虚拟现实技术在施工企业安全教育中的应用

张 颂 波

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)

随着我国经济稳步发展和基础设施建设投入增大，建设项目的规模越来越大，结构日益复杂，随之而来的生产事故发生率也不断提高，抓好安全生产是任何一家施工企业都必须长期坚持的一项重要发展理念。习近平总书记指出，“人命关天，发展决不能以牺牲人的生命为代价，这必须作为一条不可逾越的红线”，因此，提高企业生产管理水平，进一步落实企业安全生产的主体责任，确保安全形势总体受控，建立健全安全培训体系，把安全生产教育培训贯穿于生产经营的全过程是把安全生产主体责任落到实处的重要举措。

《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》(国办发(2017)19号)、《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》(2016—2020)和《建筑业发展“十三五”规划》(2016—2020)等政策纲领性文件明确要求建筑企业在施工生产环节必须坚持“安全第一、预防为主”的方针。随着建筑业的不断发展和转型升级的不断深化，加强工程质量安全管理，提高从业人员素质成为行业发展的迫切要求，对施工现场安全技术工人的安全专项能力、自我防护意识以及对安全事故的预防和处理能力也提出了更高的要求。

中共中央办公厅、国务院办公厅《关于促进移动互联网健康有序发展的意见》中强调：“加紧人工智能、虚拟现实、增强现实、微机电系统等新兴移动互联网关键技术布局，尽快实现部分前沿技术、颠覆性技术在全球率先取得突破。”因此本文依托建筑施工安全技能专项能力培训与鉴定设施设备项目，着眼于国内建筑行业发展新背景、新趋势，积极引导虚拟现实技术与安全教育培训深度结合，为建筑行业安全生产与健康发展贡献新的力量。

1 传统安全教育现状分析

以往，传统的安全教育一般都是以理论教学为主，或者播放一些典型安全事故图片、视频加以分析，以此来要求培训人员引以为戒。在这种情况下，首先理论教学本身枯燥乏味，培训人员只是被动的接受教学内容，难以提起培训人员的主动性和积极性；安全事故图片与视频分析往往也是事后总结，对于培训人员而言也往往是抱着事不关己的心态，最后沦为部分人茶余饭后的谈资。

其次，安全教育不同于工艺类的学习，无法去现场进行实训。工程当中的各类安全风险，如基坑坍塌、高空坠落、物体打击等一旦发生便是灾难，施工现场不具备对这些安全事故进行模拟与演练的条件，而虚拟现实技术恰好可以解决这一难题。

2 虚拟现实技术在施工安全教育中的优势

虚拟现实技术也被称为“沉浸式多媒体技术”，其目标是利用可视化技术及各种交互设备，通过影响视觉、听觉、触觉和嗅觉的感知来模拟与真实世界一样的虚拟世界，使人产生身临其境的感觉。虚拟现实技术的三个特性在施工安全教育中有着突出的优势：

1)沉浸性。通过虚拟现实技术创造出的虚拟场景，通过头盔使培训人员成为其中的一份子，仿佛置身于现实世界中。在其中不论是移动或是转头都会得到和现实世界极为接近的反馈。根据建构主义的观点，学习成功的关键在于主动性、社会性和情景性。虚拟现实技术的这种沉浸感为培训人员提供了一种有利于其知识建构的情景性[1]。

2)交互性。人机交互是虚拟现实的核心之一，通过利用手柄、数据手套等传感设备来模拟人体自身的各种肢体动作，就能与虚拟环境中的各种物体对象产生互动。再通过这类传感设备的力反馈技术，使操作者获得和触摸真实物体相同的力感以实现一种近乎自然的交互[2]。

3)想象性。可以使操作者在虚拟环境中与物体发生交互后，通过联想或逻辑推断，对接下去会发生什么进行想象的能力。所以只要整个虚拟环境的创建符合实际情况，那么操作者在交互完成后可能产生的后果都能符合真实现象的重现[3]。

3 项目概况

本项目以上海建工集团教育培训中心为实施场地(见图1)，作为上海建工集团高技能人才培养基地的主要教学点，上海建工集团教育培训中心承担了系统的人才培养工作，是建筑行业高技能人才成长的摇篮。

项目经费预算总额为1 178.12万元，由上海市人力资源和社会保障局资助400万元和企业自筹资金778.118 4万元两部分组成。主要用于实训设施设备添置和虚拟现实安全技能仿真实训系统的开发。

安全技能模块的建设分步实施，涵盖市政工程与建筑工程相关专业，从基础施工阶段、结构施工阶段、装饰施工阶段、钢结构施工阶段一直到安装施工阶段，每一个专业每一个阶段每一个工程需要掌握的安全技能都不尽相同。第一阶段致力于市政工程基础施工阶段深基坑工程作业现场的场景模拟与模块构建，系统推进针对上海建工集团施工生产一线员工在生产环节所必须具备的安全技能专项能力的培训与鉴定工作。

4 项目策划设计与实施方案

基于传统安全教育现状分析及虚拟现实技术在施工安全教育中的优势，本项目建设在硬件方面根据培训工位由60台高性能图形工作站(见图2)、60套头戴显示器和传感控制手柄(见图3)、1套仿真立体投影系统、2套五人小组VR协同交互硬件平台以及交换机、服务器等组成，硬件选择上均为国内外一流先进设备，力求创造出逼真的沉浸感。

配套的软件系统由一套仿真实训系统、一套多人适配交互软件系统及一套考试系统组成。其中，仿真实训系统包含了系统配置、系统管理、权限管理、预案引擎、事件触发等基本功能。培训课件分阶段实施，第一阶段为深基础工程安全模块(见图4)，以某个地下连续墙工程作为虚拟场景进行建设(见图5)，考虑到部分安全事故和工艺施工方法本身也有紧密联系，所以将整个施工工法进行细分拆解，从前期准备开始直至后期基坑开挖及支撑，在讲述工艺的同时，将每一阶段可能发生的安全隐患通过危险源识别、危险行为的预防及处理以及虚拟现实事故体验(如图6所示)等方式进行全方位教学与体验，借助虚拟现实技术展现出真实的施工现场，满足施工现场作业安全专项能力的培训需求。软件框架为全方位的开放式结构，以便于将来扩充功能，增加新课件和事故体验，易于升级、定制和集成。

除此之外，借助2套五人小组VR协同交互硬件平台(如图7所示)及多人适配交互软件系统构建出一套以5人为一组可共同进入同一个虚拟施工场景，每个人扮演不同的角色在场景中自由移动，共同开展安全隐患排查的协同互动系统。具体操作为，建立一个虚拟场景，在该场景中预先配置多个安全隐患，然后由最多5名培训人员通过头戴显示器同时进入该虚拟场景内进行安全隐患排查，在找到疑似安全隐患时，通过各自手中的传感控制手柄，进行交互操作，甄别记录，以类似于大家来找茬的方式让培训人员在实操中巩固所学所得。

考试系统包括资源管理、课件管理、题库管理、试卷管理、考试管理等多个模块，除了传统的试卷问答形式，还可通过虚拟现实技术进行实际操作考核，比如对虚拟场景中安全隐患的排查，对事故处理的演练等，以此来检验培训人员的培训成果。

5 项目绩效分析

贴合科学培训、绿色培训的宗旨，本项目在设施设备的添置上做到精简、典型与实用的原则。在施工现场模拟设计上具有唯一性和可推广性。用仿真实训设备进行操作实训，不仅降低投资成本，而且利用虚拟现实技术充分整合硬件实训和仿真实训的优点。

本次项目建设是为了更好地培养一线施工人员的安全技术水平，在操作规范和安全意识上有进一步的认识，为此根据不同施工阶段的特点开展培训，每批可培训60名一线操作人员。我们利用虚拟现实技术以实训为主，理论够用的任务引领培训模式，真正做到贴近实际的培训目的。自初步建成开发以来，已试运行180人次的安全教育培训，预计未来5年内，完成5 000人次的培训，实现培训人数逐年增长，为企业的高技能人才培训添砖加瓦。

6 结语

虚拟现实技术在安全教育方面是非常有价值的，这种全新的体验式教学，摒弃了传统说教式被动安全教育，不受场地限制的模拟真实环境中的安全事故，避免了材料、人工的浪费，大大降低了投入演练的时间成本，同时使体验者印象更加深刻，强化了体验者对安全事故的感性认识，在促进施工企业人员安全技能的学习中，优势显著，效果良好。

当然，虚拟现实技术在现阶段也依然有许多问题。在硬件层面，这几年设备分辨率虽然已经有了长足的进步，但是要带来足以以假乱真的超高画质依然有所欠缺。另外在力反馈技术上目前还只是主要依赖于视觉与听觉，触觉反馈及嗅觉反馈技术需要借助一些更先进的设备，这些设备产品较少，价格昂贵，经济性较差，这些都在一定程度上影响了沉浸式体验。在健康问题上，目前的头盔类设备戴久了容易使人劳累，长时间处于虚拟场景中会产生3D晕眩症，发生头晕恶心现象；在软件层面，配套的课件开发和资源设计技术门槛较高，开发团队需要同时具备对施工专业的了解，丰富软件开发的经验以及对教学内容及方法的理解和把握，这些都限制了虚拟现实技术在企业人才培训中的发展。但是我们有理由相信，随着硬件水平的不断发展、施工企业不断深化的转型升级以及对安全生产的迫切需求，虚拟现实技术在施工企业安全教育中的应用会拥有越来越广阔的前景。