基于三維虛擬現實技術的重特大事故情景構建仿真

文/吳建其

1 引言

根據2018年《中國20年特大事故大數據分析報告》，從1997年到2017年，我國平均每年要發生8起特別重大事故，直接經濟損失累計超百億，死亡人數共十萬左右。大量的事故統計與分析表明，做好重特大事故應急預案與應急演練研究，對于減少人民群眾生命財產損失具有重要意義。重特大事故應急演練中，情景構建是比較基礎的一環，是“底線思維”在應急管理領域的實現與應用，“從最壞處準備，爭取最好的結果”。2012年，北京市應急辦率先在國內開展了巨災情景構建工作，探索了地方政府應急情景構建的標準化模式，隨后一年，國家安全生產應急救援指揮中心、中石油、中石化、中海油、天津市安監局開展了石油石化行業的重大突發事件情景構建研究。目前，關于巨災與重特大事故情景構建的研究在不斷深化，重特大事故情景構建可以借助計算機信息化手段來實現應急預案與模擬演練的可視化、智能化。

2 技術路線初探

重特大事故情景構建，需結合重特大歷史案例研究、工程技術模擬、全景式描述，開展應急任務分解和應急能力建設，完善應急預案、指導應急演練，最終實現應急準備能力的提升。一方面，基于情景構建的應急預案編制路徑，推動應急預案由“紙預案”向“活預案、動預案”轉化；一方面，利用計算機三維虛擬現實（VR）技術，通過數據模型分析、事故與災害態勢的情景仿真，提升“專題研討、桌面演練、技術演練、功能演練、綜合演練”的綜合效能。

重特大事故情景構建有三個因素：風險分析、任務分解、能力建設。風險分析，根據重特大事故事件演化規律、事件災難后果，分析出需要情景展現的內容；任務分解，根據劃分情景響應階段，對形成的情景任務列表形成情景任務清單；能力建設，根據情景任務所需能力，評估既有情景構建能力，完善情景構建能力。

對情景構建的響應階段、任務、展現內容，通過計算機三維虛擬現實仿真技術，應用到應急模擬演練。仿真技術的情景構建方法：獲取原始重特大事故案例，結合案例事件，進行聚類處理和分級處理，生成情景事件，將多個情景事件按照重特大事故案例特征、任務分解內容構建情景矩陣；獲取演練目標的環境，如危險源和影響因素，在情景矩陣中匹配對應的情景事件，結合這些影響因素，構建突發事件情景。實現應急預案管理電子化、可視化，結合實際演練目標數據進行歸檔、研究、校驗；實現基于虛擬現實仿真技術的應急模擬演練，將突發事件情景采用高清晰高畫質有立體觀感的場景動畫形式進行演示，有效提高演練效果，便于對每個演練人員進行演練成效的評估和指導。

運用計算機三維虛擬現實技術重難點分析。重特大事故牽涉面廣，具有演化復雜不確定性以及巨大危害性等特性，次級災害事故演化趨勢大小不同，存在事件鏈交叉，預案方案構成因素多，因此，計算機模擬仿真的對象面存在范圍廣，有許多特殊環境難以模擬，而且要根據事故的不斷演進而產生，難度大，但可從任務分解的矩陣分析中逐步細化去解決難點問題，分解成多個情景構建方案來組合。

3 應用方向與功能

重特大事故應急演練情景構建，復雜度高，需要投入大量的人力、物力、財力。為了降低演練與構建成本、增加應急方案的執行經驗、及時查出應急預案中的不足，通過建設重特大事故模擬演練系統來解決一些問題，綜合使用虛擬仿真交互技術、網絡技術、數據庫技術、大數據分析技術、人工智能技術，對各類型異構數據與技術的匯集、重構、計算分析，具有低耦合、高擴展性與靈活性的特點。系統實現對重特大事故中各類災害數值模擬和人員行為數值模擬的仿真，在虛擬空間中仿真災害發生、發展的過程，以及人們在災害環境中可能做出的各種反應；系統技術應用方向，即在演練平臺上，在最大限度仿真實際災害的條件下，開展應急演練情景構建。通過廣域網和局域網把分散在不同地點的軟硬件設備及有關人員聯系起來，并在虛擬環境中實現分布式情景構建、模擬仿真、指揮調度、聯機交互。

3.1 情景仿真

在重特大事故模擬演練系統的平臺上集成關聯業務系統數據，如應急預案、災害防治方法、搶險救護方案等。分析重特大事故案例，梳理各事故的情景任務與矩陣，調用數據庫內的預設場景參數和實時場景參數，結合預案，仿真場景，模擬災害發生時的場景和發展態勢、人員到達,物資調度和應對措施。實現根據演練目的、主題，篩選案例庫，并依據演練規模進行動態編排，案例庫存儲了大量素材、數字化要素數據，結合要演練情景，對地震水災、臺風、洪澇等自然災害和安全生產等事故進行快速情景模擬構建。

對實體城市、重特大事故對象目標三維仿真建模，如大型建筑群、重要工業目標和園區。采用高清晰度技術再現，建模效果細膩，部分場景可精細到電燈開關、閥門和人物體等等。事故模型，模擬各種安全生產與自然災害事故，危化品泄漏、火災水災、爆炸、人員傷亡、天氣變化等。

圖1：三維虛擬現實情景仿真示意圖

3.2 態勢推演

情景仿真，可結合GIS態勢推演，三維可視化交互地理信息交互，以二三維一體化地理信息、地形地貌、地物要點、進行宏觀態勢分析，結合數據模型，分析煙羽、有害氣體擴散、危化品爆炸范圍。以軍事標圖形式部署專業行動，進行態勢圖標繪推演、綜合查詢，結合實際情況，深度開發聯網標圖、無人機三維傾斜攝影、實時視頻防控、智慧消防救援、公安接處警、武警反恐防爆、交通事故熱點路況查詢等功能。實現情景結合態勢推演，展開對重特大事故“一張圖”上看宏觀布局、決策點、“一幅畫”上看場景、情節、行動要素。深度開展應急演練的情景想定、事故模擬，包括大小事故發生、演進、應急響應、處置行動、結束的不同階段組合。事故情景態勢變化可動態保存、便于復盤推演。

3.3 指揮協同

請求決策信息數據,包括裝備資源庫、道路信息庫，GIS數據庫、動態預案，通過協同指揮演練，將情景動態延伸到數據結合點，改善各應急部門、機構、人員之間的協調；增強公眾應對突發重大事故救援的信心和應急意識；進一步明確應急人員各自的崗位與職責；提高各級預案之間的協調性；提高整體應急反應能力等。

實現大屏幕多屏協同，指揮大廳導調、指揮調度、處置、評估等席位系統聯動展示；實現多人聯機互動，增加演練的趣味性和挑戰性，可大大的提高參演者或受訓者的興趣。實現演練人員自助漫游，自助切換場景和視角，給人以身臨其境的真實感覺。第三人稱跟隨漫游是由指揮員的視角自動跟隨角色人物、車輛的視角轉換，跟蹤事態發展自動進行場景畫面切換。

4 應用優勢

重特大事故情景構建為中大型安全生產、有重大災害隱患發生的重要單位的應急準備工作提供了清晰、確切的方向和目標。通過“情景”引領和整合，使應急管理中規劃、預案和演練三大主體工作在目標和方向上能夠保持一致，應用三維虛擬現實仿真技術，可提高對突發重特大事件實施有效的預防、準備、響應和恢復的應急準備與應急響應能力。由于虛擬現實技術具備交互性、沉浸感、想象力等特征，能夠按照用戶想象快速設置或改變演練場景的同時，在虛擬場景中給各類演練角色以沉浸感、交互式真實體驗，通過重特大事故災情態勢的情景構建模擬、防護救援與應急處置行動模擬，結合指揮調度與流程控制、綜合評估考核，達到“集約演練、實景參演、動態推演、精準評估”要求，對應急準備規劃、應急預案管理和應急培訓演練等系列應急管理工作、實踐也具有不可或缺的支撐和指導作用。

5 結語

應用三維虛擬現實技術的重特大事故情景構建，既能降低演練成本、提供組織指揮與參演力量的響應能力，又能提高情景觀感、演練效果，還能方便復盤評估，必將產生極大的社會經濟效益，作為巨災與重特大事故應急演練與情景構建的信息化補充手段有效可行。