基于虛擬現實技術的食品安全應急演練系統

李 晶 鄒吉濤

(1. 國家藥品監督管理局高級研修學院，北京 100073；2. 北京都市森林科技有限責任公司，北京 102299)

食品安全應急演練是提升人員能力，保障人們“舌尖上安全”，維護社會和諧穩定的重要手段。傳統食品安全應急演練形式一般分為桌面演練、功能演練和綜合演練等[1-2]。桌面演練是指針對事先假定的突發事件依據應急預案討論和推演應急處置的過程，一般為口頭演練，在會議室完成。功能演練是一種更貼近實戰的桌面演練。人員一般以其在應急工作中的實際角色參演，對某項應急響應功能進行演練，一般在應急指揮中心完成，調用有限的資源。綜合演練是傳統意義上的實戰演練，是指針對突發事件發生及發展情景，通過實際操作完成真實應急響應的過程，一般采取交互式方式進行，調用更多的應急人員和資源。傳統應急演練主要是在室內或者固定的場所完成，且受時間限制，存在真實性不足、形式單一、成本較高等問題[3-6]。近年來，國家在推動人工智能、移動互聯、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)等新一代信息技術深度應用，加強應急管理應用創新、模式創新[7]，以及促進VR教育資源開發[8]等。VR得到了快速發展，VR主要是利用現實生活中的數據，通過計算機等設備將其轉化為逼真的、三維的虛擬環境，具有多感知性、交互性、沉浸感等特點，將其用在應急演練領域，有利于提高應急演練真實性、推動建設快速反應的專業應急管理隊伍，VR應急演練系統在此特定的背景下應運而生。目前VR應急演練系統已經被廣泛應用于自然災害和重大事故應急演練工作中，如澳大利亞最大的列車客運公司StateRail研制了用于學習如何處置火災、爆炸等緊急情況的虛擬仿真系統[9]；朱新平等[10-11]構建了機場消防應急救援虛擬演練平臺；金浩等[12]將VR應用于水上應急救援模擬訓練系統；萬晶宇等[13]設計了基于VR的配電盤火災應急處置模擬系統；李敏等[14-15]實現了基于VR的地震應急救援演練系統；侯建明等[16]基于Unity3D虛擬現實開發平臺設計了礦上救援虛擬仿真演練系統；張蕊等[17-18]搭建了國際郵輪港虛擬仿真平臺；田晶晶等[19]將VR技術應用在化學工業安全隱患排查、生產模擬演練中。但是在現有研究成果中，針對食品安全領域，主要開發了食品安全仿真教學系統、檢驗檢測試驗仿真操作系統等[20-22]，并沒有研究直接用于食品安全突發事件的仿真演練系統。

研究立足于食品安全領域，基于VR開發集動畫、測試、聲音與人機交互于一體的應急演練系統，實現在仿真環境中體驗多種演練要素，以期彌補傳統應急演練的不足、提升演練效果。

1 食品安全仿真演練系統特點

食品安全仿真應急演練系統依托于VR技術，仿真模擬典型的食品安全突發事件現場，通過人機交互的操作，實現應急演練時的沉浸式體驗，其具有以下特點：

(1) 真實性：以現實環境為基礎進行虛擬建設，操作規則同樣立足于現實中實際的食品安全應急處置過程。

(2) 可擴展性：配備接口，實現不同的場景的三維動態配置。

(3) 科學性：依據科學的計算對場景進行演練，依據物理引擎計算虛擬場景的模擬演示效果。

(4) 實時性：演練中產生的各種命令或者行為能夠實時地得到響應。

(5) 協同性：支持多臺計算機終端在同一場景內進行協同演練和觀察。

(6) 安全性：可模擬極端情況下(如地震、雪災等)的食品安全突發事件場景，保證人員在實際操作中的安全。

(7) 靈活性：演練數據易于收集，系統可以選取不同的算法進行演練評估。

(8) 易用性：友好的用戶界面，軟件設計符合使用者的習慣與需求。

2 食品安全仿真演練系統構建

2.1 系統開發工具

系統軟件技術主要包括：

(1) 場景設計：利用AutoDesk公司的3D max軟件進行建模，還原真實的食品安全突發事件場景。

(2) 界面設計：利用Unity3D軟件關聯編輯模型和數據，進行系統界面和環境的配置等[23-24]。

(3) 交互實現：控制邏輯使用C#腳本進行開發。

(4) 網絡技術：采用UDP、TCP的數據傳輸。

(5) 服務器端：采用VS 2019開發，開發語言為C#。

(6) 數據庫接口：采用mySQL數據庫連接情景庫、演練數據等數據庫存內容。

系統硬件系統主要包括：服務器、頭戴式仿真頭盔、手持設備等。

2.2 系統總體架構

系統由操作層、業務層、邏輯層、虛擬層和基礎服務層構成，總體架構如圖1所示。

用戶層：包括使用系統的演練人員和管理人員兩個層級。

圖1 系統總體架構圖

業務層：是整個系統架構的核心部分，形成系統的業務模塊，包括培訓、演練和評價等子系統。

邏輯層：是整個系統的運行邏輯結構，包括交互行為邏輯、業務邏輯以及相應的數學模型。

虛擬層：涵蓋演練過程中需要的虛擬數據，包括三維場景庫、事件情景庫、虛擬物品、虛擬人物等。

基礎服務層：是整個系統的支撐體系，主要包括支持虛擬仿真系統開發的三維引擎、數據存儲設備、交互設備、數據庫等系統所需等軟硬件設施。

2.3 系統模塊構成

系統設計為C/S模式，分為服務器端和客戶端。系統模塊組成如圖2所示。

圖2 系統模塊組成

服務器端：進行演練事件類型選擇、演練場景設置、演練關鍵點設置、交互語言設置、演練計劃配置、演練評估規則設置等。

客戶端：演練人員登錄后，選擇演練場景開始演練，根據演練目標進行現場勘查，并對場景中的突發事件進行處置，演練完成后查看演練得分等。

2.4 系統演練流程設置

系統演練流程如圖3所示，系統通過頭戴式仿真頭盔、手柄等演練設備與演練人員進行交互，演練人員的操作數據通過網絡通訊功能，實現多地區的演練人員之間的協同工作。每次演練開始前，由演練組織單位制定演練預案并進行推演，理論分析通過后進行實際演練，演練的數據進行匯總并對每個演練人員的行為進行評價。演練系統提供針對不同角色進行訓練的功能。演練角色按照食品安全事故應急預案[25]設置，包括綜合協調組、事故調查組、危害控制組、醫療救治組、檢測評估組、社會穩定組、新聞宣傳組等，各小組根據分組不同，有不同的職能工作。

圖3 演練流程示意圖

2.5 系統演練場景設計

通過分析實際食品安全突發事件場景以及應急處置流程，結合專家咨詢意見，選取了10個典型的食品安全突發事件發生場景以及應急處置關鍵控制點(演練關鍵點)進行系統的演練場景設計和建模。10個場景如表1所示。人員進入模擬情景后，會進行應急處置關鍵點的演練，演練完成后會分析得到事件發生的原因。

表1 系統演練場景及演練關鍵點

2.6 系統關鍵技術實現

2.6.1 系統三維模型和場景建立 場景和模型的建立是整個系統功能實現的基礎。常規的虛擬三維模型，是一個完整的數字化真實場景信息庫，它不僅包含場景構件的幾何信息、專業屬性和狀態信息，還包含非構件對象的狀態信息，如空間和運動行為等。食品安全仿真演練系統運行環境為頭戴式VR一體機設備，需適配該設備的計算平臺和顯示分辨率，以達到展現大型場景的同時又不損失顯示效果和顯示效率，故系統建模時有以下關鍵點。

(1) 降低模型的三角形面數，對于有明顯視角變化的集合體，采用實體模型進行繪制，盡量使用規則幾何體展示，對于沒有視角變化的一些表面細節，采用紋理欺騙視覺的方式利用平面展示顯示內容，可以減少模型顯示效率損失，保留盡可能多的模型細節。

(2) 實體模型中的邊角部分和凹凸部分，采用凹凸貼圖或法線貼圖[26]的方式進行展示，在不添加多邊形的前提下，為模型添加細節。

(3) 圖形顯示設備繪制圖形時，對于所有使用同一張紋理的模型，建立成一個獨立的物體(不以實際物體的構成規律構建物體)，減少切換次數，顯著提高顯示效率。同時，采用光照貼圖，對于光照效果需要不明顯的部分，直接記錄光線反射效果，不需要實時計算，進一步降低顯示時的性能需求，增加效果且不增加系統計算壓力。

(4) 簡化真實場景描述的虛擬模型。在食品安全應急演練場景模型中，許多信息被刪除，以方便人們在計算機中直觀地看到并編輯。它不包含材質信息、光影描述、環境物理信息等細節，只包含三維幾何數據，沒有(或很少)物體屬性數據，以便用于圖形可視化。

(5) 程序流程控制技術。系統所有的場景總體的運行邏輯相同，僅僅是場景內容和系統選項不同，為提升系統運行可靠性，開發過程中采用建立抽象管理層的方式控制程序流程，場景、交互形式、交互文字、飾品、語音內容等均視為可配置元素。對于不同的演練場景，主要的變化就是可配置元素，整體運行邏輯不變，將單個場景的開發流程工作變化為業務驅動引擎開發工作，增加不同的訓練場景工作僅需變化為開發不同的模型以及約定交互內容，確保系統易于調試修改，便于動態編輯配置演習內容，且單個場景運行穩定后，所有的虛擬訓練場景均穩定。

2.6.2 食品安全應急演練場景模型特點 與常規虛擬三維場景模型相比，食品安全應急演練場景模型具有以下特點：

(1) 可視化。食品安全應急演練場景模型的可視化是一種可以與場景形成交互和反饋的可視化。不僅可以通過插入圖文視頻資料等進行展示，還可以通過評價體系生成演習評分數值，更重要的是醫療救治、事件調查、檢驗檢測等過程中的溝通、討論、決策都是在可視化的狀態下進行的。

(2) 協調化。協調是品安全應急演練的核心內容。無論是綜合協調組，還是事故調查組，危害控制組，醫療救治組，新聞宣傳組等，都在做協調配合。

(3) 最佳化。食品安全應急演練，本質上就是一個食品安全事故設計、各組協調的過程，是一個不斷優化流程的過程。優化受到3個因素的制約：事故信息、事故復雜度和各組處理時間。食品安全應急演練系統及其支持的優化工具為復雜食品安全事故的流程優化提供了可能。

3 食品安全仿真演練系統演練效果

以工地食品安全突發事件的應急演練為例。演練人員登錄系統后，選擇工地食品安全突發事件情景并點擊確定，界面如圖4(a)所示。演練人員進入工地虛擬場景后，到達突發事件現場，按照系統給出的指示了解突發事件發生的過程，隨即如圖4(b)所示選擇不同的虛擬身份參與到不同的演練內容，對事件進行處置，分別進行事故調查、信息報告、醫療救治、檢測檢驗、善后處置等具體操作。比如事件調查組點取場景中的可交互的人物，詢問癥狀、事件起因、經過、時間、事發單位情況、涉事食品相關情況等信息，并進行事故的信息報告；醫療救治組可進行現場救治交互行為，對事件涉及的傷病人員進行診斷治療，選擇胸外按壓、喂藥、催吐、轉運到有條件的醫療機構加強救治等方式。檢測評估組可開展相關應急檢驗檢測工作，點取食物，進行滴定測試，隨機顯示不同的顏色，隨機產生不同的化驗結果，綜合分析檢測數據從而進行事故原因和趨勢的分析，如圖4(c)～圖4(e)所示。演練結束后，對演練人員的操作進行評價，包括人員對各種不同情形下的應急處置流程的了解程度，應急處置過程的操作流程熟悉度，實際處置過程中是否存在次序錯誤，是否遺漏處置必要的操作環節，是否充分表現出專業的處置技巧、是否有全局觀、是否能夠有效降低突發事件引起的社會效應等。最后得出演練得分，如圖4(f)所示。

圖4 演練交互操作

該系統已成功應用于食品安全監管部門。應用部門反饋表明，系統場景設置合理，演練模塊設計科學，較好地還原了真實食品安全突發事件場景和實際應急處置流程，體驗真實，操作簡潔、在食品安全應急演練領域具有首創性，有助于提升人員專業水平和處置能力。

4 結論

食品安全仿真演練系統比傳統演練具有更高的真實性和靈活性，能夠實現人員沉浸式演練，具有較好的應用前景。隨著虛擬現實技術在體驗感和成本控制以及應用推廣方面的快速發展，虛擬演練必然為各級政府提供更多的食品安全突發事件應急處置的輔助決策手段。下一步，可以進一步探索實現多人協調虛擬演練以及構建相應的演練效果評價體系。