面向化工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究.pdf

Jul.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年7 月No.7Vol.40第40 卷第7 期机计设械面向化工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究邓驰，闫勉，高嘉荣，郭柏淇12，李从东，屈挺（1.暨南大学智能科学与工程学院，广东珠海手519 0 7 0;2.香港中文大学社会科学院，中国香港999077;3.暨南大学管理学院，广东广州510632)摘要：为保障化工生产安全管理效果，文中采用3dsMax和Unity3D软件，开发了一个以塑料制造厂为原型的数字工厂仿真模型。通过VR（虚拟现实）试验，采用组间试验设计方法将32 名参与者随机分配至试验组和控制组。在试验组的数字工厂场景中，根据行业标准在各生产环节设置了一套用于规范员工安全生产的标志系统，而控制组则未设置安全标志。最后，以参与者在数字工厂的仿真作业表现为基础，采用统计学理论分析11个生产环节中不安全行为的发生情况。研究结果表明：安全标志在部分化工生产活动中对提升员工作业安全性具有显著作用。其中，指令标志相比于警告标志可以更好地提高员工作业安全性。此研究为化工生产过程中的安全管理提供理论依据，同时为生产制造场景安全管理方法提供了新的研究方案和解决思路关键词：数字工厂；虚拟现实；化工生产；不安全行为；安全标志中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 7-0 0 6 2-0 8Research on VR digital factory modeling method for chemical productionsafety managementDENG Chi,YAN Mian,GAO Jarong,KWOK Alex Pak Kil-2,LI Congdong,QU Ting(1.School of Intelligent Systems Science and Engineering,Jinan University,Zhuhai 519070;2.Faculy of Social Science,The Chinese University of Hong Kong,Hong Kong 999077;3.School of Management,Jinan University,Guangzhou 510632)Abstract:In this article,in order to ensure the effectiveness of chemical production safety management,the digital factorysimulation model based on a plastic manufacturing plant is developed by means of the 3ds Max and the Unity 3D software.Throughthe VR(virtual reality)experiments,32 participants are randomly assigned to the experiment group and the control group with thehelp of group-based experiment.In the digital factory scenarios of the experiment group,a signage system for regulating safe produc-tion is set up in each production step according to the industry standards,while no safety signs are set up in the control group.Fi-nally,the statistical theory is used to analyze the occurrence of unsafe behaviors in the 1l production steps based on the partici-pants performance in the simulated operations in the digital factory.The results show that safety signs have a significant effect onenhancing the safety of operation in some chemical production activities.Especially,the instruction signs better improve the safetyof operation compared with the warning signs.This study provides theoretical basis for safety management in the process of chemicalproduction,and also offers new ideas and solutions for those safety-management methods in manufacturing scenarios.Key words:digital factory;virtual reality;chemical production;unsafe behavior;safety sign收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 7；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 3基金项目：国家自然科学基金资助项目（7 19 0 40 6 2,7 2 0 0 10 9 1）；广东省基础与应用基础研究基金资助项目（2 0 2 0 A1515110889）：广州市科技计划项目（2 0 2 2 0 10 10 430）；暨南大学教学改革项目（JG2021010）632023年7 月邓驰，等工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究日口我国工业制造业自改革开放以来得到全面飞速的发展，如今已有2 0 0 多种工业制成品产量位居世界首位，成为世界大体量”制造业国家。在庞大的制造产业规模下，管理者应对的生产问题复杂繁多，其根本性目的是稳定高效地保障制品产出。安全生产是保障制品稳定产出的重要基础和先决条件，而近年来，国内安全事故频发，有安全生产事故统计结果表明：仅2021年全年，各类生产安全事故共死亡2 6 30 7 人2 化工行业作为制造业事故频发的重灾区，从2 0 13年到2020年期间，共发生12 6 8 起安全事故，共导致17 0 8人死亡3。安全事故频发给我国制造业带来重大的人员财产损失，通过研究调查发现，高达50.57%危险化工生产事故是由于员工不安全行为引起的4。同时，有研究表明：工人的作业不安全行为是造成安全事故发生的直接原因或者关键原因5。可见在导致危险化工事故发生的诸多原因中，员工不安全行为是主要原因。因此，强化工人安全意识，规范不安全行为成为了实现安全生产管理的关键一环。曹璐璐等6 指出，管理与控制作业人员不安全意识能够有效防止不安全行为发生。而Laughery等7 指出，有效的危机警告能够引起安全意识及影响行为。Choi等8 提出，安全保障的工业环境设计决定了工人是否安全作业。同时，Mishra等9 提出安全标志常作为一种控制和预防措施，维持更安全的工作场所。因此，安全标志是常被用于工业安全环境设计的一种手段，具有传递和警示危险信息的作用，是安全管理的最后一道防线。目前，学者对安全标志的研究多集中于安全标志信息效能方面，从安全符号特征5个维度（具体性、复杂性、意义、熟悉度和语义距离）进行可行性研究【10】，何倩卉等【用模糊综合评价等方法研究安全标识显著度、理解度等对人群流向的管控效果。尹忠恺等12 采用计算机编程软件测量出安全标志有无辅助文字影响的作用表现。牛国庆等13 采用眼动仪检测眼动指标，证实辅助文字有助于降低被试者的认知负荷,降低安全标志的识别难度。景国勋等14 将眼动测量数据结合统计学及视觉注意理论分析安全标志摆放位置与注视时间的关系。在脑神经领域,Hu等15研究了事件相关电位（Even-RelatedPotential，ERP）去揭示冲突和错误监测背后的行为表现和神经表现来研究安全标志对认知控制的影响。从上述研究总结发现，国内外有关安全标志的研究从早期定性研究过渡到定量研究，所采用的试验方法有访谈调查法、问卷调查法和脑电测量法等。以上方法均采用二维技术手段，参与者参与试验过程中缺少沉浸式的认知体验，无法与安全标志各个应用场景一一对应起来。因此，目前关于安全标志的感知试验缺乏完善的仿真性、针对性和流程性技术手段。虚拟现实(VirtualReality，VR)技术可以构建逼真的虚拟环境，使得用户在其中具有身临其境的感官体验16 。因此,VR技术在实操应用场景有着得天独厚的优势，具有仿真性、针对性、自主性和安全性等优点17 同时，VR技术有很强的泛用性，在各个生产领域均可模拟出逼真的工业生产情景，如煤矿井下、电气工厂、核电站、化工业和钻井平台等18 。显然，VR技术在工业场景模型及视觉体验上有着强大优势，可从虚拟现实场景的各个角度切人进行安全标志感知试验。文中结合设施规划与设计的理论知识，设计出拟合现实的危险化工制品经典生产场景，构建一个数字工厂，模拟现实工业生产环境，通过数据采集平台记录被试者在模拟生产环境中的不安全行为，通过SPSS26.0软件处理试验数据，研究安全标志对其作业安全性影响。1数字工厂建模方法1.1模型开发流程数字工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包括仿真和3D虚拟现实可视化。其由产品设计、生产规划与生产执行三大环节组成，并从车间工艺布局立体化、生产运行动态虚拟化、运行过程数据显性化三个维度解决生产车间数字化的实际问题19-2 0 数字工厂模型是在产品设计阶段中，模拟生产情景现场的一种数字化产物，文中所使用的数字工厂模型开发流程主要包括5个阶段：（1）分析数字工厂模型需求；（2）采集生产场景素材，构建虚拟现实贴图；（3）3d s M a x 建模软件创建各个场景3D模型，包括建筑物、机器设备、货物等生产要素；（4）导人模型资源到Unity3D进行场景开发，并实现生产系统的模块功能；（5）接入Unity3D自带的OpenXR插件，外连VR64机计第40 卷第7 期设械设备进行功能开发和测试。数字工厂模型开发流程如图1所示数字工厂场景需求分析采集数字模型建模素材3dsMax进行3D建模导出FBX文件Unity3D导入模型文件，搭建场景模型贴图，灯光烘焙根据场景需求，插入OpenXR插件，设置碰撞体、编写交互脚本外联VR设备测试触发器等属性导出.exe可执行文件图1数字工厂模型开发流程1.2虚拟现实技术开发环境部署文中所用开发软件由3款主流应用组成。(1)3ds Max 2014-43D设计软件，在建模、染、动画、特效等方面都非常强大,3dsMax通常用于角色建模和动画，以及染建筑物和其他物体的逼真图像2 1。文中采用3dsMax完成了工厂中墙体、地板、部分布置物和货运车等模型的3D建模(2)Unity 2020.3.40/3.41flcl-跨平台3D引擎，拥有一个集成式的开发环境，Unity3D可用于多个平台开发游戏和创建高质量的VR应用2 2 。文中使用编辑器搭建工厂场景，并通过OpenXR插件外连VR设备，开发了一系列模拟作业功能。(3)Visual Studio Code-Windows平台应用程序集成开发环境，支持C#，C+,Py t h o n,No d e.j s Ja v a Sc r i p t和其他主流编程语言2 3。文中用其编写Unity3D引擎适配的C#源码，完成驾驶货车、生产作业等一系列交互脚本的编写文中主要使用的沉浸式VR试验硬件为HTC公司Vive系列设备一Vive操作手柄（2 只）、Vive头戴一式设备和定位器（2 个）。硬件外观图如图2 所示Vive头戴式设备和Vive操作手柄可以通过Unity3D引擎中的OpenXR插件接人场景，定位器通过Light-house定位系统准确获取用户的位置及运动轨迹OpenXR插件快速完成场景基本功能的部署，Unity3D提供Player预置插件、位置跳转脚本Teleport和拾取与放置脚本Throwable等来实现用户在VR场景中的交互功能。(a)Vive操作手柄(b)Vive头戴式设备(c)定位器图2VR试验硬件2数字工厂案例分析2.1以塑料制品厂为原型的数字工厂建模塑料制品业在当今世界占有重要地位，我国塑料制品产量在世界排名中处于前列。塑料制品的工艺和原料与化工生产紧密相关，并且塑料制品的生产流程涵盖多种工艺，生产工序复杂，需要人机充分合作。因此，员工在生产过程中容易不安全作业，从而导致安全生产事故发生。塑料制品加工工艺根据不同的产品形态进行划分，常见的有注射成型、吹塑、压延和挤出等，除了核心的成型工艺，前期需对原料进行分配调制及传送带运输等，后期需对成品进行质量抽检和搬运等2 4。文中基于上述塑料制品工序，分析塑料制品的加工工艺和装配工艺，进行可视化布局设计。先设计出二维工厂平面图，再建立三维系统模型，通过建模软件完成工厂建筑物、布置物、机器设备等模型建模及布652023年7 月邓驰，等：面向化工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究局设计。将导出的FBX文件放人Unity3D中进行场景搭建，建立三维数字工厂。工厂分为6 个主体部分：车间大厅、塑压车间、中转车间、质量检测车间、物料仓库和装卸平台，如图3所示。(a)车间大厅(b)塑压车间(c)中转车间(d)质量检测车间(e)物料仓库(I)装卸平台图3工厂主体部分2.2试验对象本试验共招募32 名具备工业工程及管理学教育背景的参与者，所有参与者视力（或矫正后的视力）均为正常水平，且对VR设备的使用无不良反应。其统计学特征数据如表1所示。表1参与者人口统计学特征人口特征变量人数/人统计信息（占比）男性2268.8%性别女性1031.2%总计32100%平均值21.314年龄/岁标准差3.3362.3试验设计针对危险化工场所生产制造流程，该试验共设置控制组与试验组两套数字工厂模型。两套模型中的基础场地、设备布置及生产流程完全一致，唯一区别在于控制组场景中未布置安全标志，而试验组场景中布置了基于行业标准的安全标志具体包括“佩戴手套”“佩戴安全帽”“小心触电”“5S管理标语”“小心机器伤人”“穿戴防护服”“及时关门”“废弃物处理”“必须洗手”“小心火灾”“小心吊篮”共计11个标志。图4为场景设置案例。（a）控制组场景案例（无安全标志）66机计设第40 卷第7 期械必须穿防护服(b)试验组场景案例（有安全标志）图4场景设置案例采用组间试验（between-subjects）设计方案，分析参与者在两组数字工厂场景中的工作表现及安全作业得分情况。试验时长为8 15min，试验人员首先向参与者介绍研究背景、目标及试验流程，并请参与者阅读试验与操作规范须知（以下简称须知）。须知中详细描述了参与者的作业任务，并罗列了相关安全操作规范，例如，作业时需做好防护、离开化学实验室后应做好个人清洁工作。参与者在充分了解试验流程和阅读须知后签署知情同意书并填写社会学统计问卷调查表。随后，参与者在试验人员的指导下佩戴和调试VR设备，并进人SteamVR用户场景进行练习，主要练习项目包括在VR环境中抓取物体、移动和投掷物体等人机交互操作。待参与者熟悉VR操作流程后将进人预先设定的数字工厂虚拟环境进行正式试验流程。参与者将进行随机分组以减少试验误差。此外，文中研究针对组间试验的两组参与者的社会统计学属性进行了差异化分析,结果表明：性别、年龄均无显著性差异。试验开始后，参与者将按照试验人员的指引在数字工厂虚拟场景内完成一系列生产制造环节及交互操作，参与者在试验过程中可以随时停止并退出试验。在试验过程中，试验人员将通过屏幕监视器实时观察参与者的工作表现和作业安全性，参与者的不安全行为将通过系统预先设置的触发机制自动记录在操作文档中,以备后续数据分析使用。参与者在试验过程中的实拍图如图5所示图5参与者试验过程实拍图2.4试验数据分析2.4.1数据处理为方便数据处理和后续讨论，首先，针对安全标志设置的相应环节进行编码，并以此对作业流程进行划分，如表2 所示表2作业流程-标志内容对应表作业流程ABCDEFGHJK标志内容佩戴手套佩戴安全帽小心触电5S管理标语小心机器伤人穿戴防护服及时关门废弃物处理必须洗手小心火灾 小心吊篮根据各个流程的作业安全规范程度对参与者作业表现进行二进制赋值，其中，数值0 代表参与者作业行为不符合安全规范，数值1代表参与者作业行为符合安全规范，整个试验得分越高，表示作业行为越符合安全规范，具体评价标准如表3所示。该试验共搜集有效数据32 份，其中，控制组和试验组各16 份，具体得分情况如表4所示表3各阶段数值评价标准作业流程数值0数值1A作业前未佩戴手套作业前佩戴手套B作业前未佩戴安全帽作业前佩戴安全帽C直接触摸高压电箱不直接触摸高压电箱续表作业流程数值0数值1未根据5S管理要求根据5S管理要求D完成工具整理完成工具整理E靠近运行中的机器不靠近运行中的机器进入质量检测车间前进入质量检测车间前F未穿戴防护服穿戴防护服进出质量检测车间G进出质量检测车间及时关门未及时关门离开质量检测车间未能离开质量检测车间能H及时处理废弃品及时处理废弃品离开质量检测车间后离开质量检测车间洗手未洗手驾驶货运车时未能J驾驶货运车时远离危险物远离危险物K直接从吊篮平台下经过未直接从吊篮平台下经过672023年7 月邓驰，等：面向化工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究表4参与者具体得分情况各作业流程得分情况试验分组及参与者序号总分ABCDEFGHJK0100101000000202000010000113030110110011060401100000000205001010000103061110110111190701111000100508111110000016控制组091011000000141001100110011611111001000015121111010000161311110101110814001000000113151110110110181600100101111601111101001118021111011110190311111110010804111111001108051011011010170611111100101807111111101111008011111001017试验组091111010110181010110101010611111011011119121111111111010130111010010161410101一1111815111001000116161010110101172.4.2描述性统计分析从整体作业流程来看，控制组总得分范围为2 9，得分均值为5.12 5，标准差为2.156；试验组得分范围为6 10,得分均值为7.8 13，标准差为1.2 7 6。将各组参与者在不同作业流程的得分情况进行统计，针对每个作业流程的具体得分率情况如表5所示。试验组参与者在各阶段的工作表现（得分率）相比于控制组提升幅度在6.2 5%50.0 0%。表5各组各阶段得分率%作业流程ABCDEFGH1JK控制组得分率43.7562.5093.7531.2550.0050.006.2525.0037.5050.0062.50试验组得分率87.5075.00100.0075.0056.25100.0031.2543.7575.0062.5075.0068机计设第40 卷第7 期械2.4.3独立样本T检验文中研究采用独立样本T检验对比控制组和试验组中参与者的工作表现情况,探究两组参与者在安全作业行为得分上是否存在显著性差异，分析结果如表6所示。统计量的观测值t=-4.290，自由度d=24.362,p0.01,拒绝两组总体均值相等的假设，即有无安全标志对不安全作业有显著性影响。表6总分的独立样本T的检验结果F值1值d值P值4.7394.29024.3620.0002.4.4方差分析针对每个作业流程中两组参与者的工作表现，分别进行单因素方差分析，进一步探究数字工厂安全标志系统对规范个体不安全行为的影响。如表7 所示，作业流程A(p=0.008）,D(p=0.0 12),F(p=0.0 0 1)和I(p=0.033）的方差主效应显著，即在数字工厂的不同安全标志中，“佩戴手套”“5S管理标语”“穿戴防护服”和“必须洗手”标志对规范不安全行为具有显著影响。对应各组各阶段的得分直方图如图6 所示。表7各阶段ANOVA单因素分析结果作业流程F值P值A8.0770.008B0.5560.462C1.0000.325D7.1360.012E0.1180.733F15.0000.001G3.4290.074H1.2160.27915.0000.033J0.4840.492K0.5560.46218控制组试验组16141251086420ABCDEFGH1JK作业流程图6各组各阶段得分直方图（*p0.05，*p 0.0 1)3结论（1)由研究内容可知，在化工制品生产作业流程中，安全标志可以起到规范员工不安全行为的作用。及时向员工提示潜在的安全隐患，可有效提高员工的安全意识，进而减少不安全行为，降低和规避安全生产事故的发生。按试验各阶段划分，试验中不同的安全标志起到的效果也不同，可显著提升作业安全性的标志中，几乎都是指令标志，而在相对提升作业安全性效果较弱的标志中，警告标志占大部分。侧面反映出相比于警告表示，指令标志可以更好地提升作业安全性。（2）文中研究运用虚拟现实技术搭建数字工厂模型，研究危险化工场景下安全标志对员工作业安全性的影响。通过试验数据分析表明：安全标志能够有效提升员工的作业安全性。对比之前关于安全标志效用的研究方法，文中所开发的数字工厂拥有较好的仿真作业功能，极大程度地模拟安全标志在危险化工厂生产环境的使用场景，具有安全、高效和经济等优点。（3）考虑到有限的试验样本量可能会在一定程度上影响研究结果的泛化性，研究开展的VR仿真作业流程相比较现实生产还存在一定的差异。在未来的研究中，可以通过进一步增加相关从业者样本量和试验次数来对比验证该方法的实践效果。同时，除了文中所研究的塑料制品业，还能基于此数字工厂所开发的作业功能进行适配和升级，对其他制造业如食品加工业、建筑业和汽车制造业等领域进行数字工厂建模，从而对多种作业场景进行危险防范措施的研究。同时，还可对数字工厂进行功能扩展，实现AI数字监控、安全操作培训等功能，无论是处于规划状态中的工厂还是已经投产的工厂，都可进行对应的数字建模，实现多功能用途。未来研究可通过整合AI算法，实现个性化场景、提升建模精度、优化可视化GUI页面，为数字工厂实施方法和危险化工场所安全管理提供理论和实践支持。参考文献1方文彬，李旦.“改革开放40 年”中国制造业发展探析J 兰州工业学院学报，2 0 2 0，2 7（3）：7 3-7 8.2国家统计局.中华人民共和国2 0 2 1年国民经济和社会692023年7 月邓驰等工生产安全管理的VR数字工厂建模方法研究口发展统计公报【EB/OL.http：/w w w.s t a t s.g o v.c n/t j s j/zxfb/202202/t20220227_1827960.html,2022-02-28.3徐瑾化工安全生产事故原因及处理措施J化工管理,2 0 2 3,6 55(4):9 5-9 7.4Li X,Liu T,Liu Y.Cause analysis of unsafe behaviors inhazardous chemical accidents:Combined with HFACs andBayesian network J.International Journal of EnvironmentalResearch and Public Health,2019,17(1):11.5刘林，梅强，常志朋国内7 0 年来员工不安全行为研究：发展阶段、研究热点及趋势分析J中国安全科学学报,2 0 2 1,31(3)：1-12.6曹璐璐，刘艳有限空间作业人员不安全心理与行为关系研究J中国安全科学学报，2 0 2 1，31（6）：7 0-7 5.7Laughery K R,Wogalter M W.A three-stage model summa-rizes product warning and environmental sign research J.Safety Science,2014,61:3-10.8Choi G H,Loh B G.Control of industrial safety based ondynamic characteristics of a safety budget-industrial accidentrate model in Republic of Korea J.Safety and Health atWork,2017,8(2):189-197.9Mishra A K,Lama C,Sah D P,et al.Effectiveness of safe-ty measures implementation J.Journal of Advanced Re-search in Civil Engineering and Environmental Engineering,2019,6(2):1-20.10 Mcdougall S J,Curry M B,Debruijn O.Measuring symboland icon characteristics:Norms for concreteness,complexi-ty,meaningfulness,familiarity,and semantic distance for239 symbolsJ.Behavior Research Methods,Instruments,&Computers,1999,31(3):487-519.11】何倩卉，宋守信，顾一波，等人员密集场所安全标识有效性实例评估J中国安全生产科学技术，2 0 15，11(9):132-137.【12 尹忠恺，施凤冉，李乃文，等安全标志线索对高低倦怠矿工注意返回抑制的影响J，中国安全科学学报，2017,27(9):33-38.13牛国庆，崔彩彩，张坤辅助文字对安全标志识别性影响的眼动研究J河南理工大学学报：自然科学版，2014,33(4):410-415.【14景国勋，孙妍琳，蒋方安全标志排列顺序的视觉注意特征研究J中国安全生产科学技术，2 0 2 2，18（11）：197-202.15 Hu L,Feng D,Li Y,et al.The effect of safety signs on themonitoring of conflict and erroneous response J.Frontiersin Psychology,2022,13:830929.16吴群彪，方海峰，范纪华，等基于VR/AR技术的机械课程教学方法探索J机械设计，2 0 18，35（S2）：432-434.17 张慧，沈毅，鲍飞，等安全隐患排查VR实训系统的设计与实现J计算机时代，2 0 2 1（6：40-43.18 Srinivasan B,Iqbal M U,Shahab M A,et al.Review of vir-tual reality（VR)a p p l i c a t i o n s t o e n h a n c e c h e mi c a l s a f e t y:from students to plant operators J.ACS Chemical Health&Safety,2022,29(3):246-262.【19 周鑫，张森堂，高阳.数字化工厂3D布局规划与仿真技术实践J航空动力，2 0 2 1（1)：6 6-6 8.20阎伟基于MIM+BIM+GIS（3D+T+N）大数据架构的智慧工厂J.机械设计，2 0 2 0，37(S2）：159-16 1.21 Chen S N,Xu L,Li H.Research on 3D modeling in scenesimulation based on Creator and 3dsmax C/IEEE Interna-tional Conference Mechatronics and Automation,NiagaraFalls,Ont.，Ca n a d a,2 9 Ju l y-1A u g.，2 0 0 5,4:17 36-1740.22 Fang H,Xiru Y,Kun H,et al.Design and application ofVR lab based on unity C/Journal of Physics:ConferenceSeries.I0P Publishing，Ch o n g q i n g，Ch i n a，2 0 2 1,19 8 2(1):012167.23 Amann S,Proksch S,Nadi S,et al.A study of visual studiousage in practice C/IEEE International Conference onSoftware Analysis,Evolution,and Reengineering（(SA N-ER),Osaka,Japan,2016,1:124-134.2 4王华山，王美怡塑料制品厂工程设计M.北京：化学工业出版社，2 0 2 0.作者简介：邓驰（2 0 0 2 一），男，本科生，研究方向：人机交互、风险管理等。E-mail:闫勉（通信作者）（19 8 9 一），男，副教授，博士，主要研究方向：人因与功效学、应急安全管理、创新科技的接受与实施。E-mail:yanmian