港口災害事件虛擬現實應急演練研究

呂潔印 吳兵 汪洋 劉少博 周受欽

摘要：針對港口災害事件應急管控的需求和我國在災害處置應急模擬仿真演練能力偏弱的問題，本文指出高水平應急模擬仿真演練能力是港口災害事件應急管控的重要保障，并對應急模擬仿真演練存在的技術挑戰和港口災害應急模擬仿真演練能力提升的關鍵技術及策略進行了闡述，旨在改善港口災害事件的應急管控能力。

關鍵詞：港口;災害事件;應急演練;虛擬現實

中圖分類號：X951? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0039-04

港口安全是城市公共安全的重要組成部分，提高安全生產水平和完善應急管理能力是國家發展的內在需求。隨著全球經濟貿易發展，港口的地位顯著提升，港口集裝箱吞吐量決定著世界貿易量。港口貨物的集疏運活動覆蓋了從城市腹地經到海洋近岸的廣闊區域，也使得港口集疏運企業的生產作業安全與城市的公共安全休戚與共。港口是裝卸各類大型貨物、石油化工原料、各類危化品儲罐等較多的高風險區域，如天津812集裝箱爆炸、8.4貝魯特港口大爆炸等，均造成了不可彌補的重要損失。針對港口重大災害事件構建應急管理救援協同聯動指揮系統至關重要。

應急演練是應急管理的一種重要形式，是政府和企事業單位檢驗并提高應急準備能力的重要環節，成功的應急演練活動可提供預防安全事故的思路，其中通過數字仿真技術實現的演練日益在應急演練活動中顯示出難以替代的作用。應急演練/訓練系統通過虛擬現實技術為用戶（參訓人員）提供人-機交互環境（如模擬實物的操作硬件），從而使得用戶在虛擬環境中感受自身的操作行為及其操作效果，達到低成本、無害、可重復訓練的目的。

1港口應急管控能力尚需提升，應急演練模擬仿真是關鍵

港口災害事件應急管理與救援處置流程非常復雜，是一項涉及到各級政府部門、企事業單位以及人民群眾的系統工作。加強應急管理體系信息化和智能化建設，構建結構完整、功能全面、反應靈敏、運轉高效的港口災害事件監測預警和協同聯動應急指揮體系，從而提高港口應急管理和救援指揮的系統性、科學性和時效性比較迫切。

目前國內外針對港口區域內集裝箱、危化品罐箱的裝載/卸載、堆場存放、到港/離港和港區運輸等環節的應急管理和災害處置研究還比較欠缺，對于港口所面臨災害事件風險的應急管理與救援以及發生事故災害后的協同聯動處置研究還不成熟。

我國在災害發生后的中后期處置能力缺乏對現場救援的應急模擬仿真演練能力，不清楚應急處置力量如何充分配置、是否科學合理，導致事故發生后出現被動應急和盲目救援。隨著應急管理工作扎實推進，應急演練相關問題研究也逐漸受到專家學者的重視。

傳統應急救援模擬演練系統多為基于既定預案的程式化推演，設置好條件參數后，系統根據設置配合參演人員完成技術培訓和模擬演練，而港口災害中引起災害的介質、情景、環境、位置具有特殊性，傳統應急救援方案和策略難以有效應用。

應急模擬仿真演練系統旨在以港口物流各個階段生產活動涉及的貨物裝卸、運輸和存放為線索，重構此過程中事故端倪、事故干預和應急救援等場景，為不同職能部門對各類事件的聯合處置提供互操作的平臺。當前，應急模擬仿真演練系統的特征包括：具有多人、多角色、多任務的人-機交互環境，系統中的人員需要通過協同工作共同完成設定的任務;具有預先想定的場景、情節和任務前提，參訓人員各自承擔的子任務更多地體現了個體對即時戰略的理解和判斷;各個人員的協同操作和決策形成對整體態勢的作用，并與后臺的智能體（Agent）群體行為、機器決策、情景約束等條件共同決定情節的發展直至最終的操作結果。

所以，應急救援仿真演練系統需要具備各類港口災害隱患現場的情景數據動態接入能力，系統基于事態預判、決策優化和動態推演，輸出科學合理的定制化應急救援方案;同時系統具備智能化自適應能力，支持對沒有既定預案的新災害情景的應急救援演練，從而通過智能化交互式仿真演練技術提升港口災害應急救援中的多角色聯動協同指揮和應急處置能力。

針對港口災害事件處理，如何突破基于單一既定預案程式化推演的傳統應急救援模擬演練系統，面向港口災害復雜動態實時變換場景，建立包括不同介質特性災害源、災害態勢形態、災害場景活動體與基礎設施、應急救援裝備與救援力量、應急處置手段、應急救援物資等多視角智能體模型和交互式聯動關系，融合災害現場情景動態感知數據、災害態勢推演模型，基于專家知識庫和具備機器學習能力的決策算法，實現基于動態仿真、虛實融合、優化決策、智能交互的應急救援仿真演練和效果評價，是應急管理能力的重要保障。

2應急模擬仿真演練系統存在的技術挑戰

2.1異構對象模型集成

單用戶、單任務情境下建模對象的類型相對單一，模型接口相對簡單，模型規模相對較小，系統運行依賴于相同或相似的物理規律，對模型的理解和定義容易形成一致，因此單一領域仿真模型集成的難度相對較小。但多用戶、多任務的情形下，往往涉及大規模的模型體系，仿真模型之間的依賴關系交互關系復雜，模型的異構特點突出。而且，多用戶之間的協同行為將產生各種模型間的“自組織”關聯形態，導致集成更困難。

2.2基于角色模型的形式化表達

缺乏對多用戶仿真行為假設與保證的形式化描述機制，使提高模型的可組合性面臨較大挑戰。虛擬空間中用戶的行為構成了角色-協議-協作（RPC）的動作描述框架，在多用戶的情形下，這種動作描述框架受到較大制約。機器和自然人共同參與模型組合的交互過程，使得角色與用戶之間形成多對多的映射，從而必須對傳統 RPC 進行大幅改造才能適應這種動態關聯，多用戶的人機交互在邏輯、時序和行為等價性三方面對組合模型的語義尚缺乏有效性進行驗證。

2.3人機交互環境下行為與情節的束定

多用戶的交互式仿真系統中，通過人-機操作而形成在虛擬空間中的“介入式”活動，將會使系統中的情節發展出現非常復雜甚至難以估計的結果。傳統仿真系統中對實體行為或運動的方法包括 DEVS （DiscreteEvent System Specification）、進程代數等。多用戶和多任務的復雜環境下，由于上述這些方法自身并沒有充分考慮用戶操作在時序、空間和邏輯上的約束、沖突或一致性檢驗。因此，必須在仿真訓練系統的引擎中建立相關的機制來保證事件發生、情節走勢的合理性條件/邊界。

2.4用戶并行性與一致性處理

通常虛擬環境中需要對自然對象（用戶）和程序生成的對象進行一體化處理。在多用戶條件下，用戶行為和程序生成對象之間容易產生資源爭用、沖突對抗、行為糾纏等狀況。現階段實體組織模型 HLA（High Level Architecture）等并未充分解決多用戶的并行一致性問題，特別是在用戶數量較多時，通信和同步開銷與用戶數目的平方成正比，因此用戶行為之間的同步需要額外的機制來實現，以保證整個應急指揮訓練多角色、多任務在運行期的平穩性。

3港口災害事件應急模擬仿真演練能力提升關鍵技術

3.1港口災害場景的三維動態虛擬場景建模技術

為實現災害事件作用下災害要素作用于承災載體的三維可視化，基于關鍵參數控制的三維模塊化建模系統是必要的，借助災害動力學演化理論研究災害全要素動態三維建模方法和聯動算法，實現典型災害模塊化動態建模，實現對多層次災害場景的動態三維模型構建與可視化;災害事件的應急處置演練的領域模型來自具體的業務對象，需要通過行業專家知識和公共安全的應用導向，建立相應的運行期仿真模型和資源的支持體系，包括場景、演化規則、約束、對象運動的邊界等。按照“水”側和“岸”側的劃分，港口集疏運生產經營活動研制仿真系統的實例化版本。為實現對災害影響下船舶、車輛、人員、設備、建筑以及基礎設施的災害行為演化的三維可視化與虛擬建模，基于其行為特征開發災害環境自適應的動態行為交互三維模型表達方法。

3.2三維虛擬環境下災害演化與應急救援耦合港口災害應急救援決策仿真與優化技術

通過在虛擬三維環境對災害事件、災害要素和承災載體進行可視化表達，結合災害演化態勢和應急決策優化算法，生成港口集疏運場景交通系統應急疏散仿真與疏散方案優化方法和受災區域人群疏散仿真與疏散方案優化方法;研究多種災害場景下不同類型應急救援資源的需求預測、配置策略、配置優化方法與模型等，并通過基于多智能體的虛擬仿真演練系統進行仿真推演，形成應急救援決策和方案的優化模型，確定不同情況下應急救援決策變量的最優，進而構建和優化應急救援知識庫，實現對應急預案的智能化管理和對救援人員與指揮人員的科學訓練。

3.3基于多智能體的港口災害應急救援多視角主體應急救援仿真演練與評價技術

切合實戰的應急救援仿真演練需要能夠實現演練人員之間的信息實時交互和救援行動協同。面向仿真演練中真實或虛擬參與主體，設計多層級的應急救援指揮架構、行動角色及信息傳導機制，并將不同的參與主體以不同的視角適配相應的任務，構建虛實融合的多視角應急救援仿真演練模型，實現真實人員與虛擬人員的智能化交互和對應急救援指揮過程的智能化仿真演練;基于仿真推演進行應急決策知識庫驗證與應急演練評價，根據制定的應急演練效果評價指標體系，實現對應急救援演練過程中各參與主體的表現進行定性和定量評價，為參訓人員提供智能的自評價分析系統。

3.4虛實融合三維仿真演練系統架構及功能模塊開發技術

面向港口災害事件開展虛實融合的三維仿真演練系統開發，采用面向異構平臺的綜合仿真集成策略形成仿真系統的多服務器分布式異構集成系統，制定仿真系統的標準接口。開發仿真模型與組件文件的映射和搜索方法，實現仿真演練系統多層次模型的接入與運行和在應急指揮管控平臺的對接與集成。開展多視角虛實結合應急救援仿真演練功能模塊開發，提供人員在環的仿真，實現人機交互功能，引入實操層面虛擬演練平臺成果，實現交叉場景中應急演練數據交互和崗位工作流的呈現，構建涵蓋應急處置、事故阻隔、預案評估的應急仿真演練訓練系統，實現多視角、虛實結合、人員在環的仿真推演，支持自動記錄演練過程，對演練效果以及其它應用在演練中的執行情況進行評估，對演練的合理性進行可視化分析并給出結論。

4港口災害事件應急模擬仿真演練能力提升策略

以港口-城市的“安全共同體”為視角，從港口集疏運行業已發生的安全事故以及尚未最終釀成事故的各類危險事件著手，提取港口在災害事件應急管理上的需求。同時，將對這些災害事件案例的應急處置方式作為知識和樣本進行處理，通過統計和學習算法將其結構化地表示為應急處置和決策支持案例。針對港口集疏運常見災害事件，開展專項實地調研和問卷調查，結合已有應急預案和采集到的專家知識，研究災害事件和應急管理的知識表示方法;在綜合運用多種知識關聯識別技術和系統動力學模型的基礎上，研究系統化的災害事件演化軌跡表示與生成技術，構建包含常見災害事件動態演化軌跡的案例庫和知識庫原型;將案例庫和知識原型作為構造災害事件初始情景的依據，并將其腳本化加載到開發的災害事件應急演練平臺;通過多次仿真演練和評價反饋，不斷迭代更新案例庫和知識庫的內容，研究案例庫和知識庫的動態自我修正技術，最終形成更接近實際、細節更豐富、更具有可操作性和指導意義的案例庫和知識庫。

考慮到港口發生事故的主要地點在港區（含堆場、碼頭、倉庫等）和水面航道（含錨地、泊位），需要特別為發生在上述區域的事故分別研制應急模擬仿真演練系統。通過仿真演練系統，重構部分歷史事故案例，或者靈活地構造更多的假想事故案例，在虛擬/顯示環境下用于為上述區域的安監人員提供處置能力提升的訓練設施，同時對有關安全預案執行效能、應急資源配置方案測試和驗證。同時，在單個的仿真系統上支持異構模型集成，從而在仿真系統之間建立共同的接口規范及其抽象層，將多個領域仿真模型聯合起來共同完成單個領域模型難以完成的系統級仿真。為進行系統層次的數據采集、信息處理、發展態勢預判、決策方案評估與優化，進行多單元的協同仿真，用于表現不同的部門在共同場景空間中的數據、指令和工作流。在各個領域都具有本地建模仿真工具的情況下，系統級仿真方法通過底層網絡將局部仿真環境互聯起來構筑大規模仿真。

面向港口集疏運過程，針對可能發生的船舶進出港交通事故、集裝箱落水、堆場垮塌、危化品泄漏、火災、爆炸、交通癱瘓等災害事件，形成集裝箱和危化品貨物運輸全過程的狀態監控和災害事件監測系統，并在系統中接入現有航運管理、海事監管、城市交管、城市市政、消防與應急等平臺的相關數據;基于采集和接入的數據，研究面向港口區域集裝箱和危化品集疏運過程常見災害事件的態勢推演模型，根據災害事件的初始條件和所處場景，實現對災害事件演化過程和趨勢的態勢預測與風險預警;構建不同層級部門和人員應采取的應急救援決策和方案的多目標優化模型，開展對應急救援方案、應急救援人員與物資調配、交通與人群疏散方案等方面的應急模擬仿真演練決策評估與優化，全面支持各相關部門在應對港口集疏運災害事件中的應急聯動協同處置決策。

5總結

我國是港口大國，港口貨物集疏運決定著世界貿易的繁榮發展，也是安全風險較高的行業，例如港口集裝箱爆炸、進出港船舶泄露等災害造成的損失巨大，領先的港口災害事件應急模擬仿真演練等港口災害事故風險防范和應急管控技術與裝備是必要的。本文圍繞港口災害事件虛擬現實應急演練進行研究，可為港口行業乃至智慧城市應急安全管控特別是應急演練能力改善提供創新思路。

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基金項目：國家重點研發計劃課題（2019YFC1605505）;深圳市科技計劃項目（CJGJZD20200617102602006）;工信部高技術船舶科研項目（2019360—4）。