虚拟仿真技术在道桥隧安全施工教学中的应用

摘 要 在道路、桥梁、隧道安全施工教学中，针对一些场地稀缺、器材成本高、具有危险性的实践环节，创新地运用虚拟仿真技术对实践过程进行真实还原，建立了“道桥隧安全施工重大危险源识别与考核仿真系统”。该系统依托Unity引擎、PBR流程建模、Socket网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，对道路、桥梁、隧道全流程施工中共计39个危险源进行了还原；学生在虚拟环境中开展安全的沉浸式实验，以达到教学大纲所要求的教学效果，具有安全性高、扩展性强、成本低等特点。

关键词 虚拟仿真技术；安全施工；危险源识别；虚拟现实

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.036

Application of Virtual Simulation Technology in Safety Construction Teaching

of Roads， Bridges and Tunnels

Abstract In the safety construction teaching of roads， bridges and tunnels， virtual simulation technology is innovatively used to restore the practice process in view of scarce sites， high equipment costs and risks. We have established a simulation system for identification and assessment of hazard sources in safety construction. Based on Unity Engine， PBR process modeling， socket network communication and other technologies， the system constructs a highly simulated virtual environment and objects. A total of 39 hazard sources in the whole construction of roads， bridges and tunnels have been simulated in the system. Students carry out safe and immersive experiments in the virtual environment to achieve the teaching effect required by the syllabus. The system has the characteristics of high security， strong expansibility and low cost.

Keywords virtual simulation technology; safety construction; hazard identification; virtual reality

2023年，教育部办公厅印发《关于加快推进现代职业教育体系建设改革重点任务的通知》（以下简称《通知》）[1]，其中将持续建设职业教育专业教学资源库、建设职业教育示范性虚拟仿真实训基地等作为重点任务。同时，《通知》指出，各校要瞄准专业实训教学中“高投入高难度高风险、难实施难观摩难再现”等现实问题，结合自身实际，建设职业教育虚拟仿真实训基地。虚仿基地要有效运用虚拟现实、数字孪生等新一代信息技术，开发资源、升级设备、构建课程、组建团队，革新传统实训模式，有效服务专业实训和社会培训等。《通知》还提出到2025年建成200个左右全国示范性虚仿基地，带动各地1000个左右区域示范性虚仿基地建设，推动职业院校技术技能人才实训教学模式创新。因此，将虚拟仿真技术与职业教育教学相结合，构建特定学科领域的虚拟仿真实验系统具有很强的现实意义。

在道路、桥梁及隧道施工流程中存在着一系列不同类型的危险源，在高校相关专业的教学大纲中，培养学生掌握基本的危险源识别方法与树立安全意识是重要的教学目标之一。传统的道桥隧安全施工教学主要采用课堂教学和实地教学等方式进行，其中课堂教学仅依靠教师讲述和相关图文资料展示，效果较差，学生参与度较低，难以满足教学大纲中所要求的教学效果；实地教学主要包括企业工地参观实践与校内仿真模型体验等方式，具有场地稀缺、器材成本较高、教学覆盖面较窄、危险性较高等问题[2]。

根据相关指导文件的精神，为更好地发挥数字教育的优势，切实解决道桥隧安全施工教学实践中的相关痛点和难点，课程组基于虚拟仿真技术构建了“道桥隧安全施工重大危险源识别与考核仿真系统”，该系统具有安全性高，扩展性强、成本较低，覆盖面较广等特点，可以有效与传统教学形成优势互补[3]。

1 虚拟仿真实验体系构建

根据相关专业教学大纲中的要求，本系统的教学目标是树立学生的安全施工意识，同时培养学生掌握道路、桥梁及隧道施工流程中常见的危险源识别方法，使得学生具备承担道路、桥梁和隧道工程的安全技术管理、日常安全教育与培训、安全分析与评价等能力。

1.1 基于虚拟仿真技术的场景教学

虚拟仿真技术涉及计算机图形学、人机交互技术、人工智能等多个领域，主要是指利用计算机来对现实场景进行建模和模拟，从而构建一个包含视觉、听觉等多感官的逼真虚拟环境，具有较强的沉浸感。近年来随着相关技术的不断发展，虚拟仿真技术已经广泛应用于工业培训、石油化工、教育、数字校园建设等领域。

本系统基于虚拟仿真技术来构建虚拟实验场景和实验对象，通过对实际的施工环境进行考察调研，并结合相关设计图纸，对道路、桥梁和隧道三个施工场景进行了高度还原，学生在相应的虚拟场景中进行浏览学习并完成相应练习。

1.2 基于施工流程的阶段教学

在实际的生产环境中，施工流程中的不同环节往往会存在不同类型的危险源，传统的实地教学往往只能针对施工流程中的某一个或某几个工艺环节进行教学，无法涉及全流程的危险源识别教学，整体实践效果较为局限。

得益于虚拟仿真技术的运用，本系统在教学模式上突破了传统教学中时间和空间的限制。系统对不同阶段中可能出现的多个危险源进行了情景模拟，通过对施工全流程中危险源的识别学习，从而培养学生掌握对不同阶段潜在危险源的识别方法并树立高度的安全预警意识[4]。

1.3 基于情景再现的实践教学

危险源识别与评价方法主要分为两大类，分别是直观经验法和系统安全分析法[5]。对于道桥隧建设等土木工程专业，在施工过程中大量使用了直观经验法，这要求相关技术人员熟练掌握施工流程中的安全规范，并拥有一定的安全施工经验。落实到高校教学中，即通过课堂规范教学与对实际案例的学习分析，让学生掌握施工流程中常见危险源的识别方法。

本系统对每个危险源场景预设了情景演绎，以三维动画的形式来表现施工人员之间的对话和环境物品的变化等，从而生动展示了该施工环节中潜在的危险源。学生通过代入具体的施工情景，在观看动画的同时对危险源进行识别和推断，从而建立起对该类型危险源的直观经验；再结合对相关规范的课堂学习，树立良好的危险预警意识。

2 虚拟仿真实验系统设计与实现

本系统具体包含三个子系统，分别是危险源识别系统、安全知识认知系统，以及内容更新系统。

2.1 危险源识别系统

学生在进入系统之后，可以选择进入对应专业的虚拟施工场景。本系统共包含道路、桥梁、隧道三个施工大场景的共计39个危险源。学生在虚拟施工场景中以第一人称视角进行漫游，可以在施工流程的各个工艺环节进行危险源识别实践。学生在虚拟施工场景中遇到危险源事件之后，会播放相应的三维演示动画，通过情景演绎和旁白解说的方式让学生了解此时施工中发生的危险源事件。危险源识别系统共包括三种学习模式，分别是浏览模式、训练模式和考核模式，三种模式的教学流程和讲解细节有所不同。

2.2 安全知识认知系统

安全知识认知系统是一套题库系统，其中包含一系列与安全施工相关的习题。与传统的二维平面题库系统不同的是，该系统提供了一个虚拟的施工场景，场景中存在若干数量的习题板，习题板上包含了对题目的描述（图片、文字、视频等形式）以及若干选项。学生以第一人称视角在虚拟施工场景中进行浏览，在习题板前停留并进行作答。该系统包含训练和考核两种模式。

2.3 内容更新系统

内容更新系统主要包括自定义编辑模块和内容更新模块两个子模块。其中自定义编辑模块允许相关专业教师对系统中的教学内容进行修改和更新。内容更新模块会将教师的修改转换为自定义的序列化文件，然后将其和所依赖的资源上传到资源服务器中。用户在进入系统时，系统会自动进行版本校验，并从/2EGZKwt+uAAKWduJh+vaA==服务器上按需下载最新的教学资源。

3 虚拟仿真实验系统的特点

3.1 真实感虚拟仿真场景的构建

本系统基于Unity引擎的通用渲染管线进行开发，部署于PC客户端，在保证渲染质量的同时降低了对设备性能的要求。场景中的地形与模型均采用次世代建模流程制作，并使用基于物理的着色模型进行渲染[6]；对于相关专业施工设备，采用CAD图纸进行自动生成与参考建模，模型与贴图具有丰富的细节。本系统还使用了高质量的粒子特效（如烟尘、火焰、水流等）与后处理效果，与基于WebGL的虚拟仿真系统相比，具有更强的表现力和沉浸感。

3.2 系统自定义编辑与内容更新

常见的虚拟仿真培训系统都是高度定制且不可扩展的，其中的教学资源也不可迁移和复用，这导致系统开发完成之后难以维护和进行二次开发，用户也无法进行自定义修改。另外，相关专业教师基本不具备虚拟仿真系统教学资源的开发能力，因此后续教学资源只能继续定制更新，导致定制费用较高。

本系统针对上述问题设计开发了内容更新系统，该系统允许教师对已有的教学内容进行一定程度的自定义修改和编辑，提升了系统的可扩展性。我们对系统操作进行了简化，教师在经过简单培训之后可以快速掌握编辑工具的使用方法。不仅降低了定制教学资源的成本，也充分利用了教师的专业知识，提高其参与积极性。

4 基于虚拟仿真实验的安全施工教学改革

本系统在辽宁省交通高等专科学校道路与桥梁工程系进行了部署和应用，通过课堂教学和虚拟教学相结合的方式，取得了较好的教学效果，师生普遍反响良好。

基于虚拟仿真技术的实验系统具有部署成本低、可复制性强、安全性高等特点，在一定程度上解决了传统教学资源短缺、时空受限、实践环节难以开展等问题。同时通过计算机图形学技术、多媒体技术与人机交互技术等，使得教学环节从知识的单向传递变为理论和实践的双向互动，让教学环节变得更具吸引力，极大提高了学生的学习兴趣和积极性[7]。

本系统主要针对道路、桥梁以及隧道施工流程中的危险源识别进行安全教学，一般来说，需要进行安全施工教学的专业（例如土木工程，核工程等），本身便具有一定的危险性，其实践环节存在因操作不规范和突发情况导致危险发生的可能，因此在相关专业使用虚拟仿真实验的形式来进行安全教学是十分有前景和意义的。

5 结语

传统道路、桥梁及隧道施工安全教学具有场地稀缺、器材成本高、教学覆盖面窄等问题，通过本系统，学生可以不受时间和场地限制，在虚拟施工场景中以情景演绎的方式体验施工全流程中可能出现的危险源，并对其进行识别和学习，从而建立起对常见危险源的直观经验，为将来从事相关技术与管理工作奠定安全施工意识。本系统在一定程度上弥补了传统教学的缺陷，对教学资源进行了整合，实现了教学资源的互补。

本系统具有一定的可扩展性，允许专业教师对已有的教学资源进行自定义修改和编辑，并将内容更新推送到服务器中。在充分利用了教师的专业知识和积极性的同时，降低了定制教学资源的成本。

参考文献

[1] 崔钰婷，赵志群.虚拟现实技术对学生学习绩效的影响——基于59项实验或准实验研究的元分析[J].中国远程教育，2020（11）：59-67，77.

[2] 文锦琼，肖世维，青思含.虚拟仿真技术在高校不同学科中的应用[J].实验室科学，2020，23（2）：79-82，87.

[3] 尹隽，李路路，齐新雷，等.虚拟仿真教学系统学习效果的影响因素研究[J].现代教育技术，2022，32（1）：64-74.

[4] 惠存，海然，边亚东.土木工程施工安全虚拟仿真实验教学探究[J].实验室科学，2021，24（1）：127-131，134.

[5] 金文生.桥梁施工过程中危险源识别技术及评价研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[6] 赵梦琦.基于PBR流程的次世代写实游戏材质设计[D].湘潭：湘潭大学，2021.

[7] 黄涛，胡佳恒，付佩.虚拟仿真实验在材料力学课程教学改革中的应用研究[J].实验科学与技术，2022，20（1）：34-38，44.