基于VR技术的移动式压力容器充装实训平台构建

袁奕雯 丁 菊 李 坤

（上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062）

移动式压力容器是长距离运输化工物料、危化品的主要装备，属于特种设备[1]，其运输的物料大多存在易燃、易爆、有毒、腐蚀等危险性，如果在充装、运输环节处置不当，将会造成灾难性事故。近年来，“6·13”温岭罐车重大爆炸事故、山东金誉石化“6·5”重大爆炸事故、湖南怀化“10.6”常吉高速罐车侧翻爆炸事故引起了社会广泛关注。《中华人民共和国特种设备安全法》[2]第四十九条规定移动式压力容器使用单位应当具有与充装和管理相适应的管理人员和技术人员方可从事充装活动。TSG Z6001—2019《特种设备作业人员考核规则》[3]和TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》[4]要求移动式压力容器充装人员和检查人员都应取得移动式压力容器操作人员证书，即“R2证”。但移动式压力容器操作人员（R2）资格培训多偏重于理论讲解，缺少实操培训，这主要是由于移动式压力容器充装场地大多为防爆重点场所，非工作人员不得入内，在充装站内进行实训的确存在一定风险并将消耗较大的时间及经济成本，且这样的取证考证，也颇受部分充装单位诟病，存在取证和上岗作业脱节的弊病。

虚拟实景技术（Virtual Reality，以下简称VR技术）是新一代的人机接口技术，它利用计算机生成模拟环境，创建和体验虚拟世界，实现多源信息融合的交互式的三维动态视觉和实体行为的系统仿真，让用户置身到实景环境中沉浸式体验。把VR技术引入移动式压力容器实操培训中，可以有效实现取证人员熟悉设备结构、积累实践经验的效果，可降低员工上岗初期由于不熟悉实操流程而产生的不必要的技术和经济风险。

近年来，VR技术已经在国内培训领域得到了尝试应用，苏培[5]等人利用VR技术在铁路乘务应急演练实训系统开展了构建研究；朱永皓[6]等人将VR技术头盔应用到运动员训练和模拟练习中，促使运动员在虚拟世界中提升自身经验和技巧；杨梅[7]将VR技术运用到生物实验教学中，通过虚拟仿真帮助学生体验生物成长过程；郭泱泱[8]对VR技术运用在煤矿安全培训中的可行性进行了研究。综上，限于特种设备的特殊属性，在现有的成果中，针对移动式压力容器充装作业开发的实训平台仍较为匮乏，此为本文研究的原因。

本文以常温型汽车罐车充装场景为例，搭建移动式压力容器虚拟充装工作平台，将角色扮演游戏（Role-playing Game，简称RPG）任务逻辑引入充装实训，体验者可通过在虚拟场景下扮演充装人员和检查人员，引导受训人员在双人视角下，按步序进行实操、共同完成单人或协作任务。复原常温型汽车罐车充装及充装前后检查场景，有助于提升受训人员实践经验，降低新员工初次上岗实操产生的技术和经济风险。

1 移动式压力容器充装实训平台模型选择

移动式压力容器充装实训的目的，是为了提高移动式压力容器作业人员的实操能力，规避持证上岗和实际操作存在脱节的风险。移动式压力容器充装实训平台依托虚拟现实平台，仿真模拟移动式压力容器充装作业现场，通过人机交互的操作，使相关人员得到全面培训和指导，可减少实操培训中所产生的资源消耗，提升移动式压力容器作业人员实际操作水平和能力。移动式压力容器充装实训平台具有现场复原性好、视觉真实感强、协同性高、安全性好等特点。

移动式压力容器有汽车罐车、罐式集装箱、长管拖车、管束式集装箱、铁路罐车5个品种，但本平台作为充装实训平台的探索，无法囊括所有工作场景，其中汽车罐车及罐式集装箱在移动式压力容器中数量较多，应用最广且其二者的差别仅在于是否有集装框架，因此，本实操平台以汽车罐车的充装作为研究对象，以充装LPG介质为例，见图1，对其全过程充装进行模型构建。

图1 LPG汽车罐车充装实景

2 移动式压力容器充装实训平台设计

2.1 充装实训平台场景设计

移动式压力容器充装场景的地域跨度较小，主场景为移动式压力容器充装站，真实的充装站一般会有8～10组充装泊位，平台从实际需求考虑对实景进行了简化建模，在场地中标记出“一般行驶路线”和“紧急疏散路线”2条路线，只保留了1组充装泊位，但仍然保留了充装站所必须涵盖的“预检区”“检查区”“称重区”“充装区”等4个区域组成，见图2。

图2 平台全景图（包括区域、路线、罐车）

其次，在充装区根据实际充装装置需求设置枕木、静电接地装置、充装鹤管、警戒线等必要装置，见图3，在汽车罐车上仿真设置操作箱、压力表、温度计、液位计、紧急切断阀等关键安全附件，见图4。

图3 充装装置场景图

图4 罐车操作箱细节展示

通过宏观充装站全景、充装装置场景和移动式压力容器场景3个场景组合成为移动式压力容器充装平台，并对上述3种场景中的建筑物、固定设施、移动设施进行细节层次绘制，侧重于突出关键部件的视觉比例，对非重要的建筑物降低绘制精细度，在保证实景的前提下，提高视觉效果，有助于受训者了解汽车罐车的基本结构、安全附件的位置及基本功能，并正确操作充装工作。

2.2 充装实训平台人物及任务设计

TSG R0005—2011中规定装卸过程必须由2名以上操作人员进行作业，按照上述要求，充装平台的模块设计为“充装人员”和“检查人员”2个视角，受训者可以任意选择其中一个角色体验协作工作场景。见图5和图6。

图5 充装人员视角

图6 检查人员视角

鉴于检查人员在检查工作中会有与随车押运人员之间的交互交流，但随车押运人员出现的工作内容较少，从节约成本方面考虑，在模块设置中，让充装人员“一人分饰两角”，即在进入充装区之前，所体验的角色是随车押运人员，配合检查人员完成预检，进入充装区之后，随车押运人员离开车辆，角色转换为充装人员，这一角色的转换，将通过文字在平台上进行提示。2个视角的工作场景会略有不同，工作任务不同，平台支持单人操作，也可以协同操作。

检查人员的主要工作职责是进行预检、充装前检查、确认充装人员的工作流程，警戒，充装后检查，放行等；随车押运人员／充装人员的主要职责是配合检查人员预检（前期)，随车押运人员交互工作完成后，转换为充装人员视角，跟随检查人员在充装前检查阶段确认相关信息，完成充装设备的操作，警戒等工作。

2.3 充装实训平台训练逻辑设计

本模块以教学充装实操培训为主，受训者根据文字提示，通过手柄进行选取、触碰、移动物品、动作完成等操作，实训过程中会有单选、多选、判断、观察、视角转换、操作等不同类型的提示，可以增加实训者的探索欲和体验的趣味性。

其中，对于一些关键部件或安全附件，如枕木、鹤管、静电释放装置、压力表、温度计、液位计、安全阀等，会在正确选择后给出简要释义，解释其功能和作用，以达到教学目的。

同时，为了增强受训者教学的实际学习效果，实训教学并非全过程流畅教学，而采用通关制，激发受训者的通关欲望，提升教学效果。在文字提示的前提下，选择的物品有错误选项、迷惑选项，受训者必须选择正确才能进入下一环节：

1）如果选项错误或者步骤错误，系统文字报错提醒：“再试一次”。

2）累计3次错误，系统文字提示：“对不起，您没能完成本次罐车充装！”

3）顺利通过所有实训，完成充装后，系统文字提示：“恭喜您成功完成了罐车充装！”

3 VR实训效果

以检查人员视角为例，基于所建立的平台开展操作人员的虚拟场景实训，车辆进入预检区，判断当前气象条件是否适宜充装，不适宜劝退车辆驾驶员，适宜则进入下一环节，要求随车监护人出示相关证件、寄存相关物品，通过手柄移动车辆进入正确区域即检查区，见图7。

图7 手柄挪动车辆进入检查区

检查人员在检查区对随车监护人进行随车防护用具及专用工具、应急预备、证照检查等确认符合性检查，开始进行车体检查，包括各种标志、车辆定检周期、车辆状况、安全附件温度、压力等项目，上述检查都需要检查人员通过手柄触碰完成，见图8，检查完成后，引导车辆进入下一区域（称重区）。

图8 手柄触碰压力表

进入称重区后，确认罐车重量后，引导车辆进入充装区，继续执行司机离开、释放静电、连接静电线等任务，并配合充装人员从属开启装卸阀门等有关行为，对充装现场进行监护，见图9。

图9 检查人员监护充装

充装完成后，依次完成辅助充装人员关闭装卸阀门，复位静电线、枕木、警戒线等辅助装置，对罐车进行充装后检查，见图10，然后交还钥匙，引导司机离场。

图10 检查人员对罐车密封面、阀门和接管进行确认

4 结论

1）通过实操平台，受训人员可通过虚拟场景完成人机交互，学习移动式压力容器常温型汽车罐车的充装过程，实现从理论知识到实践操作的一次跨越；

2）通过此实操平台，可以使移动式压力容器操作人员及时掌握充装工作所必需的工作流程，特别是充装前后检查流程，了解作业对象的基本结构，熟悉充装设备的基本使用逻辑和方法；

3）可以基于此平台进一步开发移动式压力容器充装过程突发情况应急演练系统，将移动式压力容器应急预案通过数字化方法呈现是下一步研究的重点。