基于VR技术的安全培训体验系统

王攀

摘要    随着VR（虚拟现实）技术的日渐完善，各个行业也开始运用VR技术，解决行业难题。在安全培训领域，传统的说教式的培训方式培训由于体验互动少，培训效果不明显，而将VR技术引入到安全培训领域，并以其独特的沉浸感、交互性将安全培训的内容进行场景化体验，让体验者以第一人称视角在场景中真实操作、体验，深刻发生事故带来的痛苦感受，同时又能在互动体验中深刻记忆事故原因，防止事故再次发生，极大的提高安全培训效果。

【关键词】VR技术 虚拟现实 安全培训

随着社会整体生活质量水平的提升，大量的生产、制造、基建等行业发展迅速，随之带来的安全问题日益严重。从国内大量的安全事故案例调查报告原因分析来看，很多安全事故的发生是由于人员的不安全行为造成的。要想减少安全事故的发生率，最直接、最有效的手段是对作业人员进行安全培训教育，增强员工的安全意识，从而达到消除员工的不安全行为的目的。然而目前企业的安全培训基本上还是书本讲解的“灌输式培训”为主，在培训效果及效果的持久性方面还有待提高，很多复杂的工程施工事故无法再现，很难进行教学培训。单位的硬性培训费用投入很高，但是效果却并不明显。但是这一现状，将因为VR技术的大量落地应用而逐渐改善，VR技术的普及，将在安全培训领域开辟新的思路。

1 VR技术与安全培训的结合

VR全称为Virtual Reality，译为虚拟现实，虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的、三维动态视景和实体行为的系统仿真，并可以使用户沉浸到该环境中。真实模拟和感知是两个重要特征，它是目前计算技术的最前端应用。VR技术具有多感知性、沉浸感、交互性、构想性等特征。

将VR技术应用于安全培训中，通过3D建模1：1还原现场实景，在场景中集成常见易发的各类工程事故点，通过VR交互体验的方式，通过对常见安全事故的虚拟化、沉浸式体验，让从业人员亲身感受违规操作带来的危害，强化安全防范意识，熟练掌握安全操作技能，从而达到施工安全教育目的。

2 基于VR技术的安全培训体验系统功能

VR技术的安全培训体验系统可分为学习、体验、考试三个功能模块。

2.1 学习模式

在该模式下体验者可以学习各种安全管理规章制度、设备使用方法等各种视频、文档、课件等多媒体资源。

2.2 体验模式

在该模式下，体验者头戴VR头盔在虚拟场景中进行漫游与实时交互，让员工通过亲身体验了解事故发生过程以及事故原因，另外，还可以根据其危险程序，模拟可能造成的后果，让相关人员及时制定安全预防措施和人员庇护手段。

2.3 考试模式

在学习和体验完成后，学员可以结合学习的安全知识和体验深刻感受到的危险伤害，对安全知识进行一次考试总结，有利于学员对所培训的知识加深印象，同时也为单位记录了学员考试成绩，形成员工培训档案。

3 基于VR技术的安全培训体验系统的总体设计

3.1 系统总体架构

如图1所示，系统总体框架分为五层，各层次的说明如下：

基础层：软件搭载Window7及以上操作系统运行，需要.NetFramework提供运行支持。

引擎层：Unity引擎主要提供运行时的音频、动画、特效、渲染服务，Mono提供运行时库文件的执行调用服务。

套件层：SteamVR提供VR头盔设备正常运行所需要的驱动程序，VRToolKit直接访问SteamVR，为服务层提供控制VR头盔设备的接口。

服务层：为软件提供模块化管理，音频管理提供音频的播放、停止、混响、释放等功能服务;UI管理提供界面的初始化、打开与关闭、内容更新功能;玩家管理实现了体验场景时相关的事件触发时的处理逻辑;角色管理控制非玩家控制角色的动作执行、智能寻路、以及角色创建与销毁;场景管理控制体验的开始与结束，以及不同体验场景之间的切换、事故的发生时机。局域网数据同步是为分镜与主镜画面同步时提供传输数据服务。数据IO实现本地数据读写服务。

应用层：不同安全培训内容及安全事故体验的具体逻辑实现。

3.2 系统交互设计

系统的交互设计分以下三个步骤：

（1）对3D场景进行设计优化、搭建3D场景原型并细化（在Maya或3dMax完成）。

（2）设计交互流程，完成交互设计原型文档，分别把各个场景串起来，完成交互原型。

（3）用户交互：在场景中设置各种事故触发点，体验者在场景中体验时可通过VR手柄进行操作会触发各种事故的发生，如触电、

坠落、物体打击等。

3.3 系统软件设计流程

系统软件开发工具为Unity，编程语言为C#，开发流程如下：

（1）场景模型导入unity中，并进行检查和调整;

（2）创建角色动画;

（3）制作景区场景交互;

（4）创建行走相机并制作摄相机路径动画;

（5）制作系统的运行界面，包括背景界面元素、交互按钮和背景音乐的制作;

（6）加入视频、和Flash等媒体，并与模型、按钮进行交互的链接;

（7）體验事故触发交互编程;（8）程序打包生成用户可执行程序。

3.4 系统硬件

VR技术的应用与实现综合了三维图形处理、位置追踪、触觉或力觉反馈、人工智能等多种科学技术，其配套硬件设备主要以VR输出设备、VR输入设备、VR位置跟踪器设备、体感设备以及用于运算的计算机这四部分组成，整体实现“沉浸感、交互性、构想性”三大核心技术特征。

输出设备主要包括VR头盔、多声道耳机，实现视觉、听觉上的模拟。

输入设备主要是VR手持式操作手柄。

VR位置跟踪器主要为激光定位器，激光定位技术的基本原理就是在空间内安装数个可发射激光的装置，对空间发射横竖两个方向扫射的激光，被定位的物体上放置了多个激光感应接收器，通过计算两束光线到达定位物体的角度差，从而得到物体的三维坐标，物体在移动时三维坐标也会跟着变化，便得到了动作信息，完成动作的捕捉。

在VR体验系统中，除了视觉和听觉上的直观感受，为增加体验效果，可以用体感设备来增强用户实际的体验效果;体感设备一般为三自由度或六自由度运动电缸组成的动感运动座椅，主机和动感座椅之间通过UDP协议进行网络通信，主机发送指令控制多自由度运动电缸进行伸缩，以带动上平台支架动作，进而上平台支架带动上平台体验座椅动作，实配合程序现行走、坠落、晃动等动作，再加入各种传感器及设备可以实现触电、吹风、喷水、热风等特效，使得用户可以拥有逼真的临场体验感，增加VR体验的的沉浸感，加强了安全培训效果。如图2所示。

4 基于VR技术的安全培训体验系统的实际应用

在企业安全培训中，只需要占用培训教室几平方米的空间，然后需要一台满足VR运行配置的电脑及一套VR头盔设备就可以进行VR安全培训。首先连接好VR头盔和主机，打开系统软件，培训人员头戴VR头盔，用VR手柄进行操作，选择好要体验的项目后进入体验场景，在场景内可以以第一视角任意进行行走漫游，到达事故发生的地点，培訓人员可以触发事故发生，配合体感座椅实现坠落、震动、触电、大风、高温等特效，体验到事故发生带来的震撼伤害，同时还能以第三视角体验事故还原，总结事故发生原因，避免在以后的工作中发生类似的事故。目前该系统在建筑、路桥、地铁、煤矿等多个项目部进行了安装使用，只需要一次投入就可以反复使用，为企业安全培训提供了一种全新的方式，取得了较好的经济和社会效益。

5 结束语

基于VR技术的安全培训体验系统以现实安全培训为基础，基于沉浸式虚拟互动仿真技术搭建的虚拟场景，结合VR头盔实现了动态漫游，配合动感运动座椅可以直接体验各种安全事故，让体验者有更加逼真的感受，从而提高工人的安全意识，减少事故发生，提升了安全培训效果，降低了企业培训成本，真正让新科技推动安全生产。

参考文献

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[2]帅立国.虚拟现实及触觉交互技术：趋势与瓶颈[J].人民论坛·学术前沿，2016.

[3]赵鑫喆.浅谈三种VR空间定位技术[OL].中关村在线，2017.