基于Unity3D的三維實物保護虛擬仿真系統

丁大弸 孫梓凱 韓圓 劉清 宋金庫 韋明智

摘要：本文主要論述針對傳統實物保護二維平面設計的局限性設計的基于Unity3D的三維實物保護設計工具系統。系統通過Unity3D引擎來實現，并采用Blender建模，通過對象池、實時模型生成等技術，實現了以三維實物保護設計工具為核心，三維實物保護有效性評價和對抗虛擬仿真為輔助驗證的實物保護虛擬仿真系統，也實現了實物保護二維平面設計向三維可視化設計的轉變，提升了核安保實物保護系統設計與驗證能力。

關鍵詞：實物保護系統設計;Unity3D引擎;Blender建模;實時模型生成

Virtual Simulation System of 3D Physical Protection Based on Unity3D

DING Dapeng1 ?SUN Zikai1 ?HAN Yuan1 ?LIU Qing2 ?SONG Jinku2

WEI Mingzhi2

（1.China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd， Beijing， 100840 China;

2.Shenzhen Newcross Technology Co.，Ltd， Shenzhen， Guangdong Province， 518057 China）

Abstract： This paper mainly discusses the 3D physical protection design tool system based on Unity3D aiming at the limitation of traditional 2D plane design. The system is realized through Unity3D engine， Blender modeling， object pool， real-time model generation and other technologies， realizes the physical protection virtual simulation system with 3D physical protection design tool as the core and 3D physical protection effectiveness evaluation and confrontation virtual simulation as the auxiliary verification， and also realizes the transformation from 2D graphic design of physical protection to 3D visual design， Improved the design and verification capability of nuclear security physical protection system.

Key Words： Physical protection system design; Unity3D; Blender modeling; Real-time model generation

隨著近年來國家對核安保的重視程度逐漸加強，作為技術支撐的實物保護系統在設計有效性、安全性、穩定性等方面的重要性日益凸顯。國內外大部分實物保護設計軟件所采用的是基于二維平面的設計模式，這種平面化設計模式在視覺呈現效果、系統設備定位、探測及復核設備相對位置關系表達等方面都存在局限性，難以滿足日益豐富的實物保護設計需求。為了彌補傳統平面化設計模式的不足，本文提出了基于Unity3D的虛擬仿真技術來實現三維化的實物保護系統設計。

本文提出的基于Unity3D的三維實物保護虛擬仿真系統將實物保護設計的設備創建數字化和虛擬化，并將設計好的實物保護數據信息通過三維實物保護有效性評價工具和虛擬仿真對抗系統進行反復驗證找出實物保護設計的薄弱環節[1]，確定最終實物保護設計結果，驗證了系統設計的可靠性和實用性。

1 ?系統總體設計

1.1 結構框架

實物保護虛擬仿真系統主要適用于核電實物保護系統的輔助設計，旨在解決實物保護系統設計的周界、技防措施、實物保護工藝子項的三維視覺呈現難題，以展示實物保護技防設備和建筑物的布置和配置，并對系統設計進行有效性驗證。本文創建的三維實物保護虛擬仿真系統主要包括三維實物保護設計工具、三維實物保護有效性評價和虛擬仿真對抗3個部分[2]，其整體框架如圖1所示。三維實物保護系統設計工具是核心，為使用者提供快速有效的三維化的實物保護設計工具。三維實物保護有效性評價和虛擬仿真對抗是對實物保護的三維輔助設計進行驗證，為其規范性及合理性提供可靠依據。

1.2 三維實物保護設計工具

三維實物保護設計工具根據設備設置原則實現設備部署算法，并結合三維空間算法實現虛擬設備的部署，其結構包括UI模塊、場景設備管理模塊、地形加載模塊、CAD繪制模塊等部分。其中UI模塊是提供人機交互的接口，場景設備管理模塊是功能核心對創建的設備模型及其數據交互進行管理，地形加載模塊是對模型打包數據進行加載，CAD繪制模塊是將采集的三維數據繪制成CAD平面圖，其整體結構如圖2所示。

1.3三維實物保護有效性評價工具

三維實物保護有效性評價工具通過敵手序列圖進行設施描述，分析不同敵手對設施的威脅情況，利用概率統計理論分析方法，判斷實物保護設計是否有效。三維實物保護有效性分析主要包含設施環境描述模塊、外部入侵及制止分析模塊及評價模塊。設施描述模塊是對設施實物保護元件的量化描述，外部入侵及制止分析模塊用于對系統應對外部入侵的有效性進行分析，評價模塊對實物保護系統的綜合效果進行整體分析，保證整體實物保護系統安全有效運行[3]。

1.4對抗虛擬仿真工具

對抗虛擬仿真工具是基于三維實物保護有效性評價的入侵對抗策略模擬工具，用戶可以在三維地圖上，將薄弱路徑信息加載到三維模型中，然后根據敵手信息和響應力量信息，在三維地圖上建立紅藍雙方人員的武器、交通工具、路徑點位、動作、攻擊目標等進行薄弱路徑的入侵作戰推演，以得出最佳作戰響應方案。相對于物理沙盤和實地真人演練，該工具可以通過反復的戰術推演得出最佳的作戰應對方案，節省人力物力。

2關鍵技術

2.1場景建模

三維建模的對象主要是實物保護系統設計中的設備、道路、建筑等。本系統中使用了Blender軟件進行建模，并利用Unity引擎將模型文件及其材質信息導入到系統中，導入后需要將模型進行掛載腳本、調節位置、添加輔助點位等設置，然后放入Unity引擎中構成模型庫。系統生成設備模型時只需根據類型在模型庫中調用即可。

2.2設備及實保區域的自動創建

設備及實保區域的自動創建是本系統的核心功能，其實現需要基于模型庫、設備設置原則、設備管理模塊及三維運算結合實現[4]。

以創建微波設備和防區為例，微波創建通過在區域管理面板中輸入微波防區上限及盲區長度，系統遍歷每個直圍欄段區域并按照微波設置規則分別求出每個直圍欄段的微波段數，微波實際防區長度。微波入侵探測器鋪設規則按下圖4所示。其計算公式如下：

N = ?（L-B × 2）/A ?（“??”為向上取整）

S =（L ? B × 2）/N

其中，L為直圍欄段總長，A為實際防區上限值，B為盲區長度。N為實際防區數量，S為單組微波實際防區長度。

求出N和S后，在直圍欄段起始點位置按順序、微波數量和實際防區長度并結合三維空間向量運算依次計算出每組微波的位置信息并創建自身數據信息。設備管理模塊從模型庫中取模型并按照數據信息對模型位置進行矯正并管理。保護區的防區是根據微波屬性計算的，所以在生成微波時會自動根據每組微波信息生成防區，防區包含的區域即微波探測器除去盲區的區域。

2.3繪制CAD模塊

繪制CAD模塊主要負責完成將場景中所有的關于設備和圍欄的數據信息繪制成CAD圖，使其僅通過約定的接口與服務實現數據交互。

系統使用net.Dxf插件，對.dxf 2013文件進行讀寫[5]。通過通訊服務系統將場景數據信息傳遞給CAD繪制服務，CAD服務判斷其數據類型，并根據自定義轉換協議找到該數據類型對應轉換協議表格和CAD圖塊文件。獲取到CAD圖塊后將接收的數據信息賦值給圖塊，并根據轉換協議給圖塊賦圖層名稱。如果設備有多個圖塊需要在圖塊之間創建線段并賦予顏色和圖層，最后將創建的圖塊以及線段寫入CAD文件中。

3系統驗證

三維實物保護虛擬仿真系統經驗證其程序地形及數據加載速度良好，實物保護系統設備自動生成功能符合設計使用要求，各模塊可以正常完成功能，系統整體上符合技術要求。

在軟件中實現了三維的地形加載、防區及設備模型自動創建、設備探測場可視化模擬，以及將設計布局輸出成CAD文件，輸出的CAD圖如圖4所示。

圖4 實物保護系統部分設計圖及輸出的CAD圖

通過三維實物保護有效性評價工具可對設計工具中創建的實物保護系統進行有效性評價。首先在工具中根據設施目標由外到內的可能到達路線創建敵序圖，并對實物保護區域內的圍欄、出入口、微波探測器、門等探測、延遲、響應元件進行屬性設置，根據給定的敵手類型、響應時間等即可計算出截止概率，并綜合目標等級、作案概率等算出設施整體的入侵風險。可看出該實物保護系統設計符合有效性指標[6]要求，證明了其三維實物保護設計工具的可行性與實用性。

經過有效性評價工具驗證后，可通過對抗虛擬仿真工具為入侵薄弱路徑設計響應方案。在對抗虛擬仿真工具中加載設施地圖，通過尋路插件模擬行進路徑，并通過位點工具來設置路徑每個節點的動作，包括人、車、物的行進軌跡、速度、時間、攜帶武器和人物動作（攻擊、站立、死亡）等，從而達到分解整個行動過程的目的。系統中可以模擬敵方從外到內的入侵過程，并創建對應的防守策略來反制，結合基于時間軸的筆記工具，可以回溯整個對抗過程，并反復推演以取得最佳防守策略。

經整體運行驗證可看出三維實物保護虛擬仿真系統具備生動準確的三維顯示、自動靈活的設備部署、詳盡直觀的設備描述等方面的能力，其可行性和實用性也符合設計理念，可以快速構建出一套實物保護系統并對其有效性進行驗證，同時，可為其實物保護系統設計最佳作戰響應方案，整體能力較二維平面化設計工具要更優。

4結論

三維實物保護虛擬仿真系統突破了二維平面化設計模式的局限性，解決了實物保護周界、技防措施、實物保護工藝子項的三維視覺呈現，通過三維顯示和虛擬交互技術，達到更直觀、準確地展示實物保護系統設計原理的目的，并提供了有效性評價和虛擬仿真對抗的驗證工具，提升了實物保護設計的效率。系統實現了實物保護二維平面設計向三維可視化設計的跨越，進一步提升核安保實物保護設計與驗證能力。

參考文獻

[1]鄒博文.虛擬環境下核電站實物保護系統有效性分析技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018.

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[6]中國人民解放軍總裝備部.軍用核材料實物保護系統評價導則：GJB5839-2006[S].2006.

1400501186245