基于VR技術的逃險演練系統研發

廣東藍盾樂庚信息技術有限公司　鄭綿彬

0　引言

面對地震和高層火災等突發事件，許多人在第一時間都驚慌失措，不能正確應對。應急演練是檢驗、評價和改進應急能力的重要手段。各國政府都高度重視“應急演練”的作用，也在加大對應急演練平臺研發的投入[1]。美國應急演練模擬中心(National Exercise Simulation Center NESC)已開發出能在虛擬環境下運用煙羽模型(Plume Modeling)、疾病傳播模型(Disease Propagation)等進行基于組織機構的多人參與的模擬演練[2]。此外，德國、韓國、日本等國家都在積極從事演練仿真平臺的研制。我國也有開展類似系統的研發，以地圖展現和數據查詢的決策支持系統為主，還有一桌面展現的3D仿真系統[3-6]，此類系統缺少沉浸感，實際中面對突發事件的復雜演化，傳統逃險演練系統不能很好的發揮訓練正確第一反應的作用。

近年來隨著沉浸式VR (Virtual Reality)軟硬件技術的高速發展，VR逐漸被引進安全教育領域[7-9]，這給我們研發訓練正確第一反應的逃險演練系統提供了機遇。本文將介紹研發基于VR技術逃險演練系統架構和關鍵問題，以及實現途徑。

1　逃險演練系統體系架構

基于VR技術的逃險演練系統，在理論層面，需要根據應急能力培訓需求，通過網絡和社會數據和信息的統計和收集，利用調研等方法，抽象逃險演練的特殊需求，提供全面的演練數據準備，并為演練過程中所需要的計算模型進行機理分析、建模以及模型的形式化描述；在技術層面，需要充分對可視化交互技術、物聯網技術、VR技術進行研究突破和綜合集成，實現基于VR技術的逃險演練系統研發。

圖1　基于VR技術的逃險演練系統體系架構

逃險演練系統體系架構包括底層的VR、物聯網和網絡通信硬件環境，以及突發事故演化擴散、交通、復雜網絡、案例形式化、預案形式化模型的模型和數據層。案例驅動的逃險演練引擎是系統的核心，包括仿真計算部件和虛擬情景兩部分，在特定案例生成的情景下，仿真計算部件通過對模型層計算模型的調用和對數據層數據的導入自動生成虛擬情景可視化展示給系統用戶，演練交互界面提供情景展示、可視化交互演練、響應策略選擇、應急培訓等功能，如圖1所示。

2　關鍵技術研究

2.1　VR體驗場景的構建及動作行為

解決災害模型數字化，根據情景構建一個個VR體驗場景和定義人物動作行為，另外還需要創建可以運動和可為訓練者交互的動態虛擬物體，以及用于提示正確行為和糾正違法的危險行為的虛擬人物等。

2.2　VR行為檢測的算法研究

逃險演練系統需要設計多個場景供體驗和訓練，通過在不同虛擬場景中利用手柄指使虛擬行走路線和方式，來檢驗其行為是否違反規則或正常行為。在這里主要需要研究和實現利用操縱桿對虛擬人的行走方向和虛擬攝像機運動方向進行交互控制。

2.3　移動炫耀問題研究

同PC和移動端游戲不同，VR重視的是沉浸感，所以移動這種最基礎的功能卻變成了比較難處理的部分。如果移動處理不當會造成沉浸感的破壞，或者移動時視覺眩暈，通常采用定點傳送或者外設手柄控制人物的移動，但在人物的蹦，跳等行為上面開發具有一定的難度，這會減少了VR沉浸式體驗的樂趣，需要在技術上面有較大的突破。

3　逃險演練系統實現

沉侵式VR系統能實現VR環境中的人機交互作用，它包括硬件和軟件系統：

3.1　硬件

（1）感應端：感應端包括一對感應器（部署在桿上），一般對角部署，實現對其中間的立體空間進行采集處理傳輸。

（2）傳輸渠道：傳輸渠道包括無線和有線，手柄通過無線傳輸信號，頭盔需要傳輸大量數據和電量，目前主要采用有線方式。但有線限制了人物在虛擬場景中的行動，這是比較大的局限性，隨之硬件技術水平提高，無線頭盔將成為趨勢。

（3）體驗端：VR頭盔包括顯示和陀螺儀功能，佩戴者旋轉頭部時身邊的場景也在同步變換，體驗者如同身臨其境般。

圖2　帶VR頭盔和手柄體驗者

圖3 體驗者視覺情景

3.2　軟件

使用Unity平臺，結合SteamVR、VRTK、_MK等組件，并且利用C#編寫功能函數方法，開發出各種逃險虛擬場景（例如圖2、圖3所示：火災逃險情景），包括UI、射線、路徑、各種渲染、手柄和頭顯交互反饋等功能。

4　結論

本文討論了現有的應急演練仿真平臺的不足，介紹了研發基于VR技術的逃險演練系統體系架構和關鍵問題，以及實現途徑。研發基于VR技術的逃險演練系統，旨在通過系統情景推演和沉侵式逃險演練，提高正確的第一反應的應急處置能力。研發基于VR技術的逃險演練系統，不僅可以提高逃險演練的科學性，同時也可以降低逃險演練的成本。

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