基于虛擬仿真技術的多人協同應急演練研究*

張慧 鮑飛 張學亞 沈毅

1. 北京市安全生產科學技術研究院 北京 101100 2. 中安華邦（北京）安全生產技術研究院股份有限公司 北京 100124

1 虛擬仿真技術概述

1.1 技術發展歷程

虛擬現實(VR)是一種允許用戶與計算機模擬環境進行交互的技術。近年來，虛擬現實技術被廣泛應用于教育和培訓，通常與其沉浸式、高度可視化、三維(3D)環境聯系在一起。虛擬現實技術作為一種新型的學習媒介，可以為學習者提供具有交互性的實時體驗，有效地提高學習效果。在虛擬環境中實踐突發事件演練任務有助于促進培訓和幫助將知識轉移到現實生活中。同時，虛擬現實可以有效地解決實際設備帶來的時間、空間和安全約束問題。

1.2 技術發展現狀

虛擬現實場景中立體視差的生成屬于計算機視覺研究領域的研究熱點。這項技術有著廣泛的應用，包括虛擬現實場景監控，虛擬人機交互，等等。然而，虛擬現實場景具有獨特的特點，因此其人臉再現較為困難。它還受到其他東西的影響，比如光線和遮蔽物。當前基于透視的 LOD 四叉樹已經形成了多種立體視差虛擬現實場景。目前，關于視點相關 LOD 四叉樹在立體視差生成虛擬現實場景中的應用研究還不多。利用視點相關的 LOD 四叉樹技術，可以很容易地獲得許多未標記的虛擬現實場景。利用視點相關 LOD 四叉樹技術捕捉虛擬現實場景的重要組成部分、外觀、空間模式等，并在坐標系中表示相應的坐標位置。總的來說，有一些重要的部分和空間模式，包括軀干的中心點，左右手腕的空間模式，左右地理，等等。利用中心點設置極點，通過坐標變換可以有效地轉換其他節點。最后，得到下列公式(1)所示的坐標：

套接字在英語中是插座的意思。對于使用 TCP/IP 協議完成的計算機之間的通信，套接字提供了兩者之間的通信接口。它是一個基本的運行單元，是雙方的相互協議。它的功能被打包在 DLL 中，并通過相應的功能完成。有兩種類型的套接字 :其一是流接口，通過對網絡傳輸層的分析和處理，為接收端和發送端提供一定順序、無重復、無記錄的邊界數據流交互，更適合處理大量的數據。它還支持發送方和接收方之間的數據通信，但在傳輸過程中，不能保證數據包的可靠性、附屬性和不可重復性[1]。

2 多人協同應急演練中虛擬仿真技術的應用分析

虛擬現實多人協同應急演練涉及多部門、多人在同一空間和時間維度上的活動。靜態的三維場景和動態的變化需要在不同的參與者之間同步進行。突發事件多人協同應急演練虛擬仿真系統需要滿足以下要求：

（1）參與者的狀態同步。參與者可以通過系統看到三維場景和其他參與者，并可以實時看到其他參與者的位置和運動變化。

（2）場景狀態和事件同步。在事故發生后，需要對不同參與者之間的事故相關信息進行實時同步。

（3）場景生成與仿真。突發事件處置場景的范圍很廣，涉及的元素和人員很多。如何生成一個大型的地形系統，如何模擬各種真實的物體和元素是該系統的一個重要問題。

（4）參與者對身體狀態的感知。參與者的身體狀態包括健康狀態和身體狀態：健康狀態表明身體的健康程度，包括身體是否受傷，以及周圍的有害氣體是否對身體有害; 身體狀態表明參與者的行動能力，參與者在行動過程中將消耗身體能量，他們需要恢復身體能量來繼續行動后的身體消耗。每個參與者的身體狀態需要在不同參與者之間實時同步。

（5）參與者之間的溝通。溝通和聯絡使參與者之間能夠進行有效的溝通，這有利于參與者之間的合作活動。溝通包括兩種形式：文字、電話語音。

（6）多人合作。在應急演練過程中，有些活動需要多人完成，如兩人一起關門、一起開門、多人一起滅火、多人一起搶救傷員等，參與者需要分配好動作和活動周期才能成功完成這些活動。

（7）虛擬現實模擬。通過建模與模擬的設備和技術，模擬和再現了真實的突發事件指揮環境和事故現場環境[2]。

3 案例探究與實踐

3.1 系統設計

突發事件多人協同應急演練系統分為三個層次：表示層、服務層和存儲層：

表示層采用3d 的三維場景渲染、粒子系統、動畫、聲音等模塊，實現了三維場景渲染、水、火、煙霧、爆炸等事故特效、人物動畫、語音通信以及通過 JSON 消息的服務層通信。

服務層提供登錄、腳本策劃、演練計劃和演練管理、參與者狀態同步、參與者身體狀態感知、參與者虛擬、實時語音通信、環境模擬、日志服務等功能。系統數據結構包括三維場景、演練角色、演練事件、語音錄制、評分等信息。系統狀態同步利用套接字技術實現了 TCP 網絡服務，并給出了實現方法。在演練過程中，以指令的形式將參與者的演練操作傳輸到演練服務器。基于套接字技術，實現了鉆機服務器的網絡通信廣播和高速網絡傳輸。在字符虛擬過程中，統一行為樹 AI 是一個高性能的邏輯判斷框架，它提供了基本的人工智能支持。目前，支持的特征包括感知、決策、行動等。參與者的虛擬功能是通過統一的行為樹實現的。每個虛擬參與者對應一個行為樹，該行為樹根據參與者的狀態和行為被組織成不同的判斷邏輯節點。整個演練過程通過日志信息按時間順序記錄，包括演練過程中發生的所有事件信息、參與者的狀態變化以及其他動態內容。與日志對應的時間由時間片表示。Net 框架對日志信息進行定時和保存。

存儲層包括三個部分：系統數據結構、三維模型和三維場景文件，提供數據存儲服務。數據結構以 XML 文件形式保存，三維模型和三維場景數據以文件形式存儲，方便程序調用。

3.2 平臺搭建

平臺包括兩部分內容：后臺管理系統和前端虛擬仿真VR演練系統。

后臺管理系統是在 Windows 10操作系統上進行開發，實現了基于虛擬現實的突發事件多人協同應急演練系統的開發與運行，主要實現用戶、應急演練任務、演練腳本、演練計劃等管理。前端虛擬仿真VR演練系統主要通過 unity3d2017、3dmax2016等軟件開發，并借助HTC、Pico等VR硬件設備，進行多人協同虛擬仿真演練。硬件環境為 CPU i7-7500k，內存8Gb，顯卡 NVIDIA geforce gtx1060，系統可以在 PC、 平板 等平臺上發布，運行平穩，效果較好。實踐證明，該系統具有良好的可移植性，可以在多種硬件和軟件平臺上運行[3]。

4 結束語

從多人協作和虛擬現實的角度，分析了多人協作在城市運行突發事件應急演練中的應用需求，設計了突發事件多人協同應急演練系統。測試結果表明，該系統能夠滿足近百人在線協同應急演練的需求，為參與者提供了一個可重復、安全、高效的應急演練仿真培訓平臺，有效地提高了參與者的應急響應能力。