城市人防應急仿真交互式推演系統構建與實踐

貴慧宏，鄧華權，楊先建，劉 鑫，李 瑩

（1.貴陽人防大數據應用工程技術研究中心；2.北京集思創源科技有限公司；3.北京航天泰坦科技股份有限公司）

1 引言

隨著科學技術的進步和國際形勢的發展，現代戰爭不再以攻城略地為目標，空襲是戰爭的主要作戰方式，而城市是空襲和反空襲的主要場所，因此，城市人防工程是最有效的防空設施。受國民經濟整體水平的限制，目前，仍無法投入大量資金專門用于人防工程建設，因此，需要將人防工程建設與城市地下空間開發利用相結合，按照“平時防災，戰時防護”的平戰結合和平戰兩用原則開展建設工作，進而促進經濟發展，完善城市功能，增強戰時防控抗毀能力，加快人防工程建設進展，增強活力，充分發揮戰備效益、社會效益和經濟效益[1]。因此，應加強人防專業人才隊伍建設，提升人防工程管理應用水平，包括日常巡檢、異常處置和組織協調等工作。

2 需求分析

應急演練通常指各級人民政府及其部門企事業單位和社會團體等組織相關單位及人員，依據相關應急預案，模擬應對突發事件的活動。應急演練對訓練處置流程、提升組織協調能力和發現應急工作薄弱環節有重要的作用。在常規的應急演練模式中，實戰演練雖能達到訓練有素，提升效率目標，但往往存在情景單一、涉及領域有限且耗時耗力評估困難等缺點，而傳統的桌面演練又過于程式化，按部就班，往往是圍繞事先設計好的一個或幾個虛擬場景，按照既定步驟開展模擬演習，帶入感差，各類演練角色較難進入狀態。

近年來，隨著高新技術應用的深入，尤其是物聯網、移動互聯網、GIS和VR等技術的廣泛應用，實時信息獲取、海量信息可視、深度信息挖掘以及沉浸仿真體驗已在各行各業中嶄露頭角，使搭建仿真交互式動態桌面演練系統成為可能[2]。結合城市人防工程管理業務，城市人防工程應急仿真交互式推演系統需要滿足以下要求：

1）集約演練

為貫徹黨在新形勢下的強軍目標和能打仗、打勝仗的核心要求，人防演練實戰化對檢驗防空方案的完善性，論證防空理論的可行性，提高組織指揮能力方面意義重大。然而，要想組織有效的現場實戰演練，需要耗費大量的人力、物力、資金和時間，因此，通常無法經常或大范圍地開展演練。城市人防工程應急仿真交互式推演系統緊緊圍繞“真”設計、“難”導調、“實”演練和“嚴”評估等條件，采用信息化、裝備化和智能化技術，做到省時、省力和省錢，達到實戰演練的集約化和常規化。

2）實景參演

在參演人員進入演練實景現場后，應給予沉浸式體驗。采用AR、VR、三維動畫和粒子效果等仿真技術，將人防實戰演練中涉及的告警警報、人防設施、應急事件和撤離路線等真實地展現出來，模擬并仿真演練過程中可能出現的各種情形，給參演人員帶來直觀的感受，提升演練的趣味性和科學性[3]。

3）動態推演

人防演練中應立足于應對最復雜最困難的情形，往往需要計劃導調與隨機導調，使直接導調和間接導調相結合，堅持活導活演，要求在演練過程中，可以隨機設置情況，臨時增加人物，從而鍛煉各級人防指揮處置和機動防護能力，增強導調指揮方、演練場景地和實景參演方三者之間的動態交互性，從而真正意義上提升人防演練的實戰性。

4）精準評估

檢驗評估是對演練演習的綜合評估，是對演示成果的梳理歸納和對策措施的深化研究，對于促進實戰化演練的良性循環和軍事斗爭水平的螺旋式上升具有十分重要的意義。評估涉及演練計劃、演練內容、演練難點重點、演練方法以及指揮人員和參演人員的能力素質等內容是否符合實戰要求，進而發現問題，為提高實戰化演練質量明確發展方向。

圖1 系統總體框架

3 系統框架及關鍵技術

人防應急仿真交互式推演系統建設，以“集約演練、實景參演、動態推演、精準評估”為目標，采用物聯網、GIS、VR和BIM等先進科學技術，以城市仿真可視三維GIS平臺為支撐，基于基礎空間和人防工程的BIM數據，集成設備設施基礎信息、運行信息、環境及安防等監控信息，構建人防工程多元集顯立方服務平臺，研發人防應急演練立體指揮子系統和VR參演子系統，使演練更加逼真、科學和智能[4]。

人防應急仿真交互式推演系統總體框架由數據層、支撐層、應用層、用戶層和人防工程信息系統建設相關標準規范和運維相關管理辦法組成。其中，數據層指城市尺度的地形、影像、DEM和三維模型等基礎空間數據、人防工程的BIM數據、設施設備基本信息和運行數據以及人防應急演練相關的GIS分析圖層數據。城市仿真可視三維GIS平臺用于支撐綜合信息監控和立體演練導調子系統的構建，城市仿真可視三維VR平臺則支撐城市人防VR演練培訓子系統的構建，城市人防工程多元集顯立方服務平臺則作為人防應急仿真交互式推演系統的整體構建，提供基礎數據服務和核心功能服務。人防應急仿真交互式推演系統總體框架如圖1所示。

系統的主要用戶有導調指揮人員、現場參演人員和演練評價人員，為達到三者之間交互仿真的目標，綜合應用了城市仿真可視三維GIS技術、VR虛擬現實仿真交互技術、多元集顯立方服務模型技術以及多尺度聯動訊息適配技術。系統選用創源城市仿真三維地理信息平臺軟件（US-Globe）搭建“所見即所得”導調和指揮窗口，具備空天地海、室內室外、動靜承載和仿真交互等能力，用于從城區、建（構）筑物和房間等不同尺度監視和調整演習進展。VR設備則采購HTC Vive開發版設備為參演人員提供沉浸式體驗，通過“聲光”指示方式指導參演人員開展演習培訓[5]。為使場景做到仿真，需要接入并整合不同來源和不同格式的信息數據，尤其是視頻、環境和火警等實時感知數據，這里以“人、地、物、組織、事件、時間”等要素構建人防多元集顯立方服務模型，保障人防信息應用的高效性和準確性。此外，為滿足三維GIS與仿真VR之間的時間、空間和指令等信息的交互，尤其是不同空間參考下姿態與定位轉換，研究多尺度聯動訊息適配技術，從而保障交互的及時性。

4 系統功能設計與實現

人防應急仿真交互推演系統由人防應急演練立體指揮子系統、人防應急演練VR參演子系統和人防應急演練VR頭盔設備等組成，其核心功能涵蓋多元數據承載、設備實時監管、空間無級漫游、業務視圖切換、預案可視規劃、實景預案參演、演練精準監測及自動測算評價等功能，具體如下：

1）多元數據承載

立體指揮子系統以城市仿真GIS引擎為核心，在融合高清影像、電子地圖和地形地貌等空間框架數據基礎上，以1:1的真實比例疊加三維的城市地面模型和地下空間模型，并可解析展現動畫特效，使三維場景更逼真。

2）設備實時監管

立體指揮子系統以人防構筑物模型為基礎，對人防附屬設施按照消防、通風和照明等內容進行主題與樣式的劃分，精準展現空間布局并支持點擊查詢設施當前的運行狀態。

3）空間無級漫游

立體指揮子系統支持“空天地海一體化承載”，支持快速實現地上地下模式的無縫切換。

4）業務視圖切換

立體指揮子系統提供“城市視圖、人防視圖、監管視圖”三種模式的一鍵式切換，支持演練導調人員以第一、第三人稱等多維度，全面且準確地了解演練場景、物資儲備和位置布局。

5）預案可視規劃

立體指揮子系統可在“監管視圖”下，直觀、可視地規劃參演人員的位置分布和預演路線，并支持一鍵式“啟動演練”。參演人員佩戴VR頭盔設備，可在VR參演子系統同步瀏覽觀看演練信息。

6）實景預案參演

VR參演子系統為參演人員提供了“沉浸式”的演練場景，立體指揮子系統在“啟動演練”后開啟演練實景體驗。

7）演練精準監測

在演練過程中，立體指揮子系統可實時監測各參演人員的位置，通過與規劃預案的比對掌握演練進展情況。

8）自動測算評價

在演練完成后，立體指揮子系統可自動化測算各參演人員本次演練的線路和操作，通過對比規劃預案的指標評價總結演練的實效。系統界面設計如圖2所示。

圖2 系統交互界面

5 結語

人防應急仿真交互式推演系統建設應緊緊圍繞“集約演練、實景參演、動態推演、精準評估”的目標，采用物聯網、GIS、VR和BIM等先進科學技術，實現仿真場景的搭建、全局性演練統籌、交互式推演實施以及專業化科學評價，從而做到“真”環境、“真”規劃、“真”演練和“真”實效。

“真”環境，依托城市仿真三維地理信息平臺，承載城市影像、地形和三維模型等基礎數據、人防建筑物、設施設備及其運行數據，在保障演練場景“形似”的同時，接入人防消防、通風和照明等設備，實時監測數據，搭建仿真級場景。

“真”規劃，演練資源分層分級組織管理，地上地下一體可視展現，支持演練導調人員按主題檢索，從三維和VR場景多尺度多視角地快速熟悉環境，掌握資源現狀與分布，為演練方案的編制、評估與優化提供技術支撐，進行全局性演練統籌。

“真”演練，演練導調人員依托三維導調子系統，采用可視化方式部署演練規劃，一鍵式發布，參演人員佩戴VR設備，實景同步體驗，以聲、光、標識和文字等方式交互。參演人員及時獲取行動指令，導調人員實時監測演練進度，實施交互式推演。

“真”實效，系統準確記錄每位參演人員的每次演練表現，形成演練日志并備案，自動測算和比對演練路線長度、響應指令時間以及指令執行有效性等指標，為每位參演人員進行打分評價，從而提高演練人員的能力。