基于VR 技术的一站式安全实训中心研究与应用

林济乐 陈峰 王培硕

（1.国能浙江宁海发电有限公司 浙江省宁波市 315600 2.郑州万特电气股份有限公司 河南省郑州市 450000）

发电公司是劳动密集型企业，危险源多、危险面广，面对复杂的作业环境，作业人员多存在安全意识不强、安全技能薄弱等问题，而违规违章操作极易引发各类事故，影响电力系统的安全运行。为了保证电力系统的稳定可靠，除坚持优化系统结构，增强设备的可靠性外，还需要不断完善安全管理制度，提高相关从业人员的技能水平和安全生产意识。随着能源建设企业的快速发展，如何保障安全生产已经成为行业稳健发展的重要课题，而传统的安全培训模式效果有限，难以满足日益复杂的安全培训需要。本文针对电厂系统安全教育的现状，分析电力行业基于仿真、虚拟现实的培训情况，探索安全培训工作的新思路、新途径，提出了基于虚拟现实技术建立一个事故模拟、风险体验、应急实训的安全培训平台。

1 与现有安全培训方式的对比分析

结合笔者电厂的实际情况：承包商人数众多，人员素质参差不齐，承包商的安全培训工作已经成为电厂系统安全管理不可忽视的重点和难点。目前安全培训的现状是：

（1）传统基于教材和PPT 演示文档的安全教学培训系统虽然图文并茂，但通过这种方式学习的知识模块较为独立，员工较难建立前后知识的联系。即使嵌入一些动画、视频，也很难使从未接触过具体情景的员工形成立体感，不利于员工理解掌握危害状态和处理方法，需配合耗费人力、物力的且多个课时的实物实践课程。

（2）实物实践课程经常受到场地和时间的限制，训练规模也因此受到多种外在因素的制约，并且可能存在危险性；受限作业、动火作业、用电作业、高处作业的风险点及危害只能通过理解来学习，没有具象化的表现或感受，人员对危险的认识不到位。

伴随安全体感技术、虚拟现实技术的日趋成熟，使研制一套智能化、安全化和高效化的电力安全体验馆成为可能。结合VR 技术的形象化、具象化表现优势，将安全设备的组成结构、工作原理等知识动态展示出来；将厂区常见的危害形式和原因与设备的使用结合起来，逼真的再现作业场景危害状态；将处理的方法、规则用三维可交互场景展示出来，并提供危害辅助维修和决策指引。

为切实提高人员安全意识，从思想源头控制安全隐患，我们将以安全实训中心为载体，展示作业中存在的危险因素，以感触、视听和观摩等不同表现方法，通过体验者零距离体会和亲自参与，感同身受违章作业、违规操作等各种不安全行为可能带来的严重危害。通过警示教育意识到安全的重要、生命的珍贵，从而自觉注意人身安全，规范作业行为，真正达到“安全第一、预防为主”和“防微杜渐、警钟长鸣”的教育目的。

2 虚拟现实技术成熟度分析

VR 体验设备基本包括头显、两个控制手柄、两个空间追踪器。在功能方面，具有提供流畅的、真正沉浸式的虚拟现实所需要的各种功能；在视觉呈现方面，1400x1600 像素屏幕，每秒90 帧的超快刷新率，带来从所有角度充盈视野的逼真图像，消除以前VR 技术常见的抖动；在追踪和空间探测上，陀螺仪传感器、加速度计、激光定位传感器结合，在两个轴线方向上定位头部旋转，将头戴式设备与一对基站连接起来，可追踪物理位置（在最大为15 英尺x15 英尺空间内）；在自定义游戏控制器上，两手分别操控一个VR 游戏控制器，符合人体工程学原理，可自如使用虚拟对象与虚拟世界进行交互。

VR 已经在众多领域都有了相应的应用，其中应用最广泛的就是VR 安全教育培训。VR 不仅能还原灾害的发生过程，更能从视觉、听觉、触觉等方面给人带来巨大的冲击感，让人们对灾害能提前预防。以VR+煤矿为例，煤矿工人大多数都在井下工作，比较危险。如果实地训练的话，还会浪费很多时间和金钱。利用VR 技术可以把井下的工作环境模拟出来，让采矿专业的学生进行训练，这样既可以降低实习费用，又能缩短教学时间。另外VR 煤矿安全培训系统还能工作人员进行岗前培训，让训练者提前熟悉井下的环境，更从容的去面对各种险情，从而提高人员素质，消防事故隐患。

VR 技术目前已趋于成熟，其覆盖领域也广泛应用于大多传统行业，但是由于电力行业的复杂性和特殊性以至VR技术在发电厂领域涉足未深，与此同时电力同属高危行业迫切需要VR 技术身临其境的体验进行安全培训，所以开展以VR 为主题的一体式安全体验馆来达到安全培训的效果，解决人员安全意识提升难、安全培训效果不佳等难题。

3 虚拟现实应用于安全培训的研究内容

本系统的创意主要体现在通过VR 技术建立一个三维可视化交互的安全体验系统，利用虚拟现实场景，模拟真实设备环境下的操作培训，避免操作培训时受电气设备、人数、环境的限制，大幅减少培训成本，提升培训效果及质量；利用人机交互设备，模拟实际环境中设备异常运行状况或误操作现象，给予学员视觉、感观上的冲击感，使培训效果更真实。主要研究内容如下：

3.1 安全体验虚拟现实场景开发

以电厂现场生产环境为基础，分析三维模型建立特点，采集现场各设施的模型数据，组合成一套符合电厂的虚拟现实场景。结合典型的安全风险事故，基于虚拟现实引擎Unity3D 的实现过程，建立事故状态模型，在场景内进行最大程度的还原。

3.2 安全事故可视化交互体验的开发及应用

以安全规程为基础，结合安全事故案例资料，分析模型碰撞检测技术，研究工器具等设备模型事故处理过程中的碰撞检测在Unity3D 引擎中的具体实现，从而实现三维可视化交互的真实感，增强用户人机交互体验。

3.3 三维可视化场景实时渲染的研究

体验人员穿戴VR 眼镜进行虚拟现实场景体验时，其他人员只能通过显示屏幕观看，代入感较差、体验效果不佳。基于实时渲染技术的研究可以将VR 眼镜虚拟现实场景的体验画面实时传输到VR 一体机眼镜内，通过分析VR 眼镜三维场景虚拟环境的主要影响参数，使VR 眼镜和VR 一体机眼镜里的内容高度融合，降低差异效果，实现服务端系统实时比对渲染。即在同一虚拟场景内实现一人实时体验，多人实时观看的效果。

4 虚拟现实应用于安全培训的实践分析

4.1 实施的技术方法

4.1.1 安全体验三维可视化描述方法

在对生产事故全面分析的基础上，采用VR 技术建立设备三维仿真模型，再通过信息关联技术将设备三维可视化实体模型与设备数字化信息模型关联起来，使得计算机能自动识别对象设备的物理结构，辨识对象状态，反映对象机理信息。在确保系统实时性要求的前提下，提高设备的精细程度和真实感，保证设备三维虚拟模型的运动与真实设备的运动特征相匹配。

4.1.2 三维场景可视化交互操作实现方法

在体验场景内准确表达电厂安全规定知识，逼真再现事故现场状态，融入安全操作行为和不安全操作行为的判断，从而实现三维可视化交互操作。首先分析各种违规操作在三维虚拟仿真环境下发生的安全事故情况及处理操作过程和规划，再研究三维虚拟环境中交互操作的实现方法和用户在交互操作过程中的提示引导信息，最后分析用户处理能力评估模型，利用大数据技术设计模型数据结构，并实现存储和读取，实现系统对用户进行技能考核评估。

4.2 应用效果表现

通过虚拟现实技术、体感培训技术和多媒体展示技术，建设和电厂环境相符合的场景，在以往的安全事故案例上进行延伸，表现事故过程，展现事故后果和危害。使员工可以随时进入三维模拟电力系统环境中，模拟真实设备环境下的操作培训，减少现场教学的频次。

培训策略如下：

（1）在培训中心对承包商做好项目开工前的安全交底，针对承包商人员的现状、文化知识层次差异以及不同工种、不同作业进行有针对性的培训（包括安全工器具的安全培训、安全标识认知的安全培训、消防技能的安全培训、高处作业的安全培训、安规知识的安全培训等）。

（2）根据公司管理要求（高风险作业、受限空间、高处作业等规范性要求），开发编制有针对性的、互动式的VR 视频课件，用可视化方式和亲身体验方式，使承包商人员易于接受安全管理理念。

功能特点如下：

（1）在三维可视化交互环境里，进行维修操作训练的“预实践”，贴近真实的安全训练现场，模拟实际的危险处理训练环境。

（2）在系统给出的多种突发事故的情况下，不断做出正确而快速的应对措施，提高员工对厂区安全事故处理的整体素质。

（3）涵盖现场经常出现的事故类型，逼真的再现安全风险危害状态，便于员工清晰的掌握事故情况，从而快速应对解决。

（4）在人员体验和训练时间缩短的同时，提高训练效率和质量，降低企业对员工的培训和训练成本。

可以预见，通过沉浸式的安全体验培训，可以有效增强员工的安全意识和安全防护措施，将有助于降低安全事故发生的几率，对发电安全运营管理水平的提高提供有力的帮助，在改善企业安全生产的问题上具有深刻的应用意义。

5 沉浸式风险模拟

针对目前电厂系统运行中存在的主要安全风险，开展基于体感技术和虚拟现实技术相结合的安全培训研究与应用，探索新型培训手段融入电厂系统安全教育的可行性和适用性，并对实施过程中的重难点进行分析论证，采用视、听、体验相结合的三维立体式安全教育模式，实施可感受、可操作的实体化安全教育。

通过本次项目的开展和应用，还原电厂作业环境里的安全风险，使员工在安全的环境下体验到不安全的风险事故，促进了承包商安全风险教育的全面提升。体验者可以比较真实的体验到施工现场的安全风险，学习到发生事故后的正确处理方式，并且学会对应的防范常识以及应急措施，从而巩固员工的安全生产意识，增强安全技能实际运用的锻炼，达到身临其境、深刻体验、培训有效的目的。

5.1 触电风险

以发电厂高压开关室为事故体验场景，人员在进行开关柜检修作业时违规操作发生触电事故。采用可穿戴触电模块与VR 场景交互的形式，在触电过程中，触电模块可以使人的身体同步产生触电的麻木感，增强体验效果，使体验人员牢记触电危害。让员工通过培训意识到按规章操作的正确性和必要性，避免日后触电事故的发生。触电风险体验场景示意图如图1 所示。

图1：触电风险体验场景示意图

5.2 高坠风险

以发电厂高处管道检修为事故体验场景，人员未按照标准作业流程工作，未采取正确安全防护措施，导致检修过程中发生高空坠落事故。采用动感平台与VR 场景交互的形式，随着平台搭设进程实现高度实时提升，当发生坍塌事故时，平台会剧烈晃动直至瞬间下坠模拟出真实的失重效果，使体验者加深安全防护意识，高空作业时做好安全防护措施。高坠风险体验场景示意图如图2 所示。

图2：高坠风险体验场景示意图

5.3 火灾风险

采用环境模拟装置与VR 场景结合的形式，搭设环境参数模拟单元，真实的烘托出火灾发生时的感知环境；模拟灭火器，还原出拔灭火器安全销和按压把手喷射的功能。通过监测灭火器的使用状态，并结合严谨的数据分析，给予体验者视觉、感官上真实的冲击感受，从而达到身临其境的效果，得以掌握有效的消防灭火技能。火灾风险体验场景示意图如图3 所示。

图3：火灾风险体验场景示意图

5.4 坠物打击风险

模拟工器具物品从高空坠落后可能带来的危险后果，感受在高空落物时安全帽起到的安全保护作用，展示坠物打击安全帽的产生的巨大冲击力，分析冲击力数值的变化，学习高空作业中正确的工作方法，提高高空作业安全防护意识，掌握高空作业中正确的安全防护方法。坠物打击风险体验场景示意图如图4 所示。

图4：坠物打击风险体验场景示意图

5.5 脚手架倾倒风险

模拟高处作业时移动脚手架，体验脚手架平台重心偏移时瞬间倾倒的感觉。通过感受认识违规操作导致的危险后果，正确掌握移动脚手架作业的安全防护方法，避免出现脚手架倾倒事故造成人身伤害。脚手架倾倒风险体验装置如图5 所示。

图5：脚手架倾倒风险体验装置

5.6 事故应急处置

设置触电事故模拟场景，配置模拟人，进行心肺复苏实操的触电急救技能培训。让员工以理论学习结合实战化训练，深刻认识触电的危害、掌握触电急救的方法，从意识形态、身体素质、综合技能等各个方面进行全面性提升，能够从容处理现场事故处置及紧急救援工作。事故应急处置体验装置如图6 所示。

图6：事故应急处置体验装置

6 结束语

建立厂级的基于VR 技术的一站式安全实训中心是推动本质安全理念落实，创新安全培训方式，提高安全管理效率的一个重要途径。结合电力系统作业现场的实际情况，开展虚拟现实仿真技术在安全培训中的应用，通过声、光、电、视、听等全方位给体验者和培训者带来一种身临其境的感觉，体验人员可以从视觉上和思想上认识各种习惯性违章产生的状况，达到培训和纠正习惯性违章的目标，杜绝事故的发生。让他们感受到因为违规操作而带来的巨大危害，起到强化安全防范意识的作用，激发他们去熟练掌握安全操作的方法，降低事故发生频次，提高事故处理水平，严格落实各级人员的安全生产责任，最终保障发电安全、高效运营，实现安全生产。