林濟樂 陳峰 王培碩

（1.國能浙江寧海發(fā)電有限公司 浙江省寧波市 315600 2.鄭州萬特電氣股份有限公司 河南省鄭州市 450000）

發(fā)電公司是勞動密集型企業(yè)，危險源多、危險面廣，面對復雜的作業(yè)環(huán)境，作業(yè)人員多存在安全意識不強、安全技能薄弱等問題，而違規(guī)違章操作極易引發(fā)各類事故，影響電力系統(tǒng)的安全運行。為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，除堅持優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強設備的可靠性外，還需要不斷完善安全管理制度，提高相關從業(yè)人員的技能水平和安全生產(chǎn)意識。隨著能源建設企業(yè)的快速發(fā)展，如何保障安全生產(chǎn)已經(jīng)成為行業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的重要課題，而傳統(tǒng)的安全培訓模式效果有限，難以滿足日益復雜的安全培訓需要。本文針對電廠系統(tǒng)安全教育的現(xiàn)狀，分析電力行業(yè)基于仿真、虛擬現(xiàn)實的培訓情況，探索安全培訓工作的新思路、新途徑，提出了基于虛擬現(xiàn)實技術建立一個事故模擬、風險體驗、應急實訓的安全培訓平臺。

1 與現(xiàn)有安全培訓方式的對比分析

結(jié)合筆者電廠的實際情況：承包商人數(shù)眾多，人員素質(zhì)參差不齊，承包商的安全培訓工作已經(jīng)成為電廠系統(tǒng)安全管理不可忽視的重點和難點。目前安全培訓的現(xiàn)狀是：

（1）傳統(tǒng)基于教材和PPT 演示文檔的安全教學培訓系統(tǒng)雖然圖文并茂，但通過這種方式學習的知識模塊較為獨立，員工較難建立前后知識的聯(lián)系。即使嵌入一些動畫、視頻，也很難使從未接觸過具體情景的員工形成立體感，不利于員工理解掌握危害狀態(tài)和處理方法，需配合耗費人力、物力的且多個課時的實物實踐課程。

（2）實物實踐課程經(jīng)常受到場地和時間的限制，訓練規(guī)模也因此受到多種外在因素的制約，并且可能存在危險性；受限作業(yè)、動火作業(yè)、用電作業(yè)、高處作業(yè)的風險點及危害只能通過理解來學習，沒有具象化的表現(xiàn)或感受，人員對危險的認識不到位。

伴隨安全體感技術、虛擬現(xiàn)實技術的日趨成熟，使研制一套智能化、安全化和高效化的電力安全體驗館成為可能。結(jié)合VR 技術的形象化、具象化表現(xiàn)優(yōu)勢，將安全設備的組成結(jié)構(gòu)、工作原理等知識動態(tài)展示出來；將廠區(qū)常見的危害形式和原因與設備的使用結(jié)合起來，逼真的再現(xiàn)作業(yè)場景危害狀態(tài)；將處理的方法、規(guī)則用三維可交互場景展示出來，并提供危害輔助維修和決策指引。

為切實提高人員安全意識，從思想源頭控制安全隱患，我們將以安全實訓中心為載體，展示作業(yè)中存在的危險因素，以感觸、視聽和觀摩等不同表現(xiàn)方法，通過體驗者零距離體會和親自參與，感同身受違章作業(yè)、違規(guī)操作等各種不安全行為可能帶來的嚴重危害。通過警示教育意識到安全的重要、生命的珍貴，從而自覺注意人身安全，規(guī)范作業(yè)行為，真正達到“安全第一、預防為主”和“防微杜漸、警鐘長鳴”的教育目的。

2 虛擬現(xiàn)實技術成熟度分析

VR 體驗設備基本包括頭顯、兩個控制手柄、兩個空間追蹤器。在功能方面，具有提供流暢的、真正沉浸式的虛擬現(xiàn)實所需要的各種功能；在視覺呈現(xiàn)方面，1400x1600 像素屏幕，每秒90 幀的超快刷新率，帶來從所有角度充盈視野的逼真圖像，消除以前VR 技術常見的抖動；在追蹤和空間探測上，陀螺儀傳感器、加速度計、激光定位傳感器結(jié)合，在兩個軸線方向上定位頭部旋轉(zhuǎn)，將頭戴式設備與一對基站連接起來，可追蹤物理位置（在最大為15 英尺x15 英尺空間內(nèi)）；在自定義游戲控制器上，兩手分別操控一個VR 游戲控制器，符合人體工程學原理，可自如使用虛擬對象與虛擬世界進行交互。

VR 已經(jīng)在眾多領域都有了相應的應用，其中應用最廣泛的就是VR 安全教育培訓。VR 不僅能還原災害的發(fā)生過程，更能從視覺、聽覺、觸覺等方面給人帶來巨大的沖擊感，讓人們對災害能提前預防。以VR+煤礦為例，煤礦工人大多數(shù)都在井下工作，比較危險。如果實地訓練的話，還會浪費很多時間和金錢。利用VR 技術可以把井下的工作環(huán)境模擬出來，讓采礦專業(yè)的學生進行訓練，這樣既可以降低實習費用，又能縮短教學時間。另外VR 煤礦安全培訓系統(tǒng)還能工作人員進行崗前培訓，讓訓練者提前熟悉井下的環(huán)境，更從容的去面對各種險情，從而提高人員素質(zhì)，消防事故隱患。

VR 技術目前已趨于成熟，其覆蓋領域也廣泛應用于大多傳統(tǒng)行業(yè)，但是由于電力行業(yè)的復雜性和特殊性以至VR技術在發(fā)電廠領域涉足未深，與此同時電力同屬高危行業(yè)迫切需要VR 技術身臨其境的體驗進行安全培訓，所以開展以VR 為主題的一體式安全體驗館來達到安全培訓的效果，解決人員安全意識提升難、安全培訓效果不佳等難題。

3 虛擬現(xiàn)實應用于安全培訓的研究內(nèi)容

本系統(tǒng)的創(chuàng)意主要體現(xiàn)在通過VR 技術建立一個三維可視化交互的安全體驗系統(tǒng)，利用虛擬現(xiàn)實場景，模擬真實設備環(huán)境下的操作培訓，避免操作培訓時受電氣設備、人數(shù)、環(huán)境的限制，大幅減少培訓成本，提升培訓效果及質(zhì)量；利用人機交互設備，模擬實際環(huán)境中設備異常運行狀況或誤操作現(xiàn)象，給予學員視覺、感觀上的沖擊感，使培訓效果更真實。主要研究內(nèi)容如下：

3.1 安全體驗虛擬現(xiàn)實場景開發(fā)

以電廠現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境為基礎，分析三維模型建立特點，采集現(xiàn)場各設施的模型數(shù)據(jù)，組合成一套符合電廠的虛擬現(xiàn)實場景。結(jié)合典型的安全風險事故，基于虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D 的實現(xiàn)過程，建立事故狀態(tài)模型，在場景內(nèi)進行最大程度的還原。

3.2 安全事故可視化交互體驗的開發(fā)及應用

以安全規(guī)程為基礎，結(jié)合安全事故案例資料，分析模型碰撞檢測技術，研究工器具等設備模型事故處理過程中的碰撞檢測在Unity3D 引擎中的具體實現(xiàn)，從而實現(xiàn)三維可視化交互的真實感，增強用戶人機交互體驗。

3.3 三維可視化場景實時渲染的研究

體驗人員穿戴VR 眼鏡進行虛擬現(xiàn)實場景體驗時，其他人員只能通過顯示屏幕觀看，代入感較差、體驗效果不佳。基于實時渲染技術的研究可以將VR 眼鏡虛擬現(xiàn)實場景的體驗畫面實時傳輸?shù)絍R 一體機眼鏡內(nèi)，通過分析VR 眼鏡三維場景虛擬環(huán)境的主要影響參數(shù)，使VR 眼鏡和VR 一體機眼鏡里的內(nèi)容高度融合，降低差異效果，實現(xiàn)服務端系統(tǒng)實時比對渲染。即在同一虛擬場景內(nèi)實現(xiàn)一人實時體驗，多人實時觀看的效果。

4 虛擬現(xiàn)實應用于安全培訓的實踐分析

4.1 實施的技術方法

4.1.1 安全體驗三維可視化描述方法

在對生產(chǎn)事故全面分析的基礎上，采用VR 技術建立設備三維仿真模型，再通過信息關聯(lián)技術將設備三維可視化實體模型與設備數(shù)字化信息模型關聯(lián)起來，使得計算機能自動識別對象設備的物理結(jié)構(gòu)，辨識對象狀態(tài)，反映對象機理信息。在確保系統(tǒng)實時性要求的前提下，提高設備的精細程度和真實感，保證設備三維虛擬模型的運動與真實設備的運動特征相匹配。

4.1.2 三維場景可視化交互操作實現(xiàn)方法

在體驗場景內(nèi)準確表達電廠安全規(guī)定知識，逼真再現(xiàn)事故現(xiàn)場狀態(tài)，融入安全操作行為和不安全操作行為的判斷，從而實現(xiàn)三維可視化交互操作。首先分析各種違規(guī)操作在三維虛擬仿真環(huán)境下發(fā)生的安全事故情況及處理操作過程和規(guī)劃，再研究三維虛擬環(huán)境中交互操作的實現(xiàn)方法和用戶在交互操作過程中的提示引導信息，最后分析用戶處理能力評估模型，利用大數(shù)據(jù)技術設計模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)存儲和讀取，實現(xiàn)系統(tǒng)對用戶進行技能考核評估。

4.2 應用效果表現(xiàn)

通過虛擬現(xiàn)實技術、體感培訓技術和多媒體展示技術，建設和電廠環(huán)境相符合的場景，在以往的安全事故案例上進行延伸，表現(xiàn)事故過程，展現(xiàn)事故后果和危害。使員工可以隨時進入三維模擬電力系統(tǒng)環(huán)境中，模擬真實設備環(huán)境下的操作培訓，減少現(xiàn)場教學的頻次。

培訓策略如下：

（1）在培訓中心對承包商做好項目開工前的安全交底，針對承包商人員的現(xiàn)狀、文化知識層次差異以及不同工種、不同作業(yè)進行有針對性的培訓（包括安全工器具的安全培訓、安全標識認知的安全培訓、消防技能的安全培訓、高處作業(yè)的安全培訓、安規(guī)知識的安全培訓等）。

（2）根據(jù)公司管理要求（高風險作業(yè)、受限空間、高處作業(yè)等規(guī)范性要求），開發(fā)編制有針對性的、互動式的VR 視頻課件，用可視化方式和親身體驗方式，使承包商人員易于接受安全管理理念。

功能特點如下：

（1）在三維可視化交互環(huán)境里，進行維修操作訓練的“預實踐”，貼近真實的安全訓練現(xiàn)場，模擬實際的危險處理訓練環(huán)境。

（2）在系統(tǒng)給出的多種突發(fā)事故的情況下，不斷做出正確而快速的應對措施，提高員工對廠區(qū)安全事故處理的整體素質(zhì)。

（3）涵蓋現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的事故類型，逼真的再現(xiàn)安全風險危害狀態(tài)，便于員工清晰的掌握事故情況，從而快速應對解決。

（4）在人員體驗和訓練時間縮短的同時，提高訓練效率和質(zhì)量，降低企業(yè)對員工的培訓和訓練成本。

可以預見，通過沉浸式的安全體驗培訓，可以有效增強員工的安全意識和安全防護措施，將有助于降低安全事故發(fā)生的幾率，對發(fā)電安全運營管理水平的提高提供有力的幫助，在改善企業(yè)安全生產(chǎn)的問題上具有深刻的應用意義。

5 沉浸式風險模擬

針對目前電廠系統(tǒng)運行中存在的主要安全風險，開展基于體感技術和虛擬現(xiàn)實技術相結(jié)合的安全培訓研究與應用，探索新型培訓手段融入電廠系統(tǒng)安全教育的可行性和適用性，并對實施過程中的重難點進行分析論證，采用視、聽、體驗相結(jié)合的三維立體式安全教育模式，實施可感受、可操作的實體化安全教育。

通過本次項目的開展和應用，還原電廠作業(yè)環(huán)境里的安全風險，使員工在安全的環(huán)境下體驗到不安全的風險事故，促進了承包商安全風險教育的全面提升。體驗者可以比較真實的體驗到施工現(xiàn)場的安全風險，學習到發(fā)生事故后的正確處理方式，并且學會對應的防范常識以及應急措施，從而鞏固員工的安全生產(chǎn)意識，增強安全技能實際運用的鍛煉，達到身臨其境、深刻體驗、培訓有效的目的。

5.1 觸電風險

以發(fā)電廠高壓開關室為事故體驗場景，人員在進行開關柜檢修作業(yè)時違規(guī)操作發(fā)生觸電事故。采用可穿戴觸電模塊與VR 場景交互的形式，在觸電過程中，觸電模塊可以使人的身體同步產(chǎn)生觸電的麻木感，增強體驗效果，使體驗人員牢記觸電危害。讓員工通過培訓意識到按規(guī)章操作的正確性和必要性，避免日后觸電事故的發(fā)生。觸電風險體驗場景示意圖如圖1 所示。

圖1：觸電風險體驗場景示意圖

5.2 高墜風險

以發(fā)電廠高處管道檢修為事故體驗場景，人員未按照標準作業(yè)流程工作，未采取正確安全防護措施，導致檢修過程中發(fā)生高空墜落事故。采用動感平臺與VR 場景交互的形式，隨著平臺搭設進程實現(xiàn)高度實時提升，當發(fā)生坍塌事故時，平臺會劇烈晃動直至瞬間下墜模擬出真實的失重效果，使體驗者加深安全防護意識，高空作業(yè)時做好安全防護措施。高墜風險體驗場景示意圖如圖2 所示。

圖2：高墜風險體驗場景示意圖

5.3 火災風險

采用環(huán)境模擬裝置與VR 場景結(jié)合的形式，搭設環(huán)境參數(shù)模擬單元，真實的烘托出火災發(fā)生時的感知環(huán)境；模擬滅火器，還原出拔滅火器安全銷和按壓把手噴射的功能。通過監(jiān)測滅火器的使用狀態(tài)，并結(jié)合嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)分析，給予體驗者視覺、感官上真實的沖擊感受，從而達到身臨其境的效果，得以掌握有效的消防滅火技能。火災風險體驗場景示意圖如圖3 所示。

圖3：火災風險體驗場景示意圖

5.4 墜物打擊風險

模擬工器具物品從高空墜落后可能帶來的危險后果，感受在高空落物時安全帽起到的安全保護作用，展示墜物打擊安全帽的產(chǎn)生的巨大沖擊力，分析沖擊力數(shù)值的變化，學習高空作業(yè)中正確的工作方法，提高高空作業(yè)安全防護意識，掌握高空作業(yè)中正確的安全防護方法。墜物打擊風險體驗場景示意圖如圖4 所示。

圖4：墜物打擊風險體驗場景示意圖

5.5 腳手架傾倒風險

模擬高處作業(yè)時移動腳手架，體驗腳手架平臺重心偏移時瞬間傾倒的感覺。通過感受認識違規(guī)操作導致的危險后果，正確掌握移動腳手架作業(yè)的安全防護方法，避免出現(xiàn)腳手架傾倒事故造成人身傷害。腳手架傾倒風險體驗裝置如圖5 所示。

圖5：腳手架傾倒風險體驗裝置

5.6 事故應急處置

設置觸電事故模擬場景，配置模擬人，進行心肺復蘇實操的觸電急救技能培訓。讓員工以理論學習結(jié)合實戰(zhàn)化訓練，深刻認識觸電的危害、掌握觸電急救的方法，從意識形態(tài)、身體素質(zhì)、綜合技能等各個方面進行全面性提升，能夠從容處理現(xiàn)場事故處置及緊急救援工作。事故應急處置體驗裝置如圖6 所示。

圖6：事故應急處置體驗裝置

6 結(jié)束語

建立廠級的基于VR 技術的一站式安全實訓中心是推動本質(zhì)安全理念落實，創(chuàng)新安全培訓方式，提高安全管理效率的一個重要途徑。結(jié)合電力系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，開展虛擬現(xiàn)實仿真技術在安全培訓中的應用，通過聲、光、電、視、聽等全方位給體驗者和培訓者帶來一種身臨其境的感覺，體驗人員可以從視覺上和思想上認識各種習慣性違章產(chǎn)生的狀況，達到培訓和糾正習慣性違章的目標，杜絕事故的發(fā)生。讓他們感受到因為違規(guī)操作而帶來的巨大危害，起到強化安全防范意識的作用，激發(fā)他們?nèi)ナ炀氄莆瞻踩僮鞯姆椒?，降低事故發(fā)生頻次，提高事故處理水平，嚴格落實各級人員的安全生產(chǎn)責任，最終保障發(fā)電安全、高效運營，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。