BIMVR技术在路桥隧安全培训中的应用

乔奋义

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

虚拟现实建筑信息建模技术（Building Informa⁃tion Modeling Virtual Reality，缩写为BIMVR），是20 世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实即虚拟世界和现实世界：它是一个主要由用户的感官器官进行针对性创造的3D 世界。在该世界里，消除了时间与空间限制，计算机通过对用户的动作行为进行捕捉，及时且精准地在3D 世界里作出反馈，使用户认为自身仿佛置身于现实世界。BIMVR 由大量相关学科所组成，包括图形显示技术，人工智能，计算机仿真技术，定位、追踪与感应等先进技术，是由计算机作为平台或载体的高技术模拟系统［1］。该技术是伴随着科学技术的的巨大进步，相关软硬件技术的发展到一定的水平的基础上发展起来的。其中软件方面包括：BIMVR 显示技术、运动追踪技术（BIMVR 定位追踪技术）、眼球追踪预测技术、输入/输出交互技术、应用开发平台和工具（如OSBIMVR，SteamBIMVR）等；硬件方面包括：显示设备、高性能PC 主机、追踪系统、控制器。其中，BIMVR 显示设备是VR 研究的重点，当前VR 显示设备包括头戴式显示、换幕显示、全息投影及CAVE显示系统等［2］。

BIMVR技术依托于相关学科的发展，软硬件技术已经足够成熟与稳定，目前在教育、建筑工程、游戏、影视等方面已有广泛应用［3］。BIMVR 技术应用于建筑工程安全培训领域，尤其是危险性高的培训与演练领域，可以为学员提供多种非语言素材，文字、图形、图像、声音、动画有机地结合在虚拟环境中全方位、多视角地呈现在学员面前［4］，更加真实地还原训练场景，让学习者更加快速地掌握其所学技能［5］。

1 BIMVR技术安全培训的应用背景

根据国务院安委办、应急管理部要求，各企事业单位每年要开展符合自身生产特点的安全教育活动——全国“安全生产月”。相关政府机构或企事业单位等可对管理人员和一线员工引入BIMVR进行安全培训。

对于企业内部人员进行的安全教育、培训等系列活动，可以采取多种形式，在严格落实各项安全制度和专项方案的同时，引入BIMVR 针对性地开展自身特点的安全教育活动。

对于建筑工程、交通土建、地下工程、采矿工程等，对新员工采用BIMVR 进行安全培训，这种改进创新的安全培训模式，能够让新员工对工作中存在的风险进行预判，为入职后积极开展工作奠定基础。同时也可以鼓励老员工参与活动，积极接受安全教育，培育员工“知安全、会安全”的良好素质。最终提高职工的安全知识技能和事故预判、防范能力［6］。

2 BIMVR技术安全培训的创新点

BIMVR技术的独特创新之处主要体现在：现实世界虚拟化；通过视觉、听觉、触觉等感知系统，让人有种身临其境的感觉；实现人机交互，利用动作捕捉器、触觉接收器等将指令，通过计算机系统在虚拟世界得到即时反馈。BIMVR安全培训创新点主要有以下几方面：

2.1 打破多种限制，多样化培训

打破时空限制，实现高危场景培训。传统的安全教育很难达到预期的演练效果［7］，而BIMVR 技术可根据不同的工作环境还原真实的场景，如高空坠落伤害体验，电焊机触电伤害体验，支模系统坍塌体验，塔吊坠物体验，隧道突泥突水体验，隧道火灾爆炸灭火体验，路桥深基坑坍塌伤害体验，移动平台倾覆体验，溺水事故体验等。受训者可以通过视觉、听觉、触觉等全方位的体验，能够清晰地记住该作业下的操作要点以及安全隐患点，显著提高危机意识。特别对于高危险的工作场景，可以让受训者提前对重大安全隐患进行预判，做好心理准备，也可以让管理者对现场重大危险源进行预防性管控［8］。

2.2 激发受训者主动性

采取“情景式”+“体验式”的教育模式，依据现行工程规范、标准，建立现实工作环境场景，演练现场的高度仿真使受训者难辨真假，进而轻松理解、掌握安全知识与逃生技能。可以激发员工参与的兴致和热情，尤为新生代员工所欢迎。

2.3 降低培训成本

对新员工进行培训，利用BIMVR 技术提前将施工现场模拟出来，可以突破时间和空间的教学局限；能够随时进行事故体验，省时省力且经济高效；设备占用空间小，一间普通的教室即可满足场地需求。一次投入，无限次使用，能够进行持续、大规模的安全培训，比传统的培训方式更节省成本。

2.4 规避现场风险，培训效果显著

采用BIMVR 安全培训，可以规避事故隐患［9］，且辅以新科技，易于理解，有利于提高企业人员的认知，相比于传统口头的安全培训教育手段，培训效果更加明显。学习者独立且交互式参与到场景中，切身感受事故的严重性，达到深刻的教育效果，强化对安全事故的重视。

3 BIMVR技术制作流程

BIMVR 技术应用与安全培训分为全景拍摄与3D建模场景制作2 种情况，全景拍摄需要用到全景摄像头到实地进行拍摄，3D 建模则一般使用Unity3D、UE等软件进行3D 建模来构建虚拟场景，并在虚拟场景中设置全景镜头。主要制作流程如下：

3.1 全景拍摄制作流程

⑴方案的设计和策划，根据实际需求按照不同场景编制脚本。

⑵现场进行实地拍摄取材，得到全景图。

⑶对全景图进行处理，使其满足后期交互等制作要求。

⑷对处理过的全景图进行切图，制作动画片段。

⑸编写代码，将受训者的输入动作与场景动画进行交互。

⑹软硬件调试，系统试用及优化改进。

3.2 3D建模制作流程

⑴方案的设计和策划，编制脚本。

⑵场景模型的补充搭建和优化：场景搭建主要负责对三维模型和动画进行视觉和音效的渲染，并对场景加载和状态进行管理［10］。

⑶场景美术效果渲染设计制作：根据脚本建立3D模型。

⑷编写代码，将受训者的输入动作与场景模型动画进行交互。

⑸程序的调试与输出：软硬件调试，系统试用及优化改进。

4 应用与推广价值

针对建筑工程领域场景的应急培训演练，BIMVR具有先天的优势。广东建科院路桥所BIMVR 安全培训系统选取3 个实际案例，借助BIMVR 技术将3 个不同场景真实地呈现在受训者面前。让受训者真实地感知安全教育的意义所在。高空坠落、物体打击、车辆事故等常见事故具有极大的危险性，很难通过实际体验来感受。BIMVR 技术可以通过建立虚拟体验场景，结合全身体感设备，进行各种BIMVR 施工安全事故体验，贯穿各种安全防护救援知识，达到增强安全危险意识、提升应急处置能力的目的。

4.1 BIMVR安全培训的应用

广东建科院路桥所BIMVR 安全应急培训演练共分为3个场景，项目案例均来源于实际检测项目，具体如下：

4.1.1 高空坠落场景

桥梁检测高空落水BIMVR 体验。检测人员（受训者）由虚拟大厅选择高空落水场景进入➝拾取地上的安全帽、救生衣、水裤、安全带、建科易检设备➝检测人员移至水上平台并攀爬到平台顶部➝将安全带挂到工作台上➝水上平台移动到桥下指定位置➝检测人员开始梁底检测➝水上移动平台失稳导致几名检测人员悬空和落水➝岸上人员通过皮划艇进行施救➝心肺复苏溺水抢救➝安全警示语。BIMVR 模型及新员工入职安全培训现场情况如图1所示。

4.1.2 物体打击场景

图1 高处坠物模型及安全培训现场Fig.1 Model of Objects Falling from Height and Safety Training Site

隧道无损检测高空坠落、物体打击BIMVR 体验。检测人员（受训者）由虚拟大厅选择隧道无损检测高空坠落、物体打击场景进入➝拾取地上的安全帽、安全带、携带仪器➝检测人员移至作业区域并攀爬到脚手架平台顶部➝将安全带挂到工作台上➝开始隧道二衬强度回弹检测—不小心踢到活动平台的仪器盒，并伸手去抓，意外失去重心，撞向平台围栏，围栏脱落，检测人员失足坠落，安全带牵引停止下落➝仪器盒撞击到脚手架，飞向地面记录人员，记录人员正在记录数据，摔倒在地➝辅助检测人员进行紧急救治工作。BIMVR 模型及新员工入职安全培训现场情况如图2所示。

图2 物体打击模型及安全培训现场Fig.2 Object Strike Model and Safety Training Site

4.1.3 车辆事故场景

道路交通安全事故BIMVR 体验：检测人员（受训者）由虚拟大厅选择隧道无损检测高空坠落、物体打击场景进入➝拾取地上的安全帽、安全带、携带仪器并进入车内指定位置➝工作车辆在转弯处发生碰撞，导致后排检测人员受撞击昏迷➝未受伤人员进行现场抢救，包括车辆后方摆放警告标志牌、初步救治伤员、救护报警、事故报警、向主管人员汇报情况➝结尾出现警示语。BIMVR 模型及新员工入职安全培训现场情况如图3所示。

图3 车辆事故模型及安全培训现场Fig.3 Vehicle Accident Model and Safety Training Site

4.2 推广价值

BIMVR 技术安全培训具有较高的商用价值。主要体现在如下几方面：

⑴BIMVR 沉浸式体验，还原真实现场场景。可根据不同的需求，实现现实场景虚拟化，模拟高难度的施工场景，对施工人员提前预判可能风险提供帮助。

⑵培训对象多元化。对一些不参加现场一线工作的管理者、决策者，可以更加真实直观地了解现场的情况。为批准方案、计划增加佐证材料。

⑶可降低企业安全培训成本。根据需要制作培训系统后，可不限时间、空间进行安全培训；可用来代替知识讲座、参观交流、视频动画资料学习、现场实训等。

⑷将BIMVR 技术应用到建筑工程施工、设计、检测等领域，为项目参与人员提供可视化体验。

⑸可有效减少疫情期间不必要的接触。

5 结论

将BIMV 融合到建筑工程领域安全培训中，是一种全新高效的安全培训途径［11］。对于实现高难度培训场景、有效降低培训成本、提高培训效益方面具有明显的优势。尽管如此，但仍存在一些不足之处：如在BIMVR 安全培训中，缺乏面对面的指导，发现问题不能及时解答，部分学习项目只能通过实践项目操作，采用BIMVR 模拟训练有一定难度等［12］。这有待于互联网技术及BIMVR 相关学科技术的进一步发展。在科学技术日新月异的当代，我们期望BIMVR技术能够在建筑工程安全培训方面发挥更大作用，变得更加普及，大幅提高培训工作效率。