基于混合現實技術的情景構建應急演練仿真系統應用淺析

李國和 張家坤 李少春 曹南華 王闖

【摘要】? ? 近幾年，混合現實技術得到了迅猛發展，在許多行業得以利用。本文闡述了在抽水蓄能電站使用混合現實技術構建災害事故情景進行應急演練的優勢，并以電站建設過程中邊坡垮塌災害事故仿真演練應用為例進行了分析，可探索優化提升抽水蓄能企業的應急處置訓練能力的有效預防、及時控制和消除突發危害的方法，指導和規范企業突發安全事件應急處理工作，最大限度地減少參訓人員、設備、場所的投入。

【關鍵詞】? ? 混合現實? ?情景構建? ? 抽水蓄能? ?邊坡垮塌? ? 應急演練

引言：

隨著國民經濟的發展，國內抽水蓄能事業有了前所未有的發展。同時，在建設及生產過程中，各類應急突發事件時有發生，給建設及生產順利開展和運作帶來了較大的影響，亟須加強日常應急處置培訓。然而，在傳統應急處置培訓的過程中，缺乏有效的手段，導致存在較大的局限性和不足：一是理論學習多，實踐經驗少;二是經驗積累型，培養周期長;三是模擬訓練主要是紙上談兵，操作性不強;四是指揮能力的訓練和考核評價，臨機性不足;五是時域、空域限制多，實景復原不易實現。

一、混合現實技術的發展應用

混合現實（MR）技術，同時具備增強現實和虛擬現實仿真能力（MR=VR+AR，混合現實=真實世界+虛擬世界+數字化信息），是合并現實和虛擬世界而產生的融合可視環境，在新的可視環境里物理和數字對象共存，并實時互動。

MR技術實現了虛擬場景與真實世界的無縫融合，借助先進的圖像處理技術和顯示設備生成具備虛實融合特征的可視化環境，實現相異時空場景的嵌入。混合現實技術憑借其解放雙手，空間感知，虛實融合，多人協同，遠程輔助等前沿優勢，在建筑輔助與培訓、工業巡檢與協同、學科教學與實訓、軍事仿真與作訓等廣泛領域取得成功應用。

二、基于混合現實情景構建應急演練的優勢

本項目開創性的基于MR情景構建進行應急演練仿真，具有融合真實現實和虛擬現實的進行情景構建的優勢，將極有利于應急事故情景的模擬，不僅給受訓人員提供更具沉浸感、真實感的演訓體驗，還可以通過人為控制情景構建，提高事故情景在演訓過程中的靈活性，增加演訓難度，提升演訓效果。

（一）基于情景構建的仿真演練，掌控精準信息

基于情景構建，精準仿真邊坡垮塌事故，便捷模擬適配事故各類要素場景及事故處置過程，進行精準訓練。并利用混合現實技術虛擬仿真呈現提前預置好的事故情景構建場景，通過MR全息方式引導受訓者進行規范化的操作、考核及科學的評價。既解決實景還原，又能提供客戶科學的考評體系和規范化的訓練，從訓練與考評兩個方面極大提升實戰指揮能力、處置訓練和認知高度

（二）前沿科技武裝，高效安全訓練

解放現場人員雙手，使其注意力集中在事故處理訓練中，當演練人員佩戴MR頭盔進入虛實結合場景后，系統按訓練流程推送對應現場環境、設備等參數，投射于演練者面前，隊員通過手勢操作圖像呈現，強化訓練過程。

并支持遠程協同演練，可通過多人同步現場查看訓練過程，亦可通過遠程第一人稱視角查看訓練過程，并實時協同演練并給予指導。

（三）復用成本低，適用便攜性強

相比搭建全真實模型，采用MR技術進行培訓演練，成本更低，并可適用于各類訓練場合，并適合便捷攜帶至任何地點進行相關訓練。

（四）針對性強，提高應變能力

與真實演練相比，仿真演練系統的優勢就是可以方便模擬任何培訓項目，受訓者可以置身于各種復雜和突發環境中，進行針對性訓練，提高自身的應變能力。

在虛擬環境中完全不用擔心安全問題，可以大膽的嘗試各種演練方案，確保受訓人員的安全。

三、情景構建應急演練仿真系統組成

開展基于情景構建模的邊坡垮塌應急演練仿真研究，在設計與開發上充分考慮抽水蓄能企業的實際業務情況，以多年形成的工作規范和專業經驗為基礎進行系統建設，使系統具有良好的實用性。系統按照模塊化、結構化、規范化的準則進行設計，以達到系統結構具有較強的靈活性、通用性、復用性和可擴充性。

（一）情景構建平臺知識庫的建設

對邊坡垮塌事故進行知識要素分解，將仿真演練要素的規范內容進行分類管理，既可以根據素材類別（三維模型、視音頻、文檔、圖片、其他工程包）進行管理，也可以根據業務類別管理（場地類、NPC類、人物類、車輛類、建筑類、工具類等）管理。針對知識庫素材內容進行在線預覽、播放、設置標簽、生成縮略圖等功能。

按應急預案災害事件I級、II級、III級和IV級，四個級別分級標準，結構化分級要素，進行情景構建仿真要素知識庫建設。

同時，知識庫中所有內容，可以與其他軟件模塊進行交換，為后期項目中規劃的MR情景構建編輯器、MR作訓演練考評軟件中，可以直接引用知識庫中的內容。

（二）情景構建虛實結合事故仿真

運用MR系統實時空間定位技術，構建出的空間模型能與實際空間中的設備、墻面、地面等真實物件進行虛實結合體驗。通過光學傳感器提供融合三維全息圖在用戶所在的真實環境，將計算機生成的虛擬物體和信息疊加到真實的物理環境中，同時與用戶所在的真實環境之間的無縫結合，并且不借助任何外部互動設備就能進行有效的互動，以第一視角進行沉浸式增強體驗。利用MR技術進行水電站邊坡垮塌事故仿真，主要分為兩個應用場景，在應對不同的垮塌場景時，事故處置的流程稍微有些不同，在MR終端設置中可按照標準應急預案處置流程進行虛實結合仿真。

1.由洪水、地質等自然災害引起的垮塌

利用MR技術可模擬出洪水、地震等災害，通過虛實結合的方式，演練人員可以第一人稱視角參與到現場事故處置流程中，參與感強，為實戰積累經驗，提升事故處置水平。由地質災害引起的邊坡垮塌事故，主要應急處置流程分為：

（1）當由于地質災害出現邊坡垮塌事故時，應第一時間通知附近工作人員撤離。通過MR技術，模擬仿真出事故地點，顯示事故地點周邊撤離點，觸發通知事件，通知相應撤離點人員進行轉移安排;

（2）人員撤離后需要對人員進行清點工作，確認有無人員失蹤被埋，及時將現場情況通知相關負責人，可通過MR終端設備自帶攝像頭實時將現場影像回傳至指揮中心;

（3）同時，保護好現場，禁止無關人員進入，以免造成二次傷害。通過MR技術的實時空間感應技術，可模擬在現場建立對應的電子警戒圍欄，當有人通過圍欄時，圍欄閃紅提示并出現告警音;

（4）收集好現場人員信息后，指派專人進行搶險救援工作，通過MR技術自動匹配合適的救援人員進行自動通知安排任務;

（5）對現場出現的事故進行勘察、評估，制定恢復方案;

2.因支護不當或施工爆破引起的垮塌

由于人為因素造成的邊坡垮塌事故，多數是因支護不當或現場施工爆破引起，在進行事故處置時，與自然災害引發的事故稍有不同。由人為因素引起的邊坡垮塌事故，主要應急處置流程分為：

（1）事故發生后，應第一時間通知附近工作人員撤離到安全區域，并組織清點人數，確認無失蹤被埋人員。通過MR技術，模擬仿真出事故地點，顯示事故地點周邊撤離點，觸發通知事件，通知相應撤離點人員進行轉移安排，并將現場影像實時回傳至指揮中心;

2）如現場出現人員受傷或被埋，應立即組織現場救援工作。通過MR技術，可實時顯示當前區域可用醫療資源，選擇對應醫療資源即可聯通對接，實時查看現場影像，說明事件原因、受傷情況等，安排救援工作;

（3）保護好現場，禁止無關人員進入，以免造成二次傷害。利用MR技術的實時空間感應技術，可模擬在現場建立對應的電子警戒圍欄，當有人通過圍欄時，圍欄閃紅提示并出現告警音;

（4）對現場出現的事故進行勘察、評估，組織設計，制定恢復方案，采取合適措施進行加固防護，通過MR技術可虛實結合展示方案內容;

（三）情景構建全息誘導應急演練

MR終端通過傳感器數據驅動事故報警，當檢測到事故時，會通過全息的方式進行提示，如告警音、事故部件閃爍提醒，應急帶上MR設備以后，通過報警音效、可視化定位報警，確定事故源，通過MR系統全息指引方式，在空間中展示報警位置，并規劃好路徑，確保演練人員能盡快到達事故源。

通過MR全息方式對事故處理過程進行全程誘導操作，將標準化的操作流程全息化展現，通過空間定位感知和虛實結合，精確指引演練人員對出事故部位進行故障定位，并通過標準化的電子手冊全息進行誘導操作，每一步操作都有相應的動畫指引，并配有相應的語音提示，演練人員只需要按照全息動畫指引一步步操作即可完成故障的處理，即使是新手也很容易上手操作，極大提高了培訓效率。當演練過程中有錯誤操作時，系統會給出相應的判斷，通過報警音效、畫面頻閃等方式進行警示，實時警示。

四、結束語

基于情景構建的邊坡垮塌應急演練仿真，通過MR仿真的形式，重現事故現場場景，操作人員以身臨其境的感官體驗，進行相應的實操性的應急行動，從而能較真實形象的鍛煉應急處置人員的組織指揮能力和臨場處置能力。該項目建設完成后，將具備各類災情知識體系拓充能力，支持情景構建場景還原、事故仿真編輯、情景構建作業流程設置和指揮考核體系自定義的標準化。并通過編輯仿真場景，配置情景構建作業流程，調用情景構建處置方案，進行規范化實操指揮訓練的能力;并可輸入考評體系數據，開展指揮作業的能力考評，關聯考評指標任務，完成能力評價。從而提升應急處置人員對于事故的認知能力和事故現場排兵布陣、人員調動、現場控制及處置水平。

作者單位：李國和? ? 國網新源控股有限公司

張家坤? ? 山東濰坊抽水蓄能有限公司

李少春? ? 國網新源控股有限公司

曹南華? ? 王闖? ? 山東濰坊抽水蓄能有限公司

參? 考? 文? 獻

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