BIM+VR 技术在铁路营业线施工安全实景化培训中的研究与应用

郑海鹏

（中国铁路济南局集团有限公司，山东济南 250001）

营业线施工安全是铁路施工安全管理工作的重中之重。通过开展培训工作，提高培训效果，确保培训质量，是提升营业线施工管理人员、作业人员安全业务素质主要途径之一。按照《铁路营业线施工安全管理办法》（铁运[2012] 280号）规定，营业线施工人员必须经培训考试合格后上岗。该规定颁布后，全路培训学员数以万计，为确保铁路营业线施工安全发挥了较好作用。但是，传统的管理措施和技术手段对培训质量、效率的提高有限，因此，研究新的培训理念，探索现代培训技术，提高培训质量、效率，对有力把控施工安全和铁路运输安全非常必要。

1 以 BIM+VR 技术为承载的实景化教学

1.1 BIM 和 VR 技术

BIM即“建筑信息模型”（Building Information Modelling），是以三维数字技术为基础，集成了工程项目各种相关信息的工程数据模型。BIM具有可视化、协调性、模拟性、信息完备性、优化性和可出图性的特征。

VR即“虚拟现实技术”（Virtual Reality），集计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。VR具有沉浸性、交互性、多感知性、构想性和自主性的特征。

1.2 实景化教学

实景化教学是指营造具有工作氛围的场景，把课堂搬到真实的工作场景中，以达到优异的教学效果。该概念的前身包括“实景视频教学”“信息技术教学”“多媒体教学”“实训教学”和“实景实战教学”等。随着计算机技术和互联网技术的发展，这些概念相互发生交叉和渗透。

1.3 基于 BIM+VR 技术的实景化教学

笔者将实景化教学和BIM、VR 技术相融合，提出基于BIM+VR 技术的实景化教学理念并加以实践，“课堂”即“现场”，以实现更好的培训效果，更加直观、精准、优质高效地做好具有内容复杂、关联性强、实践要求高等特点的培训工作。基于培训需求，以BIM模型可视化为基础，利用BIM的模拟性、信息完备性等特性，通过VR技术在BIM三维模型基础上强化可视性和具象性，提供沉浸式体验和人机交互，最终实现虚拟实景化工作场景建立和沉浸式参与体验。同时，由于BIM的可出图性，其输出的三维图纸为实训教学实景化场地建设提供了参考和依据。

2 实景化培训平台

笔者提出并组织开展了铁路建设项目营业线施工安全实景化培训课题研究，运用研究成果，组织研发并应用铁路建设项目营业线施工安全实景化培训平台（以下简称“平台”），用于课堂虚拟实景化教学。

平台基于VR技术人机交互手段，结合 BIM+GIS技术，建立包含三站两区间的铁路三维模型，主要包含基础教育警示室模块、实景化教学模块和实景案例模块。同时，平台使用的三站两区间铁路三维模型中部分场景是对今后实训场地规划建设的前期BIM 设计，旨在形成课堂虚拟实景化授课、因地制宜开展实训的全过程实景化培训模式。

2.1 基础教育警示室模块

基础教育警示室模块分为3个子模块：基础教育室、警示教育室和行车模拟。

2.1.1 基础教育室子模块

以基础教育室为例（图1），该子模块将铁路建设项目涉及的防护信号及防护设施等形状和标准纳入虚拟模块中进行等比例显示，让培训学员更加直观地认识和掌握营业线施工安全防护信号、防护设施的名称、用途及标准。通过点击展品，可出现对展品的介绍和相关规定。VR沉浸式学习功能，既可以通过导航键盘自由地在室内行走，也可以通过穿戴VR设备，进行VR体验式学习。

2.1.2 警示教育室子模块

将不同类型具有典型性的警示教育案例，分门别类地纳入相应案例板块，分析案例原因、存在问题以及防范措施等，图文并茂地对培训学员进行警示教育，让培训学员真正吸取案例教训，提高施工安全防范意识，进一步促进培训学员形成执行作业标准化的主动性和自觉性。

此外，警示教育室设置了警示案例VR体验区，培训学员穿戴上VR设备，按照引导点击进入模拟状态，即可进入设定好的警示案例场景，通过虚拟现实技术切身感受案例带来的警示效果。

2.1.3 行车模拟子模块

模拟列车行车过程，完成从站内发车、经过施工区域、曲线视线不良区域、通过隧道、桥梁施工慢行、通过站场等情形，实景化地展现出营业线施工中各种常见施工条件和情形。同时也对施工人员进行必要的铁路行车知识教育。

2.2 实景化教学模块

实景化教学模块分为3个子模块：营业线施工防护、施工计划与登销记、邻近营业线施工。

2.2.1 营业线施工防护子模块

按照普速铁路和高速铁路分类，主要内容包含防护信号和标志基本常识、防护基本要求、移动停车信号防护（图2）、移动减速信号防护等内容。通过虚拟实景化动态演示，更加直观地给学员身临其境的培训环境，防护员站位、手持信号、各种距离规定等现场情况一目了然。

图1 基础教育室

图2 移动停车信号防护

2.2.2 施工计划与登销记子模块

施工计划与登销记子模块主要包含铁路行车知识、施工方案与施工计划、施工登销记等内容。通过虚拟实景化演示接发列车、对铁路行车室全景展示（图3）、基础知识讲解与施工案例和流程融合等，帮助学员真实直观掌握列车和调车进路排列、显示等行车知识，规范标准通知现场，保证施工行车和人身安全。结合营业线施工方案编制与审查、施工计划管理与审批等实践案例，进行理论与实践并重的全面培训。

2.2.3 邻近营业线施工子模块

邻近营业线施工子模块主要包含邻近营业线施工制度要求、施工类别划分、施工方案及计划管理、施工安全监控重点等内容。通过虚拟实景化综合应用，帮助学员直观地学习邻近营业线施工的管理要求、流程和实施要点、安全重点，切实提高学员对邻近营业线施工安全的管控能力。

2.3 实景案例模块

依托建立的平台模型，以一次全过程施工案例为承载，通过施工模拟、列车运行模拟、动画图片展示、语音应答（图4）等形式，按照施工程序串连起营业线施工方案和计划、施工过程、现场控制、施工登销记等教学内容，实现理论教学与实践教学有机结合，使学员易学、易懂，易理解、易记忆。模拟现场、还原实景，实现传统教学模式向实景教学模式的创新转变。

3 BIM+VR 实景化培训应用成效

（1）创新了基于BIM+VR技术在培训领域的新应用。铁路营业线施工安全实景化培训研究，是工程、培训、BIM信息化的多学科综合性研究。BIM技术在培训中的应用主要体现在：BIM的可视化应用，以BIM模型为基础实现虚拟现实展现；BIM的结构数据应用，将培训内容写入BIM模型并加以展现；BIM平台集成化应用，探索了基于同一BIM平台下多专业培训内容综合展示。通过研究和实践，证明了BIM+VR技术在教育培训中的广泛应用前景。

（2）通过虚拟实景化手段全方位增强了教与学的效果。将各教学板块内容融入到同一个实景化虚拟模型中，再以完整综合施工案例为承载，起到3个“增强”：①增强了专业理论和实践之间的联系，研究过程也是对授课内容的虚拟实践过程；②增强了各专业之间结合部知识的梳理，即在同一虚拟环境下，在做好本专业内容同时，深化关联专业内容研究，使各专业之间衔接联动更加紧密；③增强了确保营业线施工安全的保障。实景化施工案例全过程研究，也是真实施工的沙盘演练，施工过程串连起培训内容，真正帮助学员做到学以致用。

（3）基于BIM+VR技术的实景化培训大幅提升教育质量水平。平台基于 BIM+VR 技术，建立包含三站两区间的铁路三维模型，通过具体3个模块8个子模块136个知识项点，全面满足了营业线施工安全培训需求，实现了虚拟实景化教学培训效果。实景化培训平台应用后，已累计培训施工人员1 000余人次，一次性培训通过率同比、环比均提高20%以上，经检验，实景化培训平台切实提高了建设项目营业线施工安全培训质量。

图3 铁路行车室全景展示

图4 虚拟现场动态演示与同步语音联络示例

4 结语

通过对BIM+VR技术在铁路营业线施工安全实景化培训中的研究，建立了国内第一个用于营业线施工安全培训的实景化平台。经培训实践检验，切实提高了营业线施工安全培训质量，创新性的帮助学员实现学以致用，为保障营业线施工安全发挥了更好作用。

BIM+VR技术的实景化培训研究和应用从很大程度上创新示范和引领了新的培训模式。未来，基于BIM+VR技术的实景化培训将发挥更突出的作用，社会效益、经济效益将更加显著。