在线培训相关功能。为此，借助5G技术，设计并开发能够在移动端实现模拟仿真培训的相关功能，并确保系统输出内容清晰、运行流畅是本项目下一步将要开展的工作。