VR技术在化学工业安全隐患排查、生产模拟培训及演练中的应用实践

田晶晶，孔德印，尹学文，朱显军，何清

(1.宜昌市宜化职业培训中心，湖北 宜昌 443007； 2.湖北宜化集团有限责任公司，湖北 宜昌 443007；3.湖北宜化化工股份有限公司，湖北 宜昌 443007)

1 VR技术及其应用现状

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)作为一种综合计算机图形、多媒体、传感器、人机交互、网络、立体显示以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术，其是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、无限制地观察三度空间内的事物.目前所涉及的研究应用领域包括军事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、制造业、工程训练等，被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一[ 1-10 ].

从古至今，重大紧急事件的发生通常会导致环境破坏，财产损失，健康挑战和生命威胁.近年来，尽管我们在应对灾难带来的许多挑战方面取得了巨大进展，但仍然存在许多挑战.例如国内外有限空间作业因施救不当导致伤亡扩大的事故每年都有发生，未能完全避免，其中，安全教育培训工作不到位，导致作业人员缺乏基本的应急常识和自救互救能力是事故发生的根本原因之一.VR技术作为近年来广泛使用的新兴技术，主要有体现沉浸式、可交互和三维立体3个特性，可以应用于军事、游戏娱乐、医学、工业、教育文化等多个领域[11-13].2016年，工信部《虚拟现实产业发展白皮书5.0》中描述了当前中国虚拟现实产业的发展状况，并提出了相关政策[14].Duan等综述了VR技术在灾害医学教育、灾害医学专业技能培训、灾害医学知识普及、灾后心理治疗中的应用，通过计算机动态模拟技术清晰地展示教学中一些困难和不可能的场景和操作，极大地提高学生在灾害医学方面的学习兴趣和主观能动性，提高急救水平，降低对创伤事件的敏感性[15].张华琛等探讨归纳了虚拟现实技术在电力通信专业技能培训中的应用，通过电力通信电源设备测试VR培训，模拟设备设施和运维过程中的场景，为学员营造一个较为逼真的工作环境，增强学员参加培训的兴趣[16].

2 VR技术在工业安全应用中的特点分析

2.1 VR技术在现实场景隐患实时排查中的特点分析以VR技术全场景构建安全隐患的形态，让学员掌握判识安全隐患技能，在“真实”的生产作业场景内查找、排查、整改安全隐患，通过“学、练、演、考”4种模式，完成现场安全隐患的认知、排查、整改仿真实训.基于VR技术的现实场景隐患实时排查有4大特点：

1)适合多种应用场景，如化学工厂生产、检维修及危化品装卸等场景.

2)可管理配置隐患排查科目，可以按辨识难度、隐患类型、法规效力判定标准等条件自由选择隐患，完成隐患排查科目配置，实现有针对性的隐患辨识排查能力的培训及考核.

3)在虚拟真实的场景内，交互学习安全隐患的形态、排查、整改的全过程，隐患存在的位置及表现形式、判识排查隐患的依据、整改标准.

4)可分为学、练、考、赛4种实训模式，满足个人自助式学习，以及有组织的集训、考核、竞赛多种应用需要.

2.2 VR技术在应急安全演练中的特点分析VR技术为应急演练提供了一种全新模式，它可以将事故现场模拟到虚拟场景中，人为的制造各种事故情况，组织参演人员做出正确响应.基于VR技术的应急演练有如下5大特点[17]：

1)针对性：虚拟演练系统的优势就是可以方便地模拟任何培训项目，受训者可以置身于各种复杂和突发环境中，进行针对性训练，提高应变能力.

2)仿真性：虚拟演练环境是以现实环境为基础创建的，操作规则同样立足于现实中实际的操作规范，理想的虚拟环境甚至可以达到使受训者难辨真假的程度.

3)开放性：可以打破空间和地域的限制，通过相关的网络通信设备在不同场所中进入相同的虚拟演练场所中进行实时集中化演练.

4)安全性：可以大胆地尝试各种演练方案，即使酿下“大祸”，也不会造成“恶果”.不仅可以确保受训人员的安全，还能丢掉事故隐患的包袱，从而享受极端性的演练.

5)自主性：企业可以根据自身需求在任何时间、任何地点组织培训，并快速取得演练结果，进行演练评估和改进.

2.3 VR技术在工业安全应用教育培训中的特点分析基于VR技术的工业安全应用教育培训也有如下5大特点：

1)基于VR技术的体验式学习，更容易激发学员参加安全教育学习的兴趣，强化学员对安全事故的感性认识.

2)虚拟场景建设不受场地限制，可最大程度模拟真实场景下的安全事故.

3)通过虚拟现实技术结合与现实社会类似的环境，实现安全教育交底和应急培训演练.它是最安全的“危险”教育课程，不用担心演练过程中受到伤害.

4)对比传统的实体演练室，VR技术下化学工业安全隐患排查与应急演练投入相对低，且能够根据需要及时调整场景.

5)VR技术可移动部署、电力电源设备可无限扩充、作业场景可无限扩充、安全事故体验、碎片化时间学习、自助式培训、无安全风险、硬件建设与维护成本低、无需集中培训等特点.

3 化学工业安全领域的VR技术应用需求

2020年2月中共中央办公厅办、国务院办公厅联合发布《关于全面加强危险化学品安全生产工作的意见》，2020年4月国务院安委会部署开展安全生产专项整治三年行动计划并发布《全国安全生产专项整治三年行动方案》，反复提到必须提高从业人员专业素质能力的急迫性.危险化学品企业按照高危行业领域安全技能提升行动实施意见，开展在岗员工安全技能提升培训，2021年底前安排10%以上的重点岗位职工(包括主要负责人、安全管理人员和特种作业人员)完成职业技能晋级培训，2022年底前从业人员中取得职业资格证书或职业技能等级证书的比例要达到30%以上；严格从事危险化学品特种作业岗位人员的学历要求和技能考核，考试合格后持证上岗.2022年底前，化学工业重点省份和设区的市至少扶持建设一所化学工业相关职业院校(含技工院校)，依托重点化学工业企业、化学工业园区或第三方专业机构成立实习实训基地.

但是，迄今为止，VR技术还鲜有应用于化学工业生产中.化学工业行业从业人员专业素质的培养为VR技术在化学工业领域的应用开辟了一条新的路径.VR核心技术包括实时三维计算机图形、感觉反馈技术、头部追踪技术、语音技术、眼球追踪技术、手势跟踪技术等，这些技术的综合应用为其在化学工业生产环境监测和模拟现实奠定了良好的基础，这有利于推进化学工业安全领域的生产体验和隐患防范培训及演练.具有来讲有两个方向：一是通过隐患排查模式，让从业人员熟练掌握常见故障的处理流程，促使从业人员熟悉并逐步掌握虚拟现实技术在设备运维业务中的应用，提高知识水平、实际操作和异常处理能力；二是通过以真实发生的典型安全事故案例为蓝本做虚拟安全事故体验，熟练掌握安全操作规程，对于增强从业人员的安全意识、提升安全作业水平具有重要意义.

4 化学工业安全领域的VR技术应用实践

化学工业生产是一个比较容易出安全事故的生产环境，提高从业人员的安全意识，培养职工面对突发危险的处置能力成为当前的迫切需求.隐患是事故的先导，训练从业人员一双发现隐患的眼睛，及时消除隐患，是保障安全生产的前提.安全生产的培训需要硬件环境的支撑和实景中的演练，在现实中排演一场“逼真的”突发事故需要大量的人力、物力，并且带来大量的环境污染甚至社会影响.VR虚拟现实技术则在制作成本及逼真程度方面有着巨大的优势，可以在虚拟的环境中呈现隐患、模拟多种突发事故，并且可以重复使用，升级更新.结合VR技术的特点，及VR技术在虚拟教学上的优势，结合化学工业领域的特点，我们初步探索了VR技术在化学工业中的应用.

本研究所按照某市某实训基地当前现状，将淘汰的5万吨/年合成氨生产装置进行升级改造，完成五个工段和总画面3D界面，将3D界面中的工艺流程与PI&D图相符，设备安装位置及工艺管线走向与现场相符，见图1所示.

图1 煤制合成氨合成工段3D界面

同时，建设VR体验室,见图2所示，融合VR技术，其VR技术应用主要包含模拟化学工业企业隐患排查和模拟应急演练两部分.

图2 VR体验室

4.1 隐患排查示范

4.1.1 化学工业生产隐患设计、排查及VR体验 1)以化学工厂为原型，建立典型化学工厂的计算机三维仿真模型(见图3所示)及周边建筑场景模型(见图4所示)，并以实体化学工厂可能出现的各种类型安全隐患为脚本，将各种典型安全隐患情景加载设置至已建成的三维仿真模型中，以供排查和体验.

图3 计算机三维仿真模型

图4 周边建筑场景模型

2)借助VR技术手段，使得学员能感知身处于化学工厂三维仿真场景中，身临其境地进行安全隐患排查和体验.

3)在时间上和计分规则上设置差异化，使体验者可以积极对待隐患排查演练.

4.1.2 可能存在的安全隐患设计、排查及评价 在现场装置模拟运行的基础上，VR体验大屏上显示装置运行状况，在人为设置隐患的前提下，装置运行出现故障，跟随应急处置的系列动作后，装置停运，引导参与体验者分析隐患存在的部位，导致隐患发生的原因及解决措施.

该部分内容包含化学工业操作中的超温、超压、超液位、超流量，低温、低压、低液位、低流量，断电、断水、断气，误操作，设备腐蚀、泄漏等根据培训所需要的工艺、设备隐患.

示例：压力机作业隐患排查.压力机工A安全意识严重缺失,未与压力机工B联系放置安全柱情况下，将手伸入模腔中处理异常情况，属于严重违章操作；压力机工B在知道电机电源未接通时，既未确保安全，也未事先通知A的情况下，接通电机电源，属于严重违章操作，见图5所示.

图5 压力机作业隐患排查场景

4.2 应急演练示范

4.2.1 安全作业应急演练 基于VR技术逃险演练系统架构以及关键问题，利用VR技术构建演练系统，不仅可以提高逃险演练的科学性，同时降低逃险演练的成本[18].VR体验馆实景设计动火、受限空间、盲板抽堵、高处、吊装、临时用电、动土、断路等八大特殊作业场景，体验者以作业人、监护人、项目负责人的身份进入体验馆，在声音提示下完成相关操作，在设定事故的场景下根据自己扮演的角色，履行相关责任和义务，如报警、施救等，体检结束后根据所完成的动作评分.

示例：受限空间作业中毒伤害应急救援演练.体验者亲自模拟违规操作体验，进入罐内清理废料，余料挥发的危化品致使作业人员头昏倒在储罐内，培训救护过程以及正确作业程序，见图6所示.

图6 受限空间作业中毒伤害应急救援演练场景

4.2.2 工艺操作应急演练 VR体验馆实景设计泄漏、超温、超压、超液位、超流量，断电、断水，误操作等引发的工作操作事故，体验者以操作工的身份进入体验馆，在声音提示下完成相关操作，在设定事故的场景下完成相关操作技救援任务，体检结束后根据所完成的动作评分.

示例：煤气中毒事故应急救援演练.体验者环顾场景，发现同事煤气中毒晕倒在地；拨打电话通知煤气防护站人员，根据提示扣动扳机触碰高亮处，关上警戒线；煤气防护站人员到达，放开警戒线；将中毒同事移至安全区域进行紧急救护，见图7所示.

图7 煤气中毒事故应急救援演练场景

4.2.3 大型事故救援应急演练 VR体验馆实景设火灾、爆炸、中毒等恶性事故场景，多人同时进入体验馆，根据应急预案脚本扮演相应角色，如：指挥、救援、警戒、检测等，在声音的提醒下，根据场景模拟在总指挥的指挥下开展应急演练.体检结束后根据角色扮演及整体完成情况分别给予评分.

5 结束语

VR技术可以应用到安全隐患排查及模拟演练中，甚至可以应用到化学工业实训的各个环节以及承担生产技术人员的岗前培训.我们认为，随着VR技术的发展，VR技术广泛和深入的应用将给化学化学工业行业带来深远影响，并带来显著的技术和经济效益.