朱云峰，張 峰，韓樹河

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

1 交通運(yùn)輸應(yīng)用VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是重要的服務(wù)性行業(yè)，具有系統(tǒng)龐大、范圍廣、領(lǐng)域多、參與人員多的特點(diǎn)，被列為高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)進(jìn)行管理。一直以來(lái)，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及政府高度重視交通運(yùn)輸安全生產(chǎn)工作，雖然總體形勢(shì)穩(wěn)定，但其安全生產(chǎn)事故總量仍居高不下[1]。同時(shí)，交通運(yùn)輸行業(yè)當(dāng)前仍呈高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，運(yùn)輸市場(chǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)加快，新的業(yè)態(tài)、新的運(yùn)輸方式不斷涌現(xiàn)，發(fā)生交通運(yùn)輸事故的可能性和突發(fā)性還將長(zhǎng)期存在，安全生產(chǎn)工作面臨許多挑戰(zhàn)，從業(yè)人員素質(zhì)整體不高就是挑戰(zhàn)之一。

本文運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)等先進(jìn)技術(shù)手段，借助網(wǎng)龍華漁101VR編輯器(平臺(tái))，建立一系列交通行業(yè)安全教育培訓(xùn)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于VR的沉浸式安全培訓(xùn)系統(tǒng)及相關(guān)課程。綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)與現(xiàn)代化手段，打破時(shí)間、空間、環(huán)境的限定，打造具有高度交互和體驗(yàn)的安全培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)身臨其境的沉浸式教育，全方位地開展安全培訓(xùn)與教育。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，優(yōu)化教育培訓(xùn)模式，降低培訓(xùn)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備的需求以及培訓(xùn)潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)綠色培訓(xùn)、分散式培訓(xùn)和實(shí)時(shí)培訓(xùn)，減少培訓(xùn)損耗，提高培訓(xùn)的效率。

2 VR技術(shù)概述

VR技術(shù)借助傳感、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等高新技術(shù)，結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的、多樣化、沉浸式人機(jī)交互體驗(yàn)環(huán)境，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性(自主性)3個(gè)主要特點(diǎn)。將VR技術(shù)與現(xiàn)實(shí)需要相結(jié)合，創(chuàng)建多維度虛擬信息空間，高度還原真實(shí)場(chǎng)景，增加體驗(yàn)者的臨場(chǎng)感(沉浸性)；利用頭戴式VR眼鏡(頭盔)、控制手柄、步移器等感知控制設(shè)備，通過(guò)感知控制，增加體驗(yàn)者的交互操作；利用合理的場(chǎng)景布置、關(guān)卡設(shè)計(jì)，通過(guò)體驗(yàn)者在虛擬空間的自主感知和認(rèn)知，在體驗(yàn)過(guò)程中增加獲取知識(shí)的主觀能動(dòng)性。因此，VR技術(shù)能夠較好地服務(wù)于行業(yè)技能培訓(xùn)，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景、多應(yīng)用；能夠高度模擬還原現(xiàn)實(shí)生活中難以重現(xiàn)的真實(shí)事故場(chǎng)景；能夠?qū)⒔虒W(xué)與交互操作有效融合，實(shí)現(xiàn)分步教學(xué)、細(xì)節(jié)演示、重點(diǎn)凸顯等教學(xué)培訓(xùn)設(shè)計(jì)。

3 基于VR技術(shù)的交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)分析交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)所需內(nèi)容，有針對(duì)性地選取需要且適合用VR技術(shù)仿真的安全培訓(xùn)內(nèi)容及課程。利用3DSMAX，MAYA，Unity3D等建模和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，設(shè)計(jì)、制作相關(guān)培訓(xùn)場(chǎng)景；借助網(wǎng)龍華漁101VR資源庫(kù)及平臺(tái)搭建虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)平臺(tái)。

3.1 VR系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)VR系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)主要包括：模擬場(chǎng)景、數(shù)據(jù)庫(kù)、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、VR虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)。其中，模擬場(chǎng)景主要包括實(shí)物模擬場(chǎng)景和虛擬模型場(chǎng)景；數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括虛擬場(chǎng)景資源庫(kù)、培訓(xùn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)；輸入設(shè)備主要包括VR手柄、VR空間自由移動(dòng)平臺(tái)等傳感設(shè)備；輸出設(shè)備主要包括VR眼鏡、LED屏等、燈光、音頻輸出設(shè)備等；VR虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)為網(wǎng)龍華漁101VR虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)、相關(guān)建模軟件等。VR系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于VR的交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)

3.2 培訓(xùn)課程的開發(fā)

交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)，主要針對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)涉及的安全隱患及防范進(jìn)行設(shè)計(jì)、組織與實(shí)施。培訓(xùn)工作圍繞VR培訓(xùn)系統(tǒng)，主要從培訓(xùn)方案制定、場(chǎng)景設(shè)定、培訓(xùn)實(shí)施、結(jié)果反饋4個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)涉及的安全隱患及防范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、組織與實(shí)施。主要的培訓(xùn)課程分為安全體驗(yàn)課程和模擬實(shí)操課程兩個(gè)部分。

3.2.1 安全體驗(yàn)課程的開發(fā)

單場(chǎng)景安全體驗(yàn)課程設(shè)計(jì)目的是通過(guò)場(chǎng)景還原、事件重演，讓體驗(yàn)者切身體驗(yàn)實(shí)際事故發(fā)生場(chǎng)景，并從中反思、分析、研判事故的原因、應(yīng)對(duì)措施以及防范方法。

根據(jù)具體的交通運(yùn)輸行業(yè)事故案例和現(xiàn)有調(diào)研、利用VR技術(shù)、基于101虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開發(fā)的安全體驗(yàn)課程主要有：貨物堆場(chǎng)高處墜物事故VR體驗(yàn)、LNG碼頭燃爆事故VR體驗(yàn)、貨車?yán)|繩鞭打VR體驗(yàn)、滿載重型貨車追尾VR體驗(yàn)等重點(diǎn)事故或情景的VR體驗(yàn)課程、觸電傷害VR體驗(yàn)、火災(zāi)傷害VR體驗(yàn)項(xiàng)目、安全帽佩戴VR體驗(yàn)等。課程開發(fā)注重對(duì)視覺、聽覺、觸覺等感官的調(diào)用，強(qiáng)化參訓(xùn)人員對(duì)于安全事故的感性認(rèn)知，具有明確的警示與潛移默化的正向引導(dǎo)作用。在體驗(yàn)課程中，采用第一人稱多視角觀察的手段，結(jié)合圖文、語(yǔ)音等方式描述事故發(fā)生的原因以及防范方案，有利于激發(fā)參訓(xùn)人員的主觀能動(dòng)性，提升學(xué)習(xí)的效率與效果。

3.2.2 模擬實(shí)操課程的開發(fā)

除了安全體驗(yàn)課程的基本功能之外，交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)還應(yīng)具備具有交互的功能。通過(guò)模虛擬仿真技術(shù)，引導(dǎo)人員按照技術(shù)規(guī)范有序開展實(shí)操演練。模擬實(shí)操課程根據(jù)道路運(yùn)輸、港口碼頭等復(fù)雜工作環(huán)境，建立包括油庫(kù)、配電間、辦公室、車輛、裝卸臺(tái)、宿舍等區(qū)域的消防滅火VR模擬實(shí)操課程和?；沸孤?、塌方等應(yīng)急處置VR模擬實(shí)操課程等。

模擬實(shí)操課程的開發(fā)過(guò)程中，以101VR平臺(tái)為依托，采用模擬仿真操作的方式，將操作達(dá)標(biāo)率作為參訓(xùn)人員操作效果的評(píng)估要素，根據(jù)各領(lǐng)域主要作業(yè)環(huán)節(jié)，設(shè)立“關(guān)鍵設(shè)備安裝”“安全隱患排查”“突發(fā)事件處理”等闖關(guān)模式，通過(guò)設(shè)定不同安全防范級(jí)別，增加不同的安全操作環(huán)節(jié)以及安全隱患排查點(diǎn)，讓參訓(xùn)人員通過(guò)逐級(jí)闖關(guān)的方式，模擬安全作業(yè)、隱患排查、應(yīng)急處置等安全作業(yè)，達(dá)到參訓(xùn)人員熟練操作技能、增強(qiáng)主動(dòng)安全意識(shí)的目標(biāo)[2-3]。同時(shí)，闖關(guān)模式也實(shí)現(xiàn)了對(duì)參訓(xùn)人員安全作業(yè)水平等級(jí)進(jìn)行考核的目的，為安全培訓(xùn)的學(xué)時(shí)、學(xué)分積累和學(xué)歷資格認(rèn)證提供了有效的參考。

3.3 具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地、101VR平臺(tái)，從增加參訓(xùn)人員的代入感、臨場(chǎng)感、視覺感官認(rèn)知、觸覺感官認(rèn)知等方面出發(fā)，選取相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“沉浸”式互動(dòng)效果。

3.3.1 實(shí)物場(chǎng)景的布置與搭建

本項(xiàng)目所有實(shí)景場(chǎng)地的空間范圍是16 m×9.6 m×4.5 m，主要模型的實(shí)物場(chǎng)景可以根據(jù)不同主題進(jìn)行快速布展。主要圍繞安全教育主題，根據(jù)具體案例，利用實(shí)物模型、圖文展板、影視資料展示等，展現(xiàn)安全事故的部分現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

構(gòu)建現(xiàn)實(shí)教學(xué)場(chǎng)景，能夠讓參訓(xùn)人員身臨其境，增強(qiáng)代入感。實(shí)物場(chǎng)景的具體布展注重的是效果真實(shí)與拆建簡(jiǎn)易，可以利用背景畫布、雕刻板拼接模型等素材模擬場(chǎng)景主題，其中，模型與實(shí)物比為1∶1，大型場(chǎng)景則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行等比例縮放。展示板、影視宣傳片除了常規(guī)的圖文宣傳之外，還可以展示一些需要分步展示、細(xì)節(jié)展示的操作方法和注意事項(xiàng)。實(shí)物場(chǎng)景的布置與搭建如圖2所示。

圖2 實(shí)物場(chǎng)景的布置與搭建

3.3.2 360全景環(huán)境場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)真實(shí)的場(chǎng)景圖片，利用相關(guān)全景視頻技術(shù)，制作360全景場(chǎng)景，高度還原現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境，構(gòu)建沉浸式教學(xué)場(chǎng)景，增加參訓(xùn)人員臨場(chǎng)感。360全景場(chǎng)景的制作方法主要有3種。

(1)通過(guò)360全景攝像機(jī)將真實(shí)的場(chǎng)景拍攝下來(lái)，再通過(guò)Unity3D軟件，將拍攝場(chǎng)景與模擬場(chǎng)景融合。優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)還原場(chǎng)景，但是需要實(shí)地取景，對(duì)于一些特殊場(chǎng)景或者需要多層級(jí)交互的場(chǎng)景不太適用。

(2)通過(guò)PanoramaStudioPro，PanotourPro等全景圖制作軟件，將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片進(jìn)行合成。不需要實(shí)地取景，能夠快速將圖片進(jìn)行拼接合成，但對(duì)圖片的質(zhì)量要求較高，如果合成圖片之間的切合度不夠，會(huì)存在部分場(chǎng)景的拼接縫較明顯等問(wèn)題。

(3)通過(guò)3DSMAX，maya，101VR編輯器等軟件進(jìn)行場(chǎng)景建模，能夠創(chuàng)建各類場(chǎng)景，容易實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景間的切換，但是存在制作耗時(shí)、真實(shí)度有所欠缺等問(wèn)題。

3.3.3 模型及特效的制作

利用3DSMAX，maya，blender等建模軟件及特效軟件制作相關(guān)模型、特效，模擬操作工具、場(chǎng)景環(huán)境等，同時(shí)，結(jié)合真實(shí)案例視頻錄像，增加視覺感官認(rèn)知。

3.3.4 互動(dòng)交互功能的實(shí)現(xiàn)

利用101VR編輯器、Unity3D，通過(guò)控件使用、程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知控制設(shè)備(手柄、頭盔、移步器等)的控制或數(shù)據(jù)采集，通過(guò)模擬事故的震動(dòng)、燈光、聲音等效果，增加觸覺感官認(rèn)知。使用101VR編輯器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交互設(shè)計(jì)，通過(guò)使用101VR編輯器自帶的邏輯控件，設(shè)置事件觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)多次交互。使用Unity3D軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交互操作。

通過(guò)編寫C#程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知控制設(shè)備的交互操作。在獲取手柄、頭盔及移步器等控制器的操作參數(shù)方面，主要調(diào)用了CameraRig，MoveControl，TrigleControl等腳本組件，其中，CameraRig用于獲取頭盔感知的相關(guān)參數(shù)，主要包括Controller(left)，Controller(right)，Camera(head)，Camera(eye)，Camera(ears)等函數(shù)。其中，MoveControl用于獲取手柄，步移器等控制器的操作參數(shù)，主要包括Move(left)，Move(Right)，Move(Front)，Move(Back)，Move(Angle)等函數(shù)。TrigleControl組件主要用于獲取手柄，觸摸屏等操作參數(shù)，主要包括TagControl()，TouchControl()等函數(shù)。

在模擬場(chǎng)景控制方面，使用系統(tǒng)自帶的物理引擎、物體碰撞、關(guān)節(jié)鏈接、水霧特效、光影特效、模型骨骼架構(gòu)映射、動(dòng)畫控制等控件，對(duì)模擬對(duì)象進(jìn)行控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目創(chuàng)新性地將VR技術(shù)與交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)從業(yè)人員安全教育培訓(xùn)頂層設(shè)計(jì)，基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)交通運(yùn)輸行業(yè)安全培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)合理的課程開發(fā)、場(chǎng)景還原、三維模型、場(chǎng)景模擬仿真以及VR沉浸式體檢，優(yōu)化教育培訓(xùn)模式，為現(xiàn)代化安全教育培訓(xùn)提供了可參考可操作的實(shí)際應(yīng)用。由于交通運(yùn)輸從業(yè)人員具有流動(dòng)性強(qiáng)、工作地點(diǎn)多變的特點(diǎn)，集中培訓(xùn)較難實(shí)現(xiàn)，還需進(jìn)一步拓展異地在線培訓(xùn)相關(guān)功能。為此，借助5G技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)能夠在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)模擬仿真培訓(xùn)的相關(guān)功能，并確保系統(tǒng)輸出內(nèi)容清晰、運(yùn)行流暢是本項(xiàng)目下一步將要開展的工作。