基于VR的交通建设工程施工安全教育系统开发

朱进玉，汪贵平，关丽敏，李 立，雷 旭

（长安大学 电子与控制工程学院，西安 710064）

交通建设工程施工中存在较多威胁安全生的事故隐患，国家和建设企业高度重视对施工人员的安全教育培训工作[1]。目前的施工安全教育[2]主要采取2 种方式：聘用实践经验丰富、专业素质和职业道德水平较高的施工人员，对受训者进行口头培训[3]；利用施工现场条件搭建实体场景，通过受训者的实地体验和操作增强其安全意识。然而，前者“口传身教”的培训模式，难以为受训者提供贴近施工现场真实情况的培训环境，使其“身临其境”，后者则要求受训者具备一定的建筑常识和施工经验。因此，在新进施工人员普遍文化程度较低、安全意识较差的情况下，2 种模式的实际培训效果均差强人意[4]。

虚拟现实VR 技术[5-6]通过集成计算机图形、计算机仿真、人工智能及网络并行处理等技术，利用计算机定义和模拟一个三维空间的虚拟世界，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统[7]。与其他可视化技术不同，VR 技术具有沉浸性、交互性和构想性等特征[8]。

针对目前交通建筑工地施工的主要安全隐患，在此基于VR 技术设计开发了施工安全教育系统。以国家相关主管部门颁布的安全规范为标准设计理论知识体系，进而采用VR 技术模拟桥梁、道路和隧道施工现实的场景和险情，使得受训者通过VR系统体验施工过程中的各种潜在危险[9]，并了解相应的防范知识及应急措施。

1 交通建设工程施工安全教育系统

交通建设工程施工VR 安全教育系统主要包括理论知识学习及考核系统和VR 系统。系统组成如图1所示。

图1 系统组成Fig.1 System composition

理论知识学习及考核系统主要完成受训者签到、理论知识学习培训和培训后考核等功能；VR 系统主要为受训者提供交通建设工程施工虚拟场景、虚拟危险源和虚拟处置环境，达到施工安全教育的目的。

2 理论知识学习及考核系统

施工安全教育的目的，在于让受训者更好地掌握在施工中所注意的事项以及预防对策。

理论知识学习及考核系统利用身份证阅读器采集受训者的签到信息，完成签到后即进行施工安全理论知识学习。学习内容主要分为桥梁施工安全、道路施工安全、隧道施工安全等3 个部分；每个部分又包括施工安全基础知识、危险源、安全指南、事故应急措施等内容。在受训者完成理论知识学习以后，即可进行理论知识学习情况的考核。

3 VR 安全教育系统设计

施工人员、管理人员经过安全知识的理论培训和考核以后，再通过VR 系统体验虚拟场景。为了加深受训者对施工安全理论知识的理解，在此设计了桥梁施工、道路施工、隧道施工等3 类VR 安全教育子系统，受训者能够使用头戴设备、操作手柄、振动台等VR 硬件设施观察和参与虚拟施工。VR 系统设计分为硬件和软件2 部分。

3.1 硬件设计

VR 系统的硬件部分主要包括能够满足系统运行要求的高性能计算机、VIVE 头戴设备、手柄、串流盒、显示器、视频分配单元等。硬件的连接及系统实物如图2和图3所示。此外，为了提示受训者重点安全场景并增强体验，在体验区下方设计有振动台系统，可以根据VR 系统音频信号在振动台上引发同步振动，让受训者能够真实体验到事故发生时的强烈震撼感，从而加强受训者的安全意识。

图2 硬件连接Fig.2 Hardware connection

图3 VR 系统实物Fig.3 VR system object

由图3 可见，VR 头戴设备悬挂于墙壁两侧，定位器按照房间对角线上端以覆盖整个房间范围，显示器实时显示主头戴设备当前画面。驱动VR 操作系统的左侧机柜包含有工业计算机、串流盒、视频分配单元、UPS 等部件；用于控制振动台系统的右侧机柜包含有微型工控机、音频分配单元、功率驱动单元等部件。实际施工中通常需要较多的受训者同时参加教育培训，而现有的VR 系统运行时1 台计算机只能驱动1 套VR 设备，致使培训效率较低。对此，设计了1 台计算机可以同时驱动多套VR 设备的VR安全教育系统，培训效率大幅提高。

3.2 软件设计

VR 系统软件包括施工安全教育场景三维模型库建立、贴图渲染优化和交互功能实现等3 部分。

场景模型库在3Ds Max 中对相关设备及场景进行三维模型构建和优化。人物模型和场景模型的建立过程如图4所示。

图4 3Ds Max 中人物以及场景基本模型的构建Fig.4 Construction of the basic model of characters and scenes in 3Ds Max

贴图渲染的主要目的是增强场景的真实性[10]。具体实现步骤如下：

步骤1利用 EI-shayalSmart 软件链接GoogleEarth，截取GoogleEarth 中的卫星图，将截取的所有目标区域.jpg 卫星图片导入到GlobalMapper中，选择UTM 生成光栅图像（.bmp），该文件中包含目标区域的经纬度以及海拔高度；

步骤2根据GlobalMapper 中所获得经纬度数据下载已有DEMO 数据，将下载的DEMO 数据再次导入到GlobalMapper 中输出高程网格模式，利用经纬度再次确定目标地形，并测量最终地形的长宽以及海拔高度；

步骤3在Worldmachine 中导入DEMO 数据与卫星图，导出最终所需要的地形贴图及法线贴图；

步骤4在Unity 3D 中导入地形高程图及贴图和法线贴图[11]。如图5所示。

图5 Unity 3D 中导入地形Fig.5 Importing terrain in unity 3D

系统交互功能主要通过受训者通过VR 手柄的不同姿态及不同按键功能实现。具体实现步骤如下：

步骤1使用VRTK_Interact Touch 脚本实现手柄碰触物体触发事件。

步骤2使用VRTK_Interact Grab 脚本实现抓取功能。

步骤3使用VRTK_Bezier Pointer 脚本实现瞬移功能，按下手柄面板的按键，松开之后将瞬移至前方弧线终点位置处。

基于上述软件系统，VR 系统可以实现图6所示功能。其中，主菜单有3 种施工场景可供选择，即桥梁施工场景、道路施工场景、隧道施工场景，还有进一步细化的17 个具体场景。进入菜单页面，扣动手柄扳机，即可选择培训场景。

4 体验实例

在此，以桥梁火灾安全教育为实例，介绍具体场景的构建和体验过程，其真实环境与虚拟场景如图7所示。

步骤1使用VRTK_Interact Touch 脚本实现手柄碰触物体触发事件功能。进入程序主界面后，通过手柄碰触主界面中的3 个施工场景虚拟球，如选择桥梁施工，然后扣动手柄扳机键，选择火灾和消防场景。

图6 VR 系统功能Fig.6 Function of VR system

图7 VR 火灾场景Fig.7 VR fire scene

步骤2进入该场景后，使用VRTK_Bezier Pointer 脚本的瞬移功能，行进至仓库内，2 s 后触发起火点起火，火焰由小逐渐变大。

步骤3使用VRTK_Interact Grab 脚本实现抓取功能。火焰较小时受训者可以拿起灭火器灭火，灭火时，开始语音加文字提示：“请拿起手中的灭火器，扣动扳机键拔出保险销”，受训者扣动扳机键后，执行保险销拔出脱落的动画。

步骤4继续语音加文字提示：“请对准起火点，扣动扳机键开始灭火”，当受训者灭掉身边的火焰后，2 s 后切换到主场景。

步骤5当起火点火焰较大时，语音加文字提示：“火势失控，3 s 后必须离开失火现场”，同时地面出现提醒受训者至逃生门的绿色指示箭头（消防灯闪烁，警铃报警，逃生指示灯亮起）。此时受训者选择逃生，使用VRTK_Bezier Pointer 脚本的瞬移功能，按照绿色指示箭头所指方向逃离现场。

步骤6受训者选择消防逃生后，3 s 后使用VRTK_Bezier Pointer 脚本功能，将受训者缓慢传送出逃生门，并语音加文字提示：“逃生成功”。

5 结语

安全生产教育是交通建设工程施工组织过程中必不可少的环节，传统的施工安全教育效果无法令人满意。文中融合VR 技术与施工安全理论教育，不但降低施工安全实训基地的建设成本，而且可较大程度地提高参与受训者的主动性，保障安全教育过程人员的安全。所设计的VR 系统解决了普遍存在的1 台计算机服务1 套VR 设备的技术难题，可以实现1 台主机同时驱动多个VR 设备，大幅提高了培训效率。该系统经过实际使用取得了良好的效果，具有较强的现实意义和经济意义。