中铁十七局二公司·太焦高铁VR安全体验项目技术方案

中铁十七局集团第二工程有限公司

太焦高铁工程VR安全体验技术应用

设计和开发项目

技

术

方

案

万间网络科技（天津）有限公司

2017年5月5日星期五·天津

目录

TOC \o "1-3" \h \z \u 1. 方案总说明 1

1.1 项目名称及概况 1

1.2 设计原则 1

1.3 需求分析与方案基本模块 2

1.4 开发平台及VR设备 4

1.5 VR交互体验总说明 5

1.5.1 体验流程总说明 5

1.5.2 VR交互总说明 6

2. VR体验场景 9

2.1 VR入口展厅场景 9

2.2高架桥主体施工场景 10

2.3 联调联试施工场景 16

3. VR施工安全培训体验 18

3.1 高处坠落体验 18

3.1.1 高处坠落体验VR场景设计 18

3.1.2 高处坠落体验VR交互设计 18

3.2 起重伤害体验 19

3.2.1 起重伤害体验VR场景设计 19

3.2.2 起重伤害体验VR交互设计 19

3.3 挂蓝失稳坍塌体验 19

3.3.1 挂蓝失稳坍塌体验VR场景设计 19

3.3.2 挂蓝失稳坍塌体验VR交互设计 19

3.4 模板及支架坍塌体验 19

3.4.1 模板及支架坍塌体验VR场景设计 19

3.4.2 模板及支架坍塌体验VR交互设计 19

3.5 消防灭火体验 19

3.5.1 消防灭火体验VR场景设计 19

3.5.2 消防灭火体验VR交互设计 19

3.6 高压线触电体验 20

3.6.1 高压线触电体验VR场景设计 20

3.6.2 高压线触电体验VR交互设计 20

3.7 临时用电安全体验 20

3.7.1 临时用电安全体验VR场景设计 20

3.7.2 临时用电安全体验VR交互设计 20

3.8联调联试列车伤人体验 20

3.8.1 联调联试列车伤人体验VR场景设计 20

3.8.2 联调联试列车伤人体验VR交互设计 20

4. 体验区设计及硬件方案 20

4.1 体验区布景规划 20

4.2 PC版VR硬件方案 23

6. 设计开发材料准备 23

6.1 客户提供资料 23

6.2 方案附件 25

6. 项目工期计划及报价 25

万间网络科技（天津）有限公司

PAGE 18

1. 方案总说明

1.1 项目名称及概况

项目名称：中铁十七局集团第二工程有限公司·太焦高铁工程VR安全体验技术应用设计和开发项目。

本VR项目的实施对象为中铁十七局集团第二工程有限公司·太焦高铁工程第7标段四工区，万间科技拟负责提供朱家川村跨长邯高速特大桥高铁高架桥梁施工VR安全防护体验的设计和开发技术服务。具体工作主要包括：

（1）VR体验方案的设计和策划；

（2）VR体验场景模型的补充搭建和优化；

（3）VR体验场景美术效果渲染设计制作；

（4）VR交互功能程序开发；

（5）VR软件整合，调试，打包和导出；

（6）软件安装、设备调试和培训指导。

图1-1 朱家川村跨长邯高速特大桥效果图

1.2 设计原则

VR（Virtual Reality）虚拟现实技术通过其沉浸性、可交互性、构想性三大特点，初级的应用便是项目观摩展示，当工程高处等危险施工场景不便于项目观摩时，可通过VR提供替代性方案，同时可通过增强式VR体验，达到现场实地观摩所达不到的直观效果。通过VR，可以传达任何想表现的工程信息。

除了基本的地下施工场景观摩展示，VR同样具有替代性的工程教育意义。针对工程安全模拟培训，VR具有先天的优势。高空坠落、物体打击、触电防护、火灾消防、基坑涌水涌沙等常见工程事故很难通过实际体验来感受，或者要达到相同的效果，相对的成本较高，且具有极大的危险性。VR技术可以通过建立虚拟体验场景，结合全身体感和电击等力反馈穿戴设备，进行各种VR施工安全事故体验，贯穿各种安全防护救援知识，达到增强安全危险意识、提升防护技能的目的。

以下详细设计方案，最主要的目标是高铁高架桥施工VR安全防护场景体验与救援培训，同时适度考虑其VR工程教育意义。主要表现场景的精细度、真实度、还原度等，配合一定的VR手柄互动，来完成体验和培训的流程。以下主要以施工安全体验为主来策划。

1.3 需求分析与方案基本模块

经过与甲方的沟通的需求分析过程，主要想表现高铁高架桥施工的安全方面，通过虚拟现实创新技术的引入，探索VR施工安全管理的新思路。初步确定的以下方案基本模块。本技术方案的VR场景为朱家川村跨长邯高速特大桥高铁高架桥主体结构施工现场（未来施工场景）。在场景中不同区域集成不同VR体验模块。

VR场景分为三块：体验入口大厅场景、高架桥施工场景、高铁联调联试场景。详见下表1-1。

表1-1 VR安全场景

序号

VR项目名称

包含内容及要求

1.1

VR入口展厅场景设计渲染

VR虚拟入口展厅建模及优化处理。

虚拟展厅美术渲染。

交互程序关卡切换程序开发。

1.2

高架桥整体施工场景设计渲染

整个施工现场朱家川大桥模型建模及优化处理，3-4万平米。

施工现场整体场景美术渲染及动画特效。

1.3

联调联试列车场景设计渲染

联调联试现场建模。

施工现场美术渲染及动画特效制作。

VR安全体验项目详见下表1-2。

表1-2 VR安全体验项目

序号

VR项目名称

包含内容及要求

2.1

高处坠落体验

高处坠落场景细部防护建模及美术渲染。0号块施工场景。

交互场景1开发-高空作业临边防护（防护围栏）缺失，导致坠落（分两种行为：戴安全帽、系安全带；不戴安全帽、不系安全带）。

交互场景2开发-作业平台木板没满铺、木板两端未固定，人员踏空、踩翘板导致坠落（分两种行为：戴安全帽、系安全带；不戴安全帽、不系安全带）。

2.2

起重伤害体验

起重伤害细部场景建模及美术渲染。

交互场景1开发-起重作业，钢丝绳断裂或脱钩，吊物坠落伤人。

交互场景2开发-起重作业，吊物拖拽、碰撞伤人。

交互场景3开发-塔吊倾覆伤人。三个场景按顺序触发，有安全帽的选择性。

2.3

挂篮失稳、坍塌体验

挂篮失稳、坍塌场景细部模型建模及美术渲染。

交互功能开发：混凝土不对称浇筑引起挂篮倾斜，导致坍塌。对讲机报告补救，结果反方向坍塌。

2.4

模板及支架坍塌体验

模板及支架坍塌细部场景建模及美术渲染。

交互功能开发：桥墩混凝土浇筑施工中，现场浇筑过快、进度不一，模板加固不牢固产生爆模，引发模板及支架整体坍塌。通过切换施工平面、地面的视角进行选择性体验。

2.5

消防灭火体验

消防灭火细部场景建模、美术渲染及特效设计。

交互功能开发：地面标准电箱场景，电箱符合过载，引发火灾，采用灭火器灭火，限时体验，失败则火势蔓延。

2.6

高压线触电体验

高压线触电体验场景细部模型建模、美术渲染及特效设计。

交互功能开发：在输电线路下进行起重吊装作业，与高压线路发生碰撞引发钢筋工人触电事故。

2.7

临时用电安全培训体验

临时用电安全体验细部模型建模、美术渲染及特效设计。

交互功能开发：电箱设备及线路认知学习，正确接线练习等。

2.8

联调联试列车伤人模拟

交互功能开发：联调联试期间，轨道上仍有工人在进行作业，此时不远处有列车行驶过来，当工人注意到时已晚，工人被高速行驶的列车撞击致死。

2.9

720°全景展示

赠送太焦高铁项目部720°全景拍摄技术支持服务。

1.4 开发平台及VR设备

本VR软件系统方案采用Unreal Engine 4进行设计开发完成。Unreal Engine 4（UE4）为Epic Games公司开发的开源游戏开发引擎，原生支持VR设备HTC VIVE的VR开发，是目前所有VR开发引擎中展示效果最好的平台，相比于其他开发平台如Unity3D、CryEngine等有更强大的场景渲染能力。UE4制作开发流程主要包括场景建模、场景渲染设计、事故特效制作、交互界面UI设计以及VIVE手柄交互功能开发等。

图1-2 Unreal Engine 4 LOGO

采用的VR设备为HTC VIVE，是目前大空间交互体验最好的VR设备。

图1-3 HTC VIVE设备

1.5 VR交互体验总说明

1.5.1 体验流程总说明

VR软件启动，体验者初始进入VR系统，可在一个虚拟展厅中选择体验项目版块。

图1-4 VR初始场景参考画面截图

体验者在VR场景中可任意漫游，所有物体有正确的碰撞体，体验者可以通过手柄射线位移到任意物品对象的平面，不能位移到立面或很陡的面。

如过甲方采用万间科技自主研发的VR安全体验体感增强设备，由于高处坠落和物体打击体验要求体验者必须站定在固定的位置，体验者在VR体验间里面的固定站立位置完成所有的体验项目（初版不采用硬件设备）。体验区定位采用中心点定位方式。所有的位移移动，均让体验者通过手柄射线来实现，所以要让射线位移的使用非常方便。

当体验者进入某个体验项目场景后，按手柄握力键可回到此初始化场景，进而去选择进入另外的体验项目。

图1-5 VR体验区效果图参考

1.5.2 VR交互总说明

（1）在虚拟场景中，所有的VR交互通过VIVE手柄实现，将VIVE手柄替换为两只施工工人手的模型（戴施工手套）。

（2）高处坠落安全体验和物体打击安全体验还涉及到外部体感设备交互（可选项）。即通过VR体验间里面实体的电动缸及电机驱动的硬件配合相应的坠落和打击功能。

（3）交互设计的原则：

真实还原原则 尽量真实还原双手的常规操作功能：包括拾取抓取操作、按压操作、拉伸操作、触碰操作、指向选择操作等等，对应不同的手势状态切换（动画）。涉及的手势及动画由建模师和美术特效师配合程序员完成。

傻瓜式原则 前期两次迎检（3月28日、4月10日）受众群体为集团企业高层管理人员，后期为劳务人员安全培训。要满足前者需求，需要做成傻瓜式操作，或者尽量减少所使用的手柄功能按键种类，将互动更多的集成在手柄扳机上。

教学指导原则 对于体验者，需要给他语音及UI文字或图像的操作提示。涉及主要的操作步骤和方法，在相应手柄的前方，设置一个文字信息面板UI，显示提示信息。同时播放提示声音。UI参考视频链接： /s/1qYVot4o 密码：nbg9。

图1-6 手柄或手部前方半透明UI提示面板

图1-7 HTC VIVE手柄

（4）手柄及按键功能指定

基础的操作按键统一规定，详见下表：（主要功能只使用菜单键和扳机键，返回初始展厅采用握力键）。

表1-3 手柄及按键功能指定表

编号

功能

按键

功能及按键说明

1

发出射线

左手柄菜单键

射线位移：按住左手柄前方的菜单按钮，从手柄前端发出抛物线射线，射线投射到要去的平面区域定位点，选择要移动到的平面位置，末端出现“双脚”的定位提示，松开即可位移到定位点。手势模型对应为一个食指指向的状态。

2

右手柄菜单键

射线选择：当需要对物品进行属性信息查看，或对UI对象进行隔空的选择操作，可按下右手柄前方的菜单按钮，发出直线射线；当射线射击到对应的对象，即可完成后续功能的触发。主要用于UI交互。手势模型对应为一个食指指向的状态。

3

触碰

左、右手柄整体（左右无差别）

某些场景涉及到触碰某个物品、按钮对象或UI，可通过任何一支手柄的靠近触碰功能来触发后续操作。手势模型对应为一个按压的状态。

4

拾取

左、右手柄扳机（左右无差别）

触碰可拾取的物品对象，并抠住任何一支手柄的扳机，可拾取物品，同时手柄震动（模拟负重感）；松开扳机，物品则脱离掉落。手势模型对应为一个握住物品相应位置的握持状态。

5

双手组合：触碰+拾取

左、右手柄扳机

当左、右手柄或其所拾取的物品靠近时，可进行某种需要双手互动的操作，同时手柄的震动加剧（模拟操作灭火器、焊枪、胶枪、射钉枪、砖刀等双手操作工作功能）。比如，灭火器灭火：体验者一只手柄抠住扳机，拾取干粉灭火器，握住其把手位置，同时另一只手柄靠近，拖住灭火器侧壁或底部，然后按住这只手柄扳机，触发喷出干粉的操作。（如果功能冲突，则靠近即喷出干粉）

6

其他组合

可同时按住一只手柄的多个键，也可同时左右手柄按住不同的键。无冲突即可。

7

握力键

左右手柄握力键

进入各个体验项目后，体验这按任意一只手柄的握力键，即可回到初始化展厅。

图1-8 手柄抛物射线位移参考

2. VR体验场景

标准化施工工地场景，还原整体地形、地貌风格交互场景，外围环境与施工地段风格统一表现。通过搭建规范合理的场布和主体结构施工场景，通过VR体验的方式来考察学习标准化施工工地的做法。要展示项目主体结构各个阶段的施工进度及其所对应的场景，需要有各个阶段的精细模型，与BIM模型不同的是，还需要表现项目进展当相应位置时的支撑和临建状态。通过搭建各个阶段对应的标准化施工场景，然后经过美术渲染处理工作，达到照片级的实时渲染画面效果。

施工现场图片资料集链接：/s/1eS7UDrW 密码：srlx。

2.1 VR入口展厅场景

由于体验项目较多，设置VR初始化展厅，在此展厅中，体验者可观看企业文化展墙和项目介绍展墙，同时可通过射线选择不同的安全体验项目，然后切换进入不同的体验场景。VR入口展厅的交互体验有：企业文化及项目介绍信息展示、体验项目选择切换。

图2-1 VR入口展厅

2.2高架桥主体施工场景

高架桥施工场景完成2.1-2.7共7项安全体验项目。VR交互体验一部分在高架桥上部施工区域完成，一部分在地面施工区域完成。地面施工场景中，完成2.3-2.7共4项体验：模板及支架坍塌体验、临时用电安全体验、消防灭火体验和高压线触电体验。地上高架桥上部，完成2.1-2.3共3项VR体验：高处坠落体验、起重伤害体验、挂篮失稳坍塌体验。

图2-1高架桥施工场景VR体验项目分布

图2-2 施工场地布置（参考场景截图）

图2-3 施工车辆机械（参考场景截图）

图2-4 周边环境（参考场景截图）

图2-5 地上施工场景（参考场景截图）

地面施工场景还原真实的施工现场地上临建设施布置，包含制梁场、生活办公区、材料加工区、堆码储存区、施工机械、施工道路、施工塔吊、龙门吊、展示区及施工工地维护结构等等。

图2-6 施工配电区（参考场景截图）

图2-7 生活办公区（参考场景截图）

图2-8 材料加工区（参考场景截图）

图2-9 材料堆放及吊装区（参考场景截图）

图2-10 施工围栏及宣传展示区（参考场景截图）

图2-11 制梁场混凝土拌合站

图2-12 制梁场

2.3 联调联试施工场景

联调联试采用高速检测列车等测试设备，在铁路开通运营前对沿线轨道、接触网、通信、信号等各项设备逐步进行测试，并依据测试结果对发现的缺陷进行调整，直至各个系统以及整体系统满足符合高速运行及动态验收要求的过程。

本项目联调联试场景为朱家川村跨长邯高速特大桥施工完工后的联调联试场景，上面为无砟轨道。还原标准化列车通车时的高铁铁路场景，同时添加联调联试施工所需的机械、设备、工人等。

图2-13 联调联试列车场景

图2-14联调联试列车场景照片1

图2-15 联调联试列车场景照片2

跨线高架桥两侧应有完整的防抛物隔板，上部接触网等，根据相应的平面立面图纸进行还原。

3. VR施工安全培训体验

施工安全体验是目前VR在工程领域应用最为广泛的领域。各类安全体验事故状态，均能在VR场景中还原，从而达到教育培训的效果。VR体验不能仅仅停留在给高层领导观摩展示，做形象工程、面子工程，而应落实到具体的工程管理流程中去，VR安全体验项目，相对于传统的安全体验馆，是有压倒性的优势的，可以大量推广应用。

3.1 高处坠落体验

3.1.1 高处坠落体验VR场景设计

3.1.2 高处坠落体验VR交互设计

详见《3.1 高架桥施工高处坠落安全体验技术方案》

3.2 起重伤害体验

3.2.1 起重伤害体验VR场景设计

3.2.2 起重伤害体验VR交互设计

详见《3.2 高架桥施工起重伤害安全体验技术方案》

3.3 挂蓝失稳坍塌体验

3.3.1 挂蓝失稳坍塌体验VR场景设计

3.3.2 挂蓝失稳坍塌体验VR交互设计

详见《3.3 高架桥施工挂蓝失稳坍塌安全体验技术方案》

3.4 模板及支架坍塌体验

3.4.1 模板及支架坍塌体验VR场景设计

3.4.2 模板及支架坍塌体验VR交互设计

详见《3.4 高架桥施工模板及支架坍塌安全体验技术方案》

3.5 消防灭火体验

3.5.1 消防灭火体验VR场景设计

3.5.2 消防灭火体验VR交互设计

详见《3.5 消防灭火安全体验技术方案》

3.6 高压线触电体验

3.6.1 高压线触电体验VR场景设计

3.6.2 高压线触电体验VR交互设计

详见《3.6 高架桥施工高压线触电安全体验技术方案》

3.7 临时用电安全体验

3.7.1 临时用电安全体验VR场景设计

3.7.2 临时用电安全体验VR交互设计

详见《3.7 临时用电安全体验技术方案》

3.8联调联试列车伤人体验

3.8.1 联调联试列车伤人体验VR场景设计

3.8.2 联调联试列车伤人体验VR交互设计

详见《3.8 联调联试列车伤人模拟体验技术方案》

4. 体验区设计及硬件方案

4.1 体验区布景规划

体验区可布置在观摩区域或项目展示区，VR设备需要防尘防强光照，场地为半围合区域，建议采用大幅海报，既有体验区隔离的效果，也是信息展示的媒介。购置2套PC版VR设备。

VR体验区为一个4*8m的空置区域，或5 m*8m左右。体验区一般为三面有墙或幕布封闭、一面开放的空闲区域。墙边布置数张桌子用于摆放电脑、VR眼镜设备等物件。两个体验区之间需隔开一段距离。

VR体验区要有专人负责VR设备维护和客户体验的指导，为达到最佳体验效果，每位体验者的体验时间最好不要超过10分钟。在体验区墙面或桌上贴上VR设备体验的图文指导资料、介绍资料等。

针对高空坠落和物体打击部分的体验，后续版本开发如采用万间科技研发的体感设备，需要在体验间顶部和底部安装相应的电路及驱动电机设备，如不采用，也不影响软件的使用和体验流程。硬件详见下表：

表4-1 VR体感辅助硬件

硬件设备

配置要求

推荐采购数量

价格/套（台）

高处坠落体感平台

Arduino nano单片机及相应的控制电路设计配件。

针对高空坠落后顶升的平台下面的液压/气压升降机。

高空坠落平台导轨等。

2套

--

物体打击体感设备

Arduino nano单片机及相应的控制电路设计配件。

针对物体打击后提升的电机设备。

2套

--

说明：

不含体验间的建设成本，由甲方自行搭建，体验的体感硬件，根据我方提供资料，由甲方自行安装完成，并配合我方调试。

如果不采用体感增强硬件，也不影响体验程序运行。

图4-1 VR体验区参考图（双人体验间）

图4-2 VR体验区实景照片

4.2 PC版VR硬件方案

详见下表4-2列明的清单。

表4-2 单套PC版VR硬件清单

硬件设备

配置要求

推荐采购数量

高配台式机电脑

CPU：i7-6700K及以上；

显卡：NVIDIA GTX1070；

内存：8G及以上；

硬盘：250G左右SSD固态硬盘；

其他：HDMI视频接口1-2个，USB 3.0接口2个。

2台

HTC VIVE消费者版

1个VR眼镜头盔；

2个手柄；

2个基站；

1根线缆；连接充电设备若干。

2套

PC显示器或电视

27吋，推荐大屏显示器

2套

6. 设计开发材料准备

6.1 客户提供资料

甲方需要提供的资料包括：

表6-1 客户需提供的资料清单

序号

类别

资料名称

资料内容说明

资料格式类型

是否已提供

1

项目图纸或模型

朱家川大桥施工图纸或模型

包含建筑、结构图纸或三维模型。

CAD或3D格式模型

结构部分

2

朱家川大桥周边地形图、建筑及道路设施图纸或模型

地形地貌平面图或模型。

周边建筑平面布置图或模型。

否，自行布置

3

临建布置图或模型

大桥临时施工场地设施建筑平面图或模型。

否，自行布置

4

大型施工机械设备图纸或模型

挂篮、吊机等大型施工机械。

否，自行设计

5

联调联试列车场景平面布置图或模型

铁路完工的布置图纸。

列车图纸及三维模型等。

否，自行设计

6

技术文档

悬臂梁施工技术交底文档

悬臂梁施工质量交底文档。

支撑及模板体系安全技术文档等。

悬臂梁施工安全交底文档。

Word文档、

CAD图纸或模型

部分

7

桥墩施工技术交底文档

桥墩施工质量技术交底文档。

支撑及模板体系安全技术文档等。

桥墩施工安全技术交底文档。

部分

8

联调联试列车施工技术文档

安全操作规程资料文档。

否

9

实景照片素材

施工现场实景照片

中铁类似项目高铁标准化场布实景照片。

施工机械照片。

各个阶段施工现场布置照片。

安全事故现场照片。

图片格式

是

10

项目及企业资料（VR场景植入）

中国铁建企业宣传VI系统

企业视觉识别系统图片文件（高清）。

企业标准化宣传标语、展板等图片（高清）。

企业文化介绍文档。

高清图片或源文件、

Word文档等

是

11

太焦高铁项目资料

项目介绍文档资料，背景信息等等。

否

……

……

……

……

……

另外甲方协助安排乙方对本项目或类似施工项目现场进行开发前的实地考察以及项目开发过程中的实时咨询配合。

6.2 方案附件

（1）《3.1 高架桥施工高处坠落安全体验技术方案》

（2）《3.2 高架桥施工起重伤害安全体验技术方案》

（3）《3.3 高架桥施工挂蓝失稳坍塌安全体验技术方案》

（4）《3.4 高架桥施工模板及支架坍塌安全体验技术方案》

（5）《3.5 消防灭火安全体验技术方案》

（6）《3.6 高架桥施工高压线触电安全体验技术方案》

（7）《3.7 临时用电安全体验技术方案》

（8）《3.8 联调联试列车伤人安全体验技术方案》

…………

6. 项目工期计划及报价

项目工期两个月以内，报价资料另附。