虚拟现实技术在危化企业安全培训中应用的探讨

林建成

〔中石化森美(福建)石油有限公司三明分公司 福建三明 365000〕

虚拟现实技术在危化企业安全培训中应用的探讨

林建成

〔中石化森美(福建)石油有限公司三明分公司 福建三明 365000〕

在介绍了虚拟现实技术的概念、应用范围以及主要特征的前提下，重点介绍了虚拟现实技术在危化企业培训应用的主要内容：一是事故情景构建仿真；二是车间布局及环境建模仿真；三是设备安装检修直接作业环节仿真；四是安全隐患虚拟查找教学仿真；五是事故应急演练实训仿真。该技术在危化企业安全培训中的应用具有提升培训效果、节约时间和成本、增强安全可靠性以及丰富课堂教学形式等优势，为提高危化企业安全培训效果提供了新途径。

虚拟现实技术 危化企业 安全培训 应用 探讨

当前我国正在持续推进工业化、城镇化，生产规模不断扩大，自动化程度越来越高，安全生产面临新的隐患和威胁，各类事故的发生，使保障企业生产安全成为社会发展的核心问题之一，企业安全管理和安全培训工作是摆在危化企业面前非常重要的课题。传统的安全培训是通过理论学习和实际操作的方式完成，但由于一些特殊原因，造成培训时间较短，学员不能系统、深入地掌握必要的知识。同时，传统的实操教学不容易模拟演示特种设备的操作和发生事故后的处理流程，导致学员处理事故和操作技术只是理论先行，判断能力和处理能力得不到提高。重要的是有些设备在培训时具有一定的危险性，学员的安全得不到保障。随着计算机仿真技术和虚拟现实技术的快速发展，基于虚拟现实技术的三维培训为企业安全培训提供了一个先进、直观的新途径，已逐渐成为体验式安全培训的发展方向。

1 虚拟现实技术的概念及应用范围

虚拟现实技术(Virtual ReaIity)简称VR技术,是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。它与传统模拟技术完全不同的是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，而虚拟环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸，检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。

虚拟现实技术目前主要被应用在现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造( 含系统的虚拟设计) ，虚拟现实建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏和虚拟现实影视艺术等。

2 虚拟现实技术的主要特征

2.1 多感知性

指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能，但由于传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能还仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

2.2 沉浸感

指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到用户难辨真假的程度，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，看上去一切是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。

2.3 交互性

指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。 “参与者”可以利用视觉、听觉、 触觉、嗅觉和味觉等感官功能及对话、头部运动、眼睛移动、转身、拾取和放置物品等人类自然技能，对虚拟实体进行交互考察与操作的过程。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

2.4 构想性

又称为自主性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。 一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

3 VR技术在危化企业安全培训中的应用

基于VR技术的多方面优势，在危化企业的应用也逐渐推广和普及，应用前景广阔。虚拟现实仿真培训系统是结合培训科目需要制定的一种VR应用，是针对特定培训科目真实课件内容进行的3D数字内容的模拟开发，并借助3D虚拟环境或3D立体显示设备模拟一学科的训练环境、条件和流程，使培训者能够获得和真实世界一样或者相近的实训体验，起到替代或者部分替代实训效果的作用。就目前来看，在安全培训中应用VR技术主要有以下几个方面：

3.1 事故情景构建仿真

通过VR技术安全系统分析方法，利用相关软件模拟出形象可感的事故场景，包括灾害事故波及范围、时间、具体过程及影响情形等。比如，在爆炸仿真中，可以进行爆炸强度等级的设定，只需要在相关系统程序中将介质的温度、密度、压力及工况等相关参数输入进去，就能得到事故的最终危害结果。采用这种方式对事故模式及影响进行仿真，可使培训员工能够更加直观地了解事故的危险并减小亲临现场参加培训的危险。

3.2 车间布局及其环境建模仿真

对生产车间的环境及相关工艺流程等进行可视化建模仿真，通过头盔式显示器(VR眼镜)、位置跟踪器、数据手套和其他设备来实现虚拟车间的三维空间漫游。相关人员可以利用数据手套对各类系统阀门、开关及操作杆等进行操作，并对各类参数下的设备设施运转进行模拟操作，使得培训人员能在主要的虚拟情境中更快更准确地掌握并完成工艺流程及操作[1]，达到训练效果。

3.3 设备安装检修直接作业环节仿真

对设备安装检修中直接作业环节进行仿真，使得学员身临其境，摆脱了书本中不可触摸、不可感知的文字。同时解决了教学中无法提供实地观摩施工项目的困扰，各种设备器件的安装、维修过程及重点监管的直接作业环节都可以通过虚拟的设备来进行培训，使授课内容不再以空洞的说教为基础，而是以大量详实、生动、直观的虚拟情节出现，使寓教于乐成为教学的主要方式。

3.4 安全隐患虚拟查找教学仿真

作为危险化学品从业人员，深入作业现场检查是工作的重要组成部分。但由于现场安全隐患的呈现方式千差万别，不同行业企业又有不同的安全隐患，如果仅凭借书本知识，很难真正落实对生产现场的实际检查。利用VR技术模拟构建针对安全检查人员的虚拟仿真培训系统，将不同的安全隐患场景、案件发生经过真实场面逼真模拟或者还原，通过手去触摸、拖拽显示器界面内容来转换视角，可360度无死角地观察环境，有立体感地查找安全隐患，系统还可以进行提示性操作，模拟不易查找的事故隐患，让学员深刻了解日常生活中的安全隐患，如果不采取措施后果的严重性就会展现在面前。

3.5 事故应急演练实训仿真

利用VR技术构建各类突发事故应急场景模拟系统，让学员在逼真的环境(如火灾、爆炸、泄漏和恐怖等)中应对处置。系统可以对事故成因、发展及应急处置等数据进行完全模拟仿真，能够根据学员处置演练动作给予及时场景反馈，摆脱演练场景靠想象的传统方式。由学员控制相应角色，完成事故应急处理或作业过程，系统界面会显示在培训过程中学员选择错误的地方，根据提示再进行相应的培训。培训完成后，学员还要进行复盘提升，包括小组自评互评、回放录像、专家点评补充、规范应急流程、规范演练展示、补充完善6个组织环节。通过复盘讨论、回放演练录像，查找演练中的不足，提高学员的应急处置水平。

4 虚拟现实技术在安全培训中的优势

4.1 提升培训效果

借助于虚拟场景和相应的设备模拟展现出真实的情景，允许学员直接观察事物变化，操作虚拟设备，检测实验环境，使得学员在学习、实验过程中产生与真实环境相同的感受，使培训过程变得生动、形象，易于理解和操作，提高实际工作技能。

4.2 节省时间和成本

VR技术使实验环境、实验设备、数据采集与处理都由计算机进行，实验采用软硬件结合，可以反复、多次进行，不受人数限制，极大地提升了实验设备功能的多样化和设备利用率。通过建立虚拟仿真实训系统可以大大降低培训成本，使学员在短时间内获得更多的实践经验，达到更好的培训效果。

4.3 增强安全可靠性

某些传统的实训项目由于学员的失误会产生一些不良的危害，比如一些危险性演练、破坏性实验等等，这些危害包括对学员自身的或者对环境的。使用虚拟仿真培训可以很好地避免这些问题，从而使学员在安全的状态下更好地完成学习认知的任务，提升培训效果。

4.4 丰富课堂教学形式

对在培训教学过程中难以演示的部分，无法通过口述或一些非直观的演示来完成，讲师可通过虚拟现实技术制作相应的实验内容来满足实际的教学需求[2]，摆脱培训对客观实物的依赖。

5 结语

虚拟现实仿真培训系统通过逼真模拟培训科目的训练环境、条件和流程，使学员能够获得和真实世界一样或者相近的实训体验，达到替代或者部分替代实训效果的作用。自2016年以来，借助虚拟现实技术建立安全实训基地和仿真模拟培训基地已经成为危险化学品企业安全管理及安全培训的迫切需要和发展趋势，虚拟现实仿真培训系统能够有效解决现有安全培训过程管理不严、质量不能保证的问题。同时能够降低培训成本、实操考试成本及实操安全风险等，进而实现危险化学品从业人员能够经常接受安全培训，强化安全管理意识及安全管理能力，更好地搞好安全生产，造福于企业，造福于社会。

[1] 常锦，时小娟.分析虚拟现实技术在危化企业安全培训中的应用[J].科技风，2013，101(2)：115.

[2] 白晟.虚拟仿真实训系统在教育领域中的应用[J].科技展望，2016, 25(12)：171.

2017-01-20。

林建成(1984-)，男，福建省莆田人，2007年毕业于福州大学数学与计算机科学学院，软件工程专业，工程师，现从事加油站安全管理工作。