喬奮義

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)建筑信息建模技術(shù)（Building Informa?tion Modeling Virtual Reality，縮寫(xiě)為BIMVR），是20 世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)即虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界：它是一個(gè)主要由用戶的感官器官進(jìn)行針對(duì)性創(chuàng)造的3D 世界。在該世界里，消除了時(shí)間與空間限制，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)用戶的動(dòng)作行為進(jìn)行捕捉，及時(shí)且精準(zhǔn)地在3D 世界里作出反饋，使用戶認(rèn)為自身仿佛置身于現(xiàn)實(shí)世界。BIMVR 由大量相關(guān)學(xué)科所組成，包括圖形顯示技術(shù)，人工智能，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，定位、追蹤與感應(yīng)等先進(jìn)技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)作為平臺(tái)或載體的高技術(shù)模擬系統(tǒng)［1］。該技術(shù)是伴隨著科學(xué)技術(shù)的的巨大進(jìn)步，相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展到一定的水平的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其中軟件方面包括：BIMVR 顯示技術(shù)、運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)（BIMVR 定位追蹤技術(shù)）、眼球追蹤預(yù)測(cè)技術(shù)、輸入/輸出交互技術(shù)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)和工具（如OSBIMVR，SteamBIMVR）等；硬件方面包括：顯示設(shè)備、高性能PC 主機(jī)、追蹤系統(tǒng)、控制器。其中，BIMVR 顯示設(shè)備是VR 研究的重點(diǎn)，當(dāng)前VR 顯示設(shè)備包括頭戴式顯示、換幕顯示、全息投影及CAVE顯示系統(tǒng)等［2］。

BIMVR技術(shù)依托于相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，軟硬件技術(shù)已經(jīng)足夠成熟與穩(wěn)定，目前在教育、建筑工程、游戲、影視等方面已有廣泛應(yīng)用［3］。BIMVR 技術(shù)應(yīng)用于建筑工程安全培訓(xùn)領(lǐng)域，尤其是危險(xiǎn)性高的培訓(xùn)與演練領(lǐng)域，可以為學(xué)員提供多種非語(yǔ)言素材，文字、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)有機(jī)地結(jié)合在虛擬環(huán)境中全方位、多視角地呈現(xiàn)在學(xué)員面前［4］，更加真實(shí)地還原訓(xùn)練場(chǎng)景，讓學(xué)習(xí)者更加快速地掌握其所學(xué)技能［5］。

1 BIMVR技術(shù)安全培訓(xùn)的應(yīng)用背景

根據(jù)國(guó)務(wù)院安委辦、應(yīng)急管理部要求，各企事業(yè)單位每年要開(kāi)展符合自身生產(chǎn)特點(diǎn)的安全教育活動(dòng)——全國(guó)“安全生產(chǎn)月”。相關(guān)政府機(jī)構(gòu)或企事業(yè)單位等可對(duì)管理人員和一線員工引入BIMVR進(jìn)行安全培訓(xùn)。

對(duì)于企業(yè)內(nèi)部人員進(jìn)行的安全教育、培訓(xùn)等系列活動(dòng)，可以采取多種形式，在嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)安全制度和專項(xiàng)方案的同時(shí)，引入BIMVR 針對(duì)性地開(kāi)展自身特點(diǎn)的安全教育活動(dòng)。

對(duì)于建筑工程、交通土建、地下工程、采礦工程等，對(duì)新員工采用BIMVR 進(jìn)行安全培訓(xùn)，這種改進(jìn)創(chuàng)新的安全培訓(xùn)模式，能夠讓新員工對(duì)工作中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，為入職后積極開(kāi)展工作奠定基礎(chǔ)。同時(shí)也可以鼓勵(lì)老員工參與活動(dòng)，積極接受安全教育，培育員工“知安全、會(huì)安全”的良好素質(zhì)。最終提高職工的安全知識(shí)技能和事故預(yù)判、防范能力［6］。

2 BIMVR技術(shù)安全培訓(xùn)的創(chuàng)新點(diǎn)

BIMVR技術(shù)的獨(dú)特創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在：現(xiàn)實(shí)世界虛擬化；通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感知系統(tǒng)，讓人有種身臨其境的感覺(jué)；實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，利用動(dòng)作捕捉器、觸覺(jué)接收器等將指令，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在虛擬世界得到即時(shí)反饋。BIMVR安全培訓(xùn)創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾方面：

2.1 打破多種限制，多樣化培訓(xùn)

打破時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)高危場(chǎng)景培訓(xùn)。傳統(tǒng)的安全教育很難達(dá)到預(yù)期的演練效果［7］，而B(niǎo)IMVR 技術(shù)可根據(jù)不同的工作環(huán)境還原真實(shí)的場(chǎng)景，如高空墜落傷害體驗(yàn)，電焊機(jī)觸電傷害體驗(yàn)，支模系統(tǒng)坍塌體驗(yàn)，塔吊墜物體驗(yàn)，隧道突泥突水體驗(yàn)，隧道火災(zāi)爆炸滅火體驗(yàn)，路橋深基坑坍塌傷害體驗(yàn)，移動(dòng)平臺(tái)傾覆體驗(yàn)，溺水事故體驗(yàn)等。受訓(xùn)者可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等全方位的體驗(yàn)，能夠清晰地記住該作業(yè)下的操作要點(diǎn)以及安全隱患點(diǎn)，顯著提高危機(jī)意識(shí)。特別對(duì)于高危險(xiǎn)的工作場(chǎng)景，可以讓受訓(xùn)者提前對(duì)重大安全隱患進(jìn)行預(yù)判，做好心理準(zhǔn)備，也可以讓管理者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重大危險(xiǎn)源進(jìn)行預(yù)防性管控［8］。

2.2 激發(fā)受訓(xùn)者主動(dòng)性

采取“情景式”+“體驗(yàn)式”的教育模式，依據(jù)現(xiàn)行工程規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，建立現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境場(chǎng)景，演練現(xiàn)場(chǎng)的高度仿真使受訓(xùn)者難辨真假，進(jìn)而輕松理解、掌握安全知識(shí)與逃生技能。可以激發(fā)員工參與的興致和熱情，尤為新生代員工所歡迎。

2.3 降低培訓(xùn)成本

對(duì)新員工進(jìn)行培訓(xùn)，利用BIMVR 技術(shù)提前將施工現(xiàn)場(chǎng)模擬出來(lái)，可以突破時(shí)間和空間的教學(xué)局限；能夠隨時(shí)進(jìn)行事故體驗(yàn)，省時(shí)省力且經(jīng)濟(jì)高效；設(shè)備占用空間小，一間普通的教室即可滿足場(chǎng)地需求。一次投入，無(wú)限次使用，能夠進(jìn)行持續(xù)、大規(guī)模的安全培訓(xùn)，比傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式更節(jié)省成本。

2.4 規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，培訓(xùn)效果顯著

采用BIMVR 安全培訓(xùn)，可以規(guī)避事故隱患［9］，且輔以新科技，易于理解，有利于提高企業(yè)人員的認(rèn)知，相比于傳統(tǒng)口頭的安全培訓(xùn)教育手段，培訓(xùn)效果更加明顯。學(xué)習(xí)者獨(dú)立且交互式參與到場(chǎng)景中，切身感受事故的嚴(yán)重性，達(dá)到深刻的教育效果，強(qiáng)化對(duì)安全事故的重視。

3 BIMVR技術(shù)制作流程

BIMVR 技術(shù)應(yīng)用與安全培訓(xùn)分為全景拍攝與3D建模場(chǎng)景制作2 種情況，全景拍攝需要用到全景攝像頭到實(shí)地進(jìn)行拍攝，3D 建模則一般使用Unity3D、UE等軟件進(jìn)行3D 建模來(lái)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，并在虛擬場(chǎng)景中設(shè)置全景鏡頭。主要制作流程如下：

3.1 全景拍攝制作流程

⑴方案的設(shè)計(jì)和策劃，根據(jù)實(shí)際需求按照不同場(chǎng)景編制腳本。

⑵現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地拍攝取材，得到全景圖。

⑶對(duì)全景圖進(jìn)行處理，使其滿足后期交互等制作要求。

⑷對(duì)處理過(guò)的全景圖進(jìn)行切圖，制作動(dòng)畫(huà)片段。

⑸編寫(xiě)代碼，將受訓(xùn)者的輸入動(dòng)作與場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)進(jìn)行交互。

⑹軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)試用及優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 3D建模制作流程

⑴方案的設(shè)計(jì)和策劃，編制腳本。

⑵場(chǎng)景模型的補(bǔ)充搭建和優(yōu)化：場(chǎng)景搭建主要負(fù)責(zé)對(duì)三維模型和動(dòng)畫(huà)進(jìn)行視覺(jué)和音效的渲染，并對(duì)場(chǎng)景加載和狀態(tài)進(jìn)行管理［10］。

⑶場(chǎng)景美術(shù)效果渲染設(shè)計(jì)制作：根據(jù)腳本建立3D模型。

⑷編寫(xiě)代碼，將受訓(xùn)者的輸入動(dòng)作與場(chǎng)景模型動(dòng)畫(huà)進(jìn)行交互。

⑸程序的調(diào)試與輸出：軟硬件調(diào)試，系統(tǒng)試用及優(yōu)化改進(jìn)。

4 應(yīng)用與推廣價(jià)值

針對(duì)建筑工程領(lǐng)域場(chǎng)景的應(yīng)急培訓(xùn)演練，BIMVR具有先天的優(yōu)勢(shì)。廣東建科院路橋所BIMVR 安全培訓(xùn)系統(tǒng)選取3 個(gè)實(shí)際案例，借助BIMVR 技術(shù)將3 個(gè)不同場(chǎng)景真實(shí)地呈現(xiàn)在受訓(xùn)者面前。讓受訓(xùn)者真實(shí)地感知安全教育的意義所在。高空墜落、物體打擊、車(chē)輛事故等常見(jiàn)事故具有極大的危險(xiǎn)性，很難通過(guò)實(shí)際體驗(yàn)來(lái)感受。BIMVR 技術(shù)可以通過(guò)建立虛擬體驗(yàn)場(chǎng)景，結(jié)合全身體感設(shè)備，進(jìn)行各種BIMVR 施工安全事故體驗(yàn)，貫穿各種安全防護(hù)救援知識(shí)，達(dá)到增強(qiáng)安全危險(xiǎn)意識(shí)、提升應(yīng)急處置能力的目的。

4.1 BIMVR安全培訓(xùn)的應(yīng)用

廣東建科院路橋所BIMVR 安全應(yīng)急培訓(xùn)演練共分為3個(gè)場(chǎng)景，項(xiàng)目案例均來(lái)源于實(shí)際檢測(cè)項(xiàng)目，具體如下：

4.1.1 高空墜落場(chǎng)景

橋梁檢測(cè)高空落水BIMVR 體驗(yàn)。檢測(cè)人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇高空落水場(chǎng)景進(jìn)入?拾取地上的安全帽、救生衣、水褲、安全帶、建科易檢設(shè)備?檢測(cè)人員移至水上平臺(tái)并攀爬到平臺(tái)頂部?將安全帶掛到工作臺(tái)上?水上平臺(tái)移動(dòng)到橋下指定位置?檢測(cè)人員開(kāi)始梁底檢測(cè)?水上移動(dòng)平臺(tái)失穩(wěn)導(dǎo)致幾名檢測(cè)人員懸空和落水?岸上人員通過(guò)皮劃艇進(jìn)行施救?心肺復(fù)蘇溺水搶救?安全警示語(yǔ)。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

4.1.2 物體打擊場(chǎng)景

圖1 高處墜物模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Model of Objects Falling from Height and Safety Training Site

隧道無(wú)損檢測(cè)高空墜落、物體打擊BIMVR 體驗(yàn)。檢測(cè)人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇隧道無(wú)損檢測(cè)高空墜落、物體打擊場(chǎng)景進(jìn)入?拾取地上的安全帽、安全帶、攜帶儀器?檢測(cè)人員移至作業(yè)區(qū)域并攀爬到腳手架平臺(tái)頂部?將安全帶掛到工作臺(tái)上?開(kāi)始隧道二襯強(qiáng)度回彈檢測(cè)—不小心踢到活動(dòng)平臺(tái)的儀器盒，并伸手去抓，意外失去重心，撞向平臺(tái)圍欄，圍欄脫落，檢測(cè)人員失足墜落，安全帶牽引停止下落?儀器盒撞擊到腳手架，飛向地面記錄人員，記錄人員正在記錄數(shù)據(jù)，摔倒在地?輔助檢測(cè)人員進(jìn)行緊急救治工作。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

圖2 物體打擊模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Object Strike Model and Safety Training Site

4.1.3 車(chē)輛事故場(chǎng)景

道路交通安全事故BIMVR 體驗(yàn)：檢測(cè)人員（受訓(xùn)者）由虛擬大廳選擇隧道無(wú)損檢測(cè)高空墜落、物體打擊場(chǎng)景進(jìn)入?拾取地上的安全帽、安全帶、攜帶儀器并進(jìn)入車(chē)內(nèi)指定位置?工作車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致后排檢測(cè)人員受撞擊昏迷?未受傷人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶救，包括車(chē)輛后方擺放警告標(biāo)志牌、初步救治傷員、救護(hù)報(bào)警、事故報(bào)警、向主管人員匯報(bào)情況?結(jié)尾出現(xiàn)警示語(yǔ)。BIMVR 模型及新員工入職安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。

圖3 車(chē)輛事故模型及安全培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Vehicle Accident Model and Safety Training Site

4.2 推廣價(jià)值

BIMVR 技術(shù)安全培訓(xùn)具有較高的商用價(jià)值。主要體現(xiàn)在如下幾方面：

⑴BIMVR 沉浸式體驗(yàn)，還原真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景?？筛鶕?jù)不同的需求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景虛擬化，模擬高難度的施工場(chǎng)景，對(duì)施工人員提前預(yù)判可能風(fēng)險(xiǎn)提供幫助。

⑵培訓(xùn)對(duì)象多元化。對(duì)一些不參加現(xiàn)場(chǎng)一線工作的管理者、決策者，可以更加真實(shí)直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)的情況。為批準(zhǔn)方案、計(jì)劃增加佐證材料。

⑶可降低企業(yè)安全培訓(xùn)成本。根據(jù)需要制作培訓(xùn)系統(tǒng)后，可不限時(shí)間、空間進(jìn)行安全培訓(xùn)；可用來(lái)代替知識(shí)講座、參觀交流、視頻動(dòng)畫(huà)資料學(xué)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)等。

⑷將BIMVR 技術(shù)應(yīng)用到建筑工程施工、設(shè)計(jì)、檢測(cè)等領(lǐng)域，為項(xiàng)目參與人員提供可視化體驗(yàn)。

⑸可有效減少疫情期間不必要的接觸。

5 結(jié)論

將BIMV 融合到建筑工程領(lǐng)域安全培訓(xùn)中，是一種全新高效的安全培訓(xùn)途徑［11］。對(duì)于實(shí)現(xiàn)高難度培訓(xùn)場(chǎng)景、有效降低培訓(xùn)成本、提高培訓(xùn)效益方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，但仍存在一些不足之處：如在BIMVR 安全培訓(xùn)中，缺乏面對(duì)面的指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不能及時(shí)解答，部分學(xué)習(xí)項(xiàng)目只能通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目操作，采用BIMVR 模擬訓(xùn)練有一定難度等［12］。這有待于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及BIMVR 相關(guān)學(xué)科技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在科學(xué)技術(shù)日新月異的當(dāng)代，我們期望BIMVR技術(shù)能夠在建筑工程安全培訓(xùn)方面發(fā)揮更大作用，變得更加普及，大幅提高培訓(xùn)工作效率。