基于混合現(xiàn)實技術(shù)的情景構(gòu)建應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)應(yīng)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(xiàn)實技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在許多行業(yè)得以利用。本文闡述了在抽水蓄能電站使用混合現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建災(zāi)害事故情景進行應(yīng)急演練的優(yōu)勢，并以電站建設(shè)過程中邊坡垮塌災(zāi)害事故仿真演練應(yīng)用為例進行了分析，可探索優(yōu)化提升抽水蓄能企業(yè)的應(yīng)急處置訓(xùn)練能力的有效預(yù)防、及時控制和消除突發(fā)危害的方法，指導(dǎo)和規(guī)范企業(yè)突發(fā)安全事件應(yīng)急處理工作，最大限度地減少參訓(xùn)人員、設(shè)備、場所的投入。

【關(guān)鍵詞】? ? 混合現(xiàn)實? ?情景構(gòu)建? ? 抽水蓄能? ?邊坡垮塌? ? 應(yīng)急演練

引言：

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)抽水蓄能事業(yè)有了前所未有的發(fā)展。同時，在建設(shè)及生產(chǎn)過程中，各類應(yīng)急突發(fā)事件時有發(fā)生，給建設(shè)及生產(chǎn)順利開展和運作帶來了較大的影響，亟須加強日常應(yīng)急處置培訓(xùn)。然而，在傳統(tǒng)應(yīng)急處置培訓(xùn)的過程中，缺乏有效的手段，導(dǎo)致存在較大的局限性和不足：一是理論學(xué)習(xí)多，實踐經(jīng)驗少;二是經(jīng)驗積累型，培養(yǎng)周期長;三是模擬訓(xùn)練主要是紙上談兵，操作性不強;四是指揮能力的訓(xùn)練和考核評價，臨機性不足;五是時域、空域限制多，實景復(fù)原不易實現(xiàn)。

一、混合現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

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

MR技術(shù)實現(xiàn)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(shù)和顯示設(shè)備生成具備虛實融合特征的可視化環(huán)境，實現(xiàn)相異時空場景的嵌入。混合現(xiàn)實技術(shù)憑借其解放雙手，空間感知，虛實融合，多人協(xié)同，遠程輔助等前沿優(yōu)勢，在建筑輔助與培訓(xùn)、工業(yè)巡檢與協(xié)同、學(xué)科教學(xué)與實訓(xùn)、軍事仿真與作訓(xùn)等廣泛領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。

二、基于混合現(xiàn)實情景構(gòu)建應(yīng)急演練的優(yōu)勢

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

（一）基于情景構(gòu)建的仿真演練，掌控精準(zhǔn)信息

基于情景構(gòu)建，精準(zhǔn)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(zhǔn)訓(xùn)練。并利用混合現(xiàn)實技術(shù)虛擬仿真呈現(xiàn)提前預(yù)置好的事故情景構(gòu)建場景，通過MR全息方式引導(dǎo)受訓(xùn)者進行規(guī)范化的操作、考核及科學(xué)的評價。既解決實景還原，又能提供客戶科學(xué)的考評體系和規(guī)范化的訓(xùn)練，從訓(xùn)練與考評兩個方面極大提升實戰(zhàn)指揮能力、處置訓(xùn)練和認知高度

（二）前沿科技武裝，高效安全訓(xùn)練

解放現(xiàn)場人員雙手，使其注意力集中在事故處理訓(xùn)練中，當(dāng)演練人員佩戴MR頭盔進入虛實結(jié)合場景后，系統(tǒng)按訓(xùn)練流程推送對應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備等參數(shù)，投射于演練者面前，隊員通過手勢操作圖像呈現(xiàn)，強化訓(xùn)練過程。

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

（三）復(fù)用成本低，適用便攜性強

相比搭建全真實模型，采用MR技術(shù)進行培訓(xùn)演練，成本更低，并可適用于各類訓(xùn)練場合，并適合便捷攜帶至任何地點進行相關(guān)訓(xùn)練。

（四）針對性強，提高應(yīng)變能力

與真實演練相比，仿真演練系統(tǒng)的優(yōu)勢就是可以方便模擬任何培訓(xùn)項目，受訓(xùn)者可以置身于各種復(fù)雜和突發(fā)環(huán)境中，進行針對性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力。

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

三、情景構(gòu)建應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)組成

開展基于情景構(gòu)建模的邊坡垮塌應(yīng)急演練仿真研究，在設(shè)計與開發(fā)上充分考慮抽水蓄能企業(yè)的實際業(yè)務(wù)情況，以多年形成的工作規(guī)范和專業(yè)經(jīng)驗為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)建設(shè)，使系統(tǒng)具有良好的實用性。系統(tǒng)按照模塊化、結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化的準(zhǔn)則進行設(shè)計，以達到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強的靈活性、通用性、復(fù)用性和可擴充性。

（一）情景構(gòu)建平臺知識庫的建設(shè)

對邊坡垮塌事故進行知識要素分解，將仿真演練要素的規(guī)范內(nèi)容進行分類管理，既可以根據(jù)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(jù)業(yè)務(wù)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(nèi)容進行在線預(yù)覽、播放、設(shè)置標(biāo)簽、生成縮略圖等功能。

按應(yīng)急預(yù)案災(zāi)害事件I級、II級、III級和IV級，四個級別分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)化分級要素，進行情景構(gòu)建仿真要素知識庫建設(shè)。

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

（二）情景構(gòu)建虛實結(jié)合事故仿真

運用MR系統(tǒng)實時空間定位技術(shù)，構(gòu)建出的空間模型能與實際空間中的設(shè)備、墻面、地面等真實物件進行虛實結(jié)合體驗。通過光學(xué)傳感器提供融合三維全息圖在用戶所在的真實環(huán)境，將計算機生成的虛擬物體和信息疊加到真實的物理環(huán)境中，同時與用戶所在的真實環(huán)境之間的無縫結(jié)合，并且不借助任何外部互動設(shè)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(shù)進行水電站邊坡垮塌事故仿真，主要分為兩個應(yīng)用場景，在應(yīng)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(shè)置中可按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急預(yù)案處置流程進行虛實結(jié)合仿真。

1.由洪水、地質(zhì)等自然災(zāi)害引起的垮塌

利用MR技術(shù)可模擬出洪水、地震等災(zāi)害，通過虛實結(jié)合的方式，演練人員可以第一人稱視角參與到現(xiàn)場事故處置流程中，參與感強，為實戰(zhàn)積累經(jīng)驗，提升事故處置水平。由地質(zhì)災(zāi)害引起的邊坡垮塌事故，主要應(yīng)急處置流程分為：

（1）當(dāng)由于地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)邊坡垮塌事故時，應(yīng)第一時間通知附近工作人員撤離。通過MR技術(shù)，模擬仿真出事故地點，顯示事故地點周邊撤離點，觸發(fā)通知事件，通知相應(yīng)撤離點人員進行轉(zhuǎn)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(xiàn)場情況通知相關(guān)負責(zé)人，可通過MR終端設(shè)備自帶攝像頭實時將現(xiàn)場影像回傳至指揮中心;

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

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

（5）對現(xiàn)場出現(xiàn)的事故進行勘察、評估，制定恢復(fù)方案;

2.因支護不當(dāng)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(shù)是因支護不當(dāng)或現(xiàn)場施工爆破引起，在進行事故處置時，與自然災(zāi)害引發(fā)的事故稍有不同。由人為因素引起的邊坡垮塌事故，主要應(yīng)急處置流程分為：

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

2）如現(xiàn)場出現(xiàn)人員受傷或被埋，應(yīng)立即組織現(xiàn)場救援工作。通過MR技術(shù)，可實時顯示當(dāng)前區(qū)域可用醫(yī)療資源，選擇對應(yīng)醫(yī)療資源即可聯(lián)通對接，實時查看現(xiàn)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(xiàn)場，禁止無關(guān)人員進入，以免造成二次傷害。利用MR技術(shù)的實時空間感應(yīng)技術(shù)，可模擬在現(xiàn)場建立對應(yīng)的電子警戒圍欄，當(dāng)有人通過圍欄時，圍欄閃紅提示并出現(xiàn)告警音;

（4）對現(xiàn)場出現(xiàn)的事故進行勘察、評估，組織設(shè)計，制定恢復(fù)方案，采取合適措施進行加固防護，通過MR技術(shù)可虛實結(jié)合展示方案內(nèi)容;

（三）情景構(gòu)建全息誘導(dǎo)應(yīng)急演練

MR終端通過傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動事故報警，當(dāng)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(yīng)急帶上MR設(shè)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(tǒng)全息指引方式，在空間中展示報警位置，并規(guī)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(dǎo)操作，將標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程全息化展現(xiàn)，通過空間定位感知和虛實結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化的電子手冊全息進行誘導(dǎo)操作，每一步操作都有相應(yīng)的動畫指引，并配有相應(yīng)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(xùn)效率。當(dāng)演練過程中有錯誤操作時，系統(tǒng)會給出相應(yīng)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(jié)束語

基于情景構(gòu)建的邊坡垮塌應(yīng)急演練仿真，通過MR仿真的形式，重現(xiàn)事故現(xiàn)場場景，操作人員以身臨其境的感官體驗，進行相應(yīng)的實操性的應(yīng)急行動，從而能較真實形象的鍛煉應(yīng)急處置人員的組織指揮能力和臨場處置能力。該項目建設(shè)完成后，將具備各類災(zāi)情知識體系拓充能力，支持情景構(gòu)建場景還原、事故仿真編輯、情景構(gòu)建作業(yè)流程設(shè)置和指揮考核體系自定義的標(biāo)準(zhǔn)化。并通過編輯仿真場景，配置情景構(gòu)建作業(yè)流程，調(diào)用情景構(gòu)建處置方案，進行規(guī)范化實操指揮訓(xùn)練的能力;并可輸入考評體系數(shù)據(jù)，開展指揮作業(yè)的能力考評，關(guān)聯(lián)考評指標(biāo)任務(wù)，完成能力評價。從而提升應(yīng)急處置人員對于事故的認知能力和事故現(xiàn)場排兵布陣、人員調(diào)動、現(xiàn)場控制及處置水平。

作者單位：李國和? ? 國網(wǎng)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(wǎng)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

[1]楊官霞. 抽水蓄能電站事故演習(xí)及培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計[D]. 浙江工業(yè)大學(xué)， 2011.

[2]蘆倩，朱朝陽，于振，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)急演練模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù)，2015，13（3）：7-11.

[3]王國棟，任鋼.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)急推演沙盤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].軟件，2012，33（8）：23-27.

[4]閆瑞杰，李海香，蘇華鶯，等.情景模式背景下電力應(yīng)急演練仿真平臺研究[J].電子測試，2016，（23）：95-96.