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施工现场安全与防护虚拟仿真实验系统

工程施工安全与防护存在其特殊性,施工持续时间较长,安全问题无法进行实际实验,利用虚拟仿真技术可以让学生身临其境,切身感受到安全事故的危害性,提升安全意识的同时也学习了相关的知识和安全操作规范,学生在虚拟环境中开展实验,可显著提高实验效果和理论水平,为今后工作中牢固树立安全意识奠定基础。

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实验目的

《建筑安全技术与管理》课程是安全工程一门专业核心课程,目的在于培养学生具有独立分析与解决现代工程施工中有关的施工技术与组织管理的基本理论与能力。工程施工过程中,一定要牢固树立安全意识,任何时候都要牢固树立安全第一的理念,将安全放在首位。在工程施工课程的讲解过程中,仅用实例或图片向学生强调安全的重要性,效果有限,而且学生没有切身体验,无法理解和感受安全的重要性。

工程施工安全与防护存在其特殊性,施工持续时间较长,安全问题无法进行实际实验,利用虚拟仿真技术,本项目依托河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心和河南省力学与工程结构综合实验中心,进行实验内容的开发及教学工作,学生可以不受时间和场地限制进行实验操作。通过该虚拟仿真实验系统的使用,每位学生都能够通过实验的方法,沉浸在虚拟的环境中,真实感受施工过程中的安全风险。该虚拟仿真实验系统将土木工程施工过程中常遇到的施工安全与防护问题设计为独立的环节,每个学生都是一个施工人员,都可以切实体验施工安全事故。

当施工人员进入场景,引导人员会分配或告知体验者要完成的施工任务,体验者收到提示后进行正常的施工操作即可,如果施工过程不符合操作规范,便会发生对应的安全事故,体验者从中感受不同的人身安全伤害。该系统可以让学生切身感受到安全事故的危害性,提升安全意识的同时也学习了相关的知识和安全操作规范,学生在虚拟环境中开展实验,可显著提高实验效果和理论水平,为今后工作中牢固树立安全意识奠定基础。

实验原理

随着当前我国经济的快速发展,我们了解到工程安全事故也频频发生。人们安全意识不高、生产作业不规范、企业不够重视安全生产操作,最终造成了意外人员伤亡事故,施工安全与防护虚拟仿真实验系统把虚拟现实技术和安全教育培训相结合,全面考查施工现场的安全隐患,让体验者“亲历”施工过程中可能发生的各种危险场景,这样的体验,将“说教式”的培训方式变为“体验式”的培训。

虚拟场景建设不受场地限制,可模拟真实场景下的安全事故,整个工地逼真地展示在眼前,似乎触手可及,有强烈的代入感,让体验者有更加逼真的感受,在最逼真的虚拟场景,体验最常用的操作,模拟最严重的事故后果,全真模拟出工地施工真实场景和险情,实现施工安全与防护教育交底和培训演练的目的,体验者通过施工过程中可能发生的各种危险场景,让体验者既感受到惊险刺激,同时又不会给体验者造成任何伤害,提高安全防范水平和应对能力,从而保证体验者更好的掌握施工技能,并掌握相应的防范知识及应急措施。

本系统采用规范规程学习、安全事故回放和事故原因分析,分别对高空坠落、安全防护用品、墙体坍塌、塔吊吊运、脚手架坍塌等施工现场安全事故进行模拟,还原真实的安全事故场景,加之真实的音效,让体验者亲眼看到亲身体会到违规操作带来的人身伤害,从而提高大家的安全作业意识;安全事故发生后,会有原因分析,指出体验者违规操作的地方,起到警示作用,学生的学习兴趣较高而且能够牢固掌握相关的安全防范知识。

实验仪器设备

施工现场安全与防护虚拟仿真实验教学系统

实验材料
  • (1)施工现场安全与防护虚拟仿真实验教学系统

    (2)电脑

    (3)网络

    (4)配套桌椅

实验教学方法
(1)使用目的

(1)采用工程施工安全虚拟仿真实验系统,可以帮助学生了解施工过程中的安全隐患,掌握预防事故发生和紧急逃生的能力,降低事故发生造成的损失。

(2)采用工程施工安全虚拟仿真实验系统,通过直观明了的动画阐述施工过程中的基本内容,可使学生直观明了、全面地掌握专业知识点。

(2)实施过程

(1)学生在相关理论课学习过之后,方可进行施工安全与防护虚拟仿真实验系统;

(2)教师带领学生熟悉工程施工安全与防护虚拟仿真实验系统;

(3)学生进入工程施工安全与防护虚拟仿真实验系统,学生以虚拟第一视角的身份进行16个模块的体验;

(4)教师查看学生体验操作的过程及结果,给与成绩评定。

(3)实施效果

(1)可以节约实验时间、减少环境污染,使学生免受伤害;

(2)可以使学生在短时间内掌握工程施工过程中存在的安全风险,通过把虚拟现实技术和安全教育培训相结合,全面考查施工现场的安全隐患,让体验者“亲历”施工过程中可能发生的各种危险场景,这样的体验,将之前的“说教式”的培训方式变为“体验式”的培训,弥补实际实验的不足。

实验方法与步骤要求

实施方法:

  • (1)工程施工安全与防护虚拟仿真实验系统提供设置、选择、返回、退出等不同场景的功能,具有场景设置功能。

  • (2)提供任务介绍的UI和跟随式的教学动画。

  • 学生交互性操作步骤:

    • (1)虚拟仿真系统操作说明

    • 施工安全与防护虚拟仿真系统主界面,红框内是体验场景选择按钮,绿框是确认进入场景按钮。基本操作:W,S,A,D前后左右移动,鼠标控制方向。Q键:暂停运行,E 键: 恢复运行,两个隐藏Key方便截图。

      特殊说明:

      【安全设备认知】不提供自由移动功能,仅仅根据提示鼠标点击认知装备,完毕后可随意点击查看。

      【脚手架坍塌】事故发生过程不提供自由移动功能,结束后可自由移动查看。

      初始状态,场景选择界面,用户可选择不同的场景进行模拟。
      图2-1
    • 步骤2:施工场地浏览;

      用户抵达建筑施工场地,可任意走动,观察建筑工地设施。
      图2-2
    • 步骤3:体验施工电梯;

      用户根据场景中提示标志,来到施工电梯处,乘坐施工电梯来到高层。
      图2-3
    • 步骤4:高空坠落;

      用户根据场景中提示标志,进入带有防护栏的电梯井内部拿取物品,模拟坠落。
      图2-4
    • 步骤5:安全防护用品;

      进入场景选择物品查看物品说明,查看结束后选择跳过观看使用。劳保衣服、劳保鞋、安全帽、警示背心、安全带、焊接手套、焊接眼镜和焊接面具等防护用品。提醒体验者做好安全防护。
      图2-5
    • 步骤6:墙体坍塌;

      观看事故并查看说明。墙体超过1.5-1.8米时,就应该停止,间隔一天后才能再砌。
      图2-6
    • 步骤7:塔吊吊运

      观看事故并查看说明。指挥信号不明或违章指挥不吊。超载或重量不明不吊。起重机超跨度或未按规定打支腿不吊。工作捆绑不牢或捆绑后不牢不稳不吊。吊物的上面有人或吊钩直接挂在重物上不吊。
      图2-7
    • 步骤8:高空物体打击;

      场景模拟当塔吊运行发生货物坠落时,人员站在下方,被高空货物坠落砸伤。
      图2-8
    • 步骤9:脚手架坍塌(第一人称体验);

      第一人称视角体验,当脚手架搭建不完整时发生坍塌事故。
      图2-9
    • 步骤10:脚手架坍塌(第三人称);

      观看事故并查看说明。脚手架搭建不完整,没有斜撑。连墙拉杆没有拧紧。地基不稳。
      图2-10
    • 步骤11:完成测试题;

      当所有实验场景都结束后,会跳转测试题界面,学生需要完成5道测试题来检验知识点的掌握程度。
      图2-11
实验结果与结论要求
  • (1)是否记录每步实验结果

  • (2)实验结果与结论要求

    • 以实验报告的形式完成该项实验,要详细描述每个模块的基本操作过程,体现自己在实际操作过程的步骤,特别的操作有误的地方;同时要给出自己的感受和感悟,以及自己在今后的做法。

  • (3)其他描述

    • 除了完成正常的实验步骤的记录与实验结果报告的生产,学生还需根据自己的实验结果完成初步的分析并给出正确的操作方法。

考核要求

通过以下3个方面完成对学生的考核:

  • (1)对施工安全虚拟仿真实验系统的操作是否熟练;

  • (2)是否能够熟练掌握施工安全虚拟仿真实验系统中的各个安全模块程,并完成实验报告:详细描述自己的操作过程,操作错误的地方给出原因和正确的操作方法;

  • (3)成绩评定分为:理论课程的复习(10%)+实验课程预习(10%)+土木工程施工安全虚拟仿真实验系统操作(50%)+实验报告(30%)。

面向学生要求

专业与年级要求:

  • (1)该虚拟仿真实验系统对专业知识要求不高,安全工程、土木工程、工程管理、城市地下空间工程等相关在校生和其他专业有兴趣的学生均可,研究生也可以充分体验该虚拟仿真实验系统。

基本知识和能力要求:

  • (1)对施工过程有简单了解;

  • (2)对施工安全危害有简单了解;

  • (3)对施工安全与防护技术和措施有浓厚兴趣。

实验项目应用情况
  • (1)开放时间:工作日8:00-17:00;

  • (2)已服务过的学生人数:300人;

  • (3)是否面向社会提供服务:是。

实验教学项目特色
(1)必要性及先进性

施工安全与防护存在其特殊性,持续时间较长,安全问题无法进行实际实验,利用虚拟仿真技术,本项目依托河南省力学与工程结构虚拟仿真实验教学中心和河南省力学与工程结构综合实验中心,进行实验内容的开发及教学工作,学生可以不受时间和场地限制进行实验操作。通过该虚拟仿真实验系统的使用,每位学生都能够通过实验的方法,沉浸在虚拟的环境中,真实感受施工过程中的安全风险。该虚拟仿真实验系统将施工过程中常遇到的施工安全问题设计为独立的环节,每个学生都是一个施工人员,都可以切实体验施工安全事故。

通过该系统的使用,可以让学生身临其境,切身感受到安全事故的危害性,提升安全意识的同时也学习了相关的知识点,为今后工作中牢固树立安全意识奠定基础。

(2)教学方式方法

学生通过此项施工安全与防护虚拟仿真实验系统,应用多自由度运动控制功能,通过亲自完成此项实验,可以贴近工程应用,有助于以后遇到工程施工安全与防护实践问题。

教学过程中,通过理论知识学习、预习、虚拟仿真实验系统的应用,可实现多样式教学,增强学生的实际体验和学习兴趣。

(3)评价体系

基于我院拥有的虚拟仿真教学管理平台,建筑施工虚拟仿真实验和力学虚拟仿真实验等软件平台,我院已经将虚拟仿真实验教学项目纳入相关专业的培养方案和教学课程,制订了相关教学效果评价办法。在此过程中,需要收集学生和教师的反馈信息,汇总对后续评价体系进行修改,提升该系统的实用性。

(4)传统教学的延伸与拓展

传统的教学模式是教师讲,学生听,对于实验时间较长或者实验过程中发生危害的情况,学生通过施工安全与防护虚拟仿真实验系统可以较快了解实验的过程和结果的分析,对传统教学是很好的补充,可以避免在实验过程中不可预料的危害。

实验教学项目持续建设服务计划
  • (1)持续建设与更新

    • 本项目全自主开发,承诺在今后5年内会持续向高校和社会进行开放服务,在今后5年会定期优化实验设计,更新和完善实验具体方案,增加错误操作后的数据分析,拓展实验的深度,落实实验效果,确保学生通过虚拟仿真实验能够充分理解并真实体验施工过程中的安全问题。

    • 继续开发新的虚拟仿真实验教学资源,增加实验项目,扩大实验教学应用面。根据学科建设要求,学生和教师使用的反馈情况进行更新。

  • (2)面向高校的教学推广应用计划

    • 首先进行校内相关专业的共享,覆盖建筑类相关专业的学生人数达1000人,在校内共享的基础上,计划将虚拟仿真实验项目在河南省内以及全国建筑类高校实施开放,覆盖学生上万人。

  • (3)面向社会的推广与持续服务计划

    • 与相关企业加强交流进行资源共享,互相学习和借鉴,在建设思路、新技术利用和仪器设备、软件开发等多方面进行交叉合作,建立企业培训基地,实习基地,就业基地等等,形成全方位的资源共享。

团队负责人

姓名 海然 性别
学历 研究生 学位 博士
专业技术职务 教授 行政职务 处长
院系 建筑工程学院

教学研究情况:主持的教学研究课题;作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文;获得的教学表彰/奖励。

  • 1.主持的教学研究课题

    • (1)“以赛促教”在土木工程专业虚拟仿真实践教学中的应用,教育部产学合作协同育人项目,2019.01-2019.12;

    • (2)土木工程材料课程教学方法的研究与实践,中原工学院教学改革与研究项目,2012.01-2014.02;

    • (3)土木工程材料,中原工学院优秀课程,2013.01-2015.02;

  • 2.发表的教学研究论文

    • [1]海然. 土木工程专业课程教学改革与实践[J]. 中原工学院学报, 2013, 24(6): 27-29.

    • [2]海然, 刘俊霞. 土木工程材料课程实践教学的改革探讨[J]. 河南建材, 2013, (6): 161-163.

    • [3]海然, 张春丽, 张玉国. “土木工程测量”课堂教学的改革探讨[J]. 中国电力教育, 2009, (23): 97-98.

    3.获得的教学表彰/奖励

    • (1)土木工程专业课堂教学体系“三要素”优化组合的改革研究与实践,河南省高等教育教学成果二等奖,2014.01;

    • (2)弹性力学,河南省双语课程,2015.07(第2);

学术研究情况:近五年来承担的学术研究课题;在国内外公开发行刊物上发表的学术论文;获得的学术研究表彰/奖励。

  • 1.研究课题

    • (1)省属高校留学人员科技活动项目,河南省教育厅项目,2019.01-2020.12,主持。

    • (2)黄河河道淤积泥沙资源特性及其活化机制研究,河南省高等学校重点研究项目,2014.01-2016.09,主持。

    • (3)黄河泥沙基保温承重一体化生土材料制备技术及性能研究,河南省高等学校重点研究项目,2018.01-2019.12,第2。

    • (4)低放射性赤泥地聚物水泥制备及机制研究,河南省科技厅科技发展计划项目,2016.01-2017.12,第2。

    • (5)半刚性铝合金结构节点抗震性能研究,河南省高等学校重点研究项目,2017.01-2019.05,第2。

  • 2.发表的学术论文

    • [1]海然, 李丹丹, 惠存, 刘俊霞, 高琦, 刘盼, 尚奇. 流动性高强再生混凝土工作性和力学性能试验研究[J]. 科学技术与工程, 2018, 18(19): 256-260.

    • [2]海然, 刘俊霞, 张磊, 杨久俊. CaCl2复合活化黄河泥沙的作用效果与机理[J]. 建筑材料学报, 2016, 19(4): 654-658.

    • [3]海然, 惠存, 王元清, 陶伟, 王斌. 基于稳定性能的开口截面立柱试验和计算分析[J]. 建筑结构, 2016, 46(3): 95-99.

    • [4]海然, 刘俊霞, 李建伟. 氧化铝赤泥放射性及其屏蔽机制研究现状[J]. 无机盐工业, 2016, 48(9): 10-12.

    • [5]惠存, 海然, 曹万林, 王元清, 杨子胜, 胡江春. 矩形截面型钢混凝土柱受压性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(S2): 56-61.

  • 3.获得学术研究表彰

    • (1)2015.05 碳纳米管的力学特性及其在改善水泥基材料性能中的应用,河南省教育厅科技成果二等奖,河南省教育厅,第2。

    • (2)2011.06 建筑桩基长期沉降机理与应用研究,河南省教育厅科学成果一等奖,河南省教育厅,第3。

    • (3)2011.01 粉煤灰微珠分离提取与深加工应用技术研究,天津市科技局,天津市科学技术进步奖三等奖。

    • (4)2011.06 碳纤维含量对水泥砂浆热膨胀系数的影响,河南省首届自然科学学术奖-优秀学术论文二等奖,第1。

实验教学项目教学服务团队情况

团队主要成员
序号 姓名 所在单位 专业技术职务 行政职务 承担任务 备注
1 海然 建筑工程学院 教授 处长 实验教学内容指导
2 惠存 建筑工程学院 副教授 实验中心副主任 实验功能设计及总体规划
3 程学磊 建筑工程学院 讲师 实验教学、管理
4 刘俊霞 建筑工程学院 副教授 实验平台管理
5 杨子胜 建筑工程学院 副教授 基建处副处长 实验项目成绩评定和技术支持
团队其他成员
1 林国华 建筑工程学院 实验师 实验脚本编写并和企业对接
2 陈雨婷 建筑工程学院 助理实验师 实验脚本编写并和企业对接
3 夏晓敏 建筑工程学院 讲师 实验在线教学和服务
4 管佳佳 建筑工程学院 实验师 实验在线教学和服务
5 卢永安 金宇峰科技有限公司 工程师 产品经理 实验项目技术开发和技术支持 技术支持
6 韩真微 金宇峰科技有限公司 工程师 技术总工 实验项目软件测试 技术支持
项目团队总人数:(11人) 高校人员数量:(9人)企业人员数量:(2人)

有效链接网址

http://lab.groupontrading.com/shigong/index.html

网络条件要求
  • (1)说明客户端到服务器的带宽要求

  • 基于公有云服务器部署的系统,5M-10M带宽。

    基于局域网服务器部署的系统,要求10M-50M带宽。

  • (2)说明能够支持的同时在线人数

    支持200个学生同时在线并发访问和请求,如果单个实验被占用,则提示后面进行在线等待,等待前面一个预约实验结束后,进入下一个预约队列。

用户操作系统要求
  • (1)计算机操作系统和版本要求:客户端操作系统:Windows7(64位)及以上。

  • (2)其他计算终端操作系统和版本要求:无。

  • (3)支持移动端:否。

用户非操作系统软件配置要求
  • (1)需要特定插件:是

    插件名称:FireFox浏览器、360极速浏览器。

    插件容量:54MB-63MB

    下载链接:http://www.firefox.com.cn/、https://browser.360.cn/ee/

  • (2)其他计算终端非操作系统软件配置要求:无。

用户硬件配置要求
  • (1)计算机硬件配置要求

  • 序号 硬件名称 配置要求
    1 CPU Intel-I3 5系及以上
    2 操作系统 Win7/8/10简体中文版
    3 显存容量 2GB及以上
    4 内存容量 8G+
    5 硬盘容量 1T
    6 显示器分辨率 1920×1080
    7 输入设备 鼠标、键盘
  • (2)其他计算终端硬件配置要求:无。

用户特殊外置硬件要求
  • (1)计算机特殊外置硬件要求

  • (2)其他计算终端特殊外置硬件要求

网络安全
  • 项目系统是否完成国家信息安全等级保护:否

项目技术架构及主要研发技术
  • (1)系统架构图及简要说明

    图4-1 系统总体架构图
  • 如图4-1所示,支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层,每一层都为其上层提供服务,直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。

    (1)数据层

    滑面监测虚拟仿真实验涉及到多种类型虚拟实验组件及数据,这里分别设置虚拟实验的典型实验库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

    (2)支撑层

    支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架,是实验项目正常开放运行的基础,负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统:数据管理、资源管理与监控等。

    (3)通用服务层

    通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台,为虚拟实验教学环境提供一些通用的支持组件,以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括:实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、实验报告管理、教学效果评估、项目开放与共享等功能。

    (4)仿真层

    仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器,最终为上层提供实验结果数据的格式化输出。

    (5)应用层

    基于底层的服务,最终用于滑面监测虚拟仿真实验教学的开放与共享。该框架的应用层具有良好的扩展性,实验教师可根据教学的需要,利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应器材模型,设计各种典型实验实例,最终面向学校开展实验教学应用。

  • 指标 内容
    实验教学项目 开发技术(如:3D仿真、VR技术、AR技术、动画技术、WebGL技术、OpenGL技术等) √3D仿真 √二维动画 √HTML5
    开发工具(如:Unity3d、Virtools、Cult3D、Visual Studio、Adobe Flash、百度VR内容展示SDK等) Unity3d, Autodesk Maya,IDEA, Visual Studio, Eclipse
    项目品质(如:单场景模型总面数、贴图分辨率、每帧渲染次数、动作反馈时间、显示刷新率、分辨率等) 单场景模型总面数:268,956面
    贴图分辨率:大于等于1024x1024
    每帧渲染次数:60
    动作反馈时间:实时
    管理平台 开发语言(如:JAVA、.Net、PHP等) HTML, Java
    开发工具(如:Eclipse、Visual Studio、NetBeans、百度VR课堂SDK等) IDEA, Visual Studio, Eclipse
    采用的数据库(如:Mysql、SQL Server、Oracle等) Mysql