煤矿安全教育VR体验馆
——VR与安全教育的创新应用实践

文·图/北京市安全生产科学技术研究院 李惠

中安华邦（北京）安全生产技术研究院，将传播安全知识与科技紧密结合，提出“VR+安全”的概念，设计开发了煤矿安全教育VR体验馆产品，为煤矿一线职工提供了体验式教育培训解决方案。

从计算机诞生以来，人机交互始终离不开显示器，然而显示器展现出来的永远是一个平面的世界。直到2016年，业界称其为“VR元年”，消费级VR虚拟现实眼镜开始进入各行各业，催生了各种VR行业应用。透过VR眼镜，一个更加直观的三维空间被呈现出来，这彻底革新了人机交互的方式，彻底改变了各行业利用计算机进行工作学习的方式。

作为站在安全培训行业前沿的企业，中安华邦（北京）安全生产技术研究院将传播安全知识与科技紧密结合，提出“VR+安全”的概念，设计开发了煤矿安全教育VR体验馆产品（见图1）。这一产品的开发为煤矿行业对安全教育的培训提供了更加智能的方式，为煤矿一线职工提供了体验式教育培训解决方案。

关于VR眼镜

在介绍煤矿安全教育VR体验馆之前，需要先了解其设计时首要考虑的事情，那就是硬件环境。VR眼镜全称虚拟现实头戴显示器设备，是利用仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术集合的产品，是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。理想的状态是人在虚拟世界中能够拥有视觉、听觉、触觉、体感，甚至嗅觉等感知功能。

一般来说，VR头显设备可分为三类：外接式头显设备、一体式头显设备、移动端头显设备。其中，外接式头显设备，用户体验较好，具备独立屏幕，产品结构复杂，技术含量较高，不过受着数据线的束缚，自己无法自由活动，如HTC vive、Oculus Rift；一体式头显设备，产品偏少，也叫VR一体机，无需借助任何输入输出设备就可以在虚拟的世界里尽情感受3D立体感带来的视觉冲击；移动端头显设备，结构简单、价格低廉，只要放入手机即可观看，使用方便，如空之翼VR眼镜。

虽然VR眼镜在诞生之初就在用户体验上倍受质疑，尤其是移动端头显设备，处在VR风口的形势下，存在大量滥竽充数的“眼镜盒子”。但是电子产品的市场竞争是激烈和残酷的，产品迭代速度超乎想象，它就像我们口袋中的手机一样，在快速新旧交替之间，用户体验越来越完善。VR眼镜硬件的发展方向应该是向着轻量化、移动化方向发展的，会逐步进化出眼球跟踪、手势识别、全身体感等功能。

VR交互的本质

交互设计的本质就是交流。这和人类之间的交流方式类似，人类的交流方式有表情、语言、肢体动作等。这些可以看作是人类之间的交互方式，也是人类认为的最自然的交互方式。

VR交互是要实现最自然的人机交互，能够让人们感觉不到交互手段的存在。VR交互可以分为三大类：环境、界面、互动。

环境

交互里的第一大类是VR里面的环境。我们会对VR世界感到很好奇，但同时我们的注意力是很难集中的，我们本能上也会有反馈。比如对于煤矿井下环境的新奇感，对事故发生时的恐惧心理，以及本能地做出躲避动作。我们像婴儿一样，睁开眼睛的第一天，会很好奇，会被这个奇妙的世界所吸引，对我们来说，最重要的是要去建立一种引导和学习的机制。

图1 某煤矿安全教育VR体验系统场景截图

图2 VR界面设计角度示意

图3 VR界面设计层次示意

图4 VR互动设计中的观察与移动

在VR的环境中，有两个重点，第一个是“获取信任”，第二点是“制造体验”。获取信任首先需要让体验者舒适，包括佩戴眼镜的舒适感，三维环境的舒适感，交互的舒适感等等。制造体验包括利用VR眼镜获得的全景体验，使用手柄能够达到的交互体验，环境的真实感等等。

界面

交互里的第二大类是VR里面的界面。VR设计要讲角度（见图2），还要讲“层次”（见图3）。在界面设计时，我们希望用户能第一时间去捕捉到信息，而且更好地掌握它。

从正前方看，水平77°，上仰20°，俯瞰12°的范围是最舒适的，同时也要有层次，最主要的物体最好是放置在0.5m范围之外，0.5～10 m的范围是3D感最强的区间。

另外就是窗口设计，要注意范围和精神控制，也要有易读性，文字够简洁，有大图标。浏览设计上，要注意浏览的动作，左右比上下更舒适，最好是连续滚动，有连贯性。按键设计上，可视范围大的情况下，需要提升可辨识度，也要有明确的反馈，按键与相应窗口的距离也是很重要的。在煤矿VR产品的设计中，为了实现传播安全知识的目的，需要通过窗口界面展示文字信息。而VR环境中干扰因素太多，在实际的用户体验中，往往不会有人耐心仔细阅读界面的文字内容，而是直接关闭窗口。为了最大限度让用户有一个舒适的阅读体验，我们遵循设计原则，使用了最简洁的文字，用大号字。考虑到信息界面会阻挡用户视野，带来由于眼球快速对焦造成的不适感，我们的窗口背景设计成透明背景。

最后一点是HUD，传统的HUD应用在VR中会有不适感，但也不是绝对的，比如宇航员的头盔上增加数据的显示，会给你更多的沉浸感，所以要注意够简洁，也要学会能隐藏。

互动

交互里的第三大类是VR里面的互动。基于互动可以分成三大类：VR中的观察与移动、肢体互动、声音交互。

（1）观察与移动（见图4）。沉浸感由浅到深排列，分别是转椅VR、站姿VR、房间VR。其中有传送与房间范围的结合，观察者不动，场景在移动等等。

（2）肢体互动。肢体互动分为三大类，全身动捕交互、裸手交互、控制器交互。其中控制器交互是目前最稳定，最成熟，也是最轻松的交互方式。基于设备的交互设计一定要注意安全，可以在VR世界中增加边界，或者是虚拟的障碍物。同时也需要增加依靠物的提示，在体验时间较长的情况之下，防止体验者倚靠一些虚拟的支撑物。

图5 第一类VR产品演示

图6 第二类VR产品演示

图7 第三类VR产品演示

其次是要轻松，让用户更容易获得成功，避免长期悬空，省掉中间动作，同时动作放大，更容易拿到东西，节省不必要的时间。最后要自然，比如说射箭游戏，尽量使用自然动作，设定保持统一。

（3）声音交互。声音交互有两个功能，一个是交流，一个是控制。交流包含实时语音、对讲机还有语音输入。控制包含语音识别，比如一些口令等，通过语音来控制交互。

煤矿安全教育VR体验馆

中安华邦煤矿安全教育VR体验馆拥有四大核心功能模块，分别是VR体验区、3D游戏区、动态宣教区和主题宣教区，涵盖知识内容全面，包含200多个煤矿安全宣教科目，可满足煤矿采、掘、机、运、通等主要基层区队一线职工的使用需求，也可用于一线职工家属的安全宣传教育。建设使用灵活，可以独立建馆（50～70 m2）、组合建馆、模块采购，不同的煤矿企业可以根据自身的实际情况和差异化需求选择最合适的建设方式。

中安华邦煤矿安全教育VR体验馆共分为3类内容体验，第一类是井下漫游体验，第二类是事故预兆体验，第三类是事故警示体验。这三种VR体验恰好体现了VR产品的三种交互设计类型。

第一类井下漫游体验（见图5），使用的设备是VR一体机设备，产品定位于给煤矿职工的家属，新员工入职培训，及相关专业在校大学生提供井下环境的漫游体验，以这种安全而又直观的方式了解井下环境。产品开发了井下运煤系统漫游、井下通风系统漫游。这种类型的VR产品一般不会有太多交互，或者没有交互，只是通过头部的转动，720°观看周边环境。

第二类事故预兆体验（见图6），是通过外接式头显设备表现煤矿井下事故预兆：如冒顶事故预兆、透水事故预兆。产品定位于将书本上、课堂上的典型事故预兆以生动、形象的方式表现出来，并且让煤矿职工以沉浸式体验直观地感受和了解各类事故出现前的征兆，达到防患于未然的目的。这类产品重点是传播专业的安全知识，属于体验式安全培训VR产品。在交互设计上，重视直觉的事故体验，以事故预兆特征为表现重点，重视知识的传递，信息量大，知识点密集。

第三类事故警示体验（见图7），是通过外接式头显设备重现典型事故情景，以第一人称方式，借助VR体验式、代入式的表现方式，让体验者亲手操作，亲身经历那些曾经真实发生过的灾难，具有极强的教育意义。产品交互设计上侧重情景再现，体验者扮演井下作业工人，亲手操作设备，亲身经历因各种违规操作造成的严重后果，当最后灾难发生的那一刻，用户能够感受到死亡的威胁。