虛擬仿真技術在水污染應急監測訓練中的應用

陳重仲

摘? 要：傳統應急演練通過構建突發事件場景，使人們熟悉突發事件并提高應對能力，但傳統應急演練本身因為成本原因導致演練頻次較低、參演人員訓練程度不夠，大大限制了參演人員應急監測經驗的增長。針對以上問題，本文參考了虛擬仿真技術在現實中應用的案例，提出應用虛擬仿真技術模擬水污染事故，對參演人員進行應急監測相關訓練，并列舉了相關實例，最后總結了虛擬仿真技術在水污染事故應急監測訓練應用上具有節省成本、不限訓練頻次以及模擬訓練過程真實等特點，通過不斷訓練，能夠讓訓練人員積累大量的經驗，再結合應急監測演練來驗證參演人員平時的訓練成果，提高監測人員在水污染事故來臨時的應對能力，在環境監測領域具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞：水污染事故;應急監測;訓練;虛擬仿真

引言

突發性水污染事故具有不確定性、突然爆發、危害性大等特點，在水污染事故發生時，需要及時采取有效的措施來進行監測和處置，來減少事故對周圍的生態環境以及人們生活帶來巨大的影響。然而，要做到“快速及時反應”，就要做到定期的執行事故應急監測演練，制定解決預案，以防患于未然，才能在突發事故來臨時能迅速高效、有條不紊地組織人員進行應急監測，充分發揮人力物力的作用，同時做到損失最小，有效的起到應對作用，但是事故應急監測演練因其成本限制的原因，每年演練頻次必然很少，也不可能浪費大量的人力物力去建造類似電影城中真實的模擬場景，故而使得應急監測相關人員訓練頻次少，針對性訓練程度不高，實戰經驗不能得到快速而有效地提升，所以需要一個既能保持低成本，又能搭建一個“真實場景”供監測人員實戰的應急監測訓練方式。鑒于此，本文參考了虛擬仿真技術在現實中的應用案例，提出應用虛擬仿真技術對水污染事故模擬進行應急監測訓練，以達到和“實戰”相同的訓練效果。

1虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是兩種技術的合二為一，其中一種可以稱之為“虛擬現實技術（Virtual Reality）”，就是我們現在所說的“VR技術、靈境技術”;另一種可稱之為“模擬仿真技術（Simulation）”，就是用一個數字化虛擬世界來模仿真實世界的技術，是為研究解決現實問題所建立的同態模型，是由計算機生成的、能夠借助視覺、聽覺及觸覺等進行自然交互的虛擬世界，是多種計算機相關高新技術的集成[1]。也就是說虛擬仿真技術所構建的虛擬世界是以現實世界為藍本所構建的，這個虛擬世界中全部自然現象、物理化學規則等與現實世界別無二致，但是這個“世界”無懼損壞，可以無限摧毀重建，更是可以無視空間的遠近進行人與人的交互。

近年來，隨著計算機虛擬仿真技術的不斷發展，許多受時間、空間等因素限制的領域都開發應用了適應其學習、訓練、演習、試驗等活動的虛擬仿真系統。利用這些虛擬仿真系統，解決了其中很多需進行破壞性試驗或危險性試驗才能決策的實際問題，縮短了現實周期，并且某些關鍵環節或者危險環節可以重復多次試驗，減少了實際損耗和事故發生的概率。

由中國地震應急搜救中心設計的地震應急救援處置演練平臺已為國內應急管理人員近11000多人提供了相關的模擬仿真教學培訓[2]。鄧明達在應急演練模擬系統中使用聲光電技術來對煙霧、出火和報警進行模擬，可以讓參訓人員在不同的危險場景中重復訓練 [3]。李冰蟾、蘇文明等為了營造接近實際演習的真實現場環境和事件，利用三維仿真和模擬手段設計的仿真教學系統，來進行海上溢油應急演練實踐教學 [4]。

通過以上成果，說明虛擬仿真技術在許多領域得到了廣泛應用，能夠應用虛擬仿真技術對水污染事故進行應急監測模擬訓練。

2虛擬仿真技術在水污染事故應急監測訓練中的應用

利用虛擬仿真技術可以構建具有實際地理意義的三維地理環境（如一段河流的真實地形、某海邊儲油罐倉的立體模型、某尾礦庫及周邊地理環境等），并通過預留的接口與外界交互。其作用就是構建這樣一個能夠進行應急監測訓練的虛擬世界系統（可稱之為“應急監測訓練系統”），作為容納其他所有部分的載體，并依照現實世界的自然規律，為虛擬世界定義各種物理化學法則，系統中的其它所有物品、動作、行為均被容納在虛擬世界中，并遵守虛擬世界制定的法則，從而大大增強了訓練環境的真實性，只有在確保訓練環境的真實性的前提下，才能確保訓練過程的真實性，從而起到“實戰”的目的。中國科學院遙感應用研究所將永定河流域和潮白河流域所覆蓋的近8萬km2的地區，通過數字流域三維地形仿真系統進行了模擬仿真，使得該地區的水系河流以及周邊環境、地理特征直接呈現在人們面前[5]。利用這些仿真模擬的地理環境模型來訓練應急監測人員在水污染事故發生時，針對不同類型的污染事故如何在模型上合理布置控制斷面（點）、對照斷面（點）、消減斷面以及其他斷面（點）;還可以以這些地理仿真模型為平臺，添加事故發生整個過程的動態模型，同時呈現事故發生后，復雜的地理環境模型，以及污染物在水中擴散、稀釋、降解等動態模型，如實模擬現場的水文氣象條件，將一切和水污染事故有關的模塊整合到地理仿真模型，應急監測人員會在這個平臺上進行應急監測方方面面的訓練，積累應急監測經驗。

通過虛擬仿真技術對參演角色的人物形式進行模擬，類似角色扮演類游戲（ Role Playing Game，RPG）中的角色形式。訓練人員可以選擇要扮演的角色在系統中進行演練，從而獲得對應的訓練和經驗。其中訓練人員可分別扮演指揮協調人員和現場監測人員，充分分析在演練過程當中的角色和行為，對每個角色進行具體描述，根據角色的分類，不同角色的行為采用不同的方式進行模擬，指揮協調人員角色：主要對整個預案進行宏觀的把控，具有選取水污染事故情景和編寫應急監測方案、報告、快報、簡訊等功能，實時統計分析的功能，以及指揮現場監測人員角色的功能，目的是為了通過這種角色扮演的模擬演練為其決策提供借鑒價值，并且檢驗應急監測方案的科學性;現場監測人員角色：主要是在河流監測斷面進行現場采樣、分析，并將模擬監測現場的情況以及監測數據及時反饋給指揮協調人員角色，目的是訓練現場監測人員在應急監測中的業務能力。另外，由于污染事故的復雜性，有時候一次事故所產生的污染物，不單單對水環境產生污染，也可能污染大氣、土壤，這些都需要應急監測人員來判斷如何進行監測，對應急監測人員的綜合能力有了更高的要求。因此通過模擬訓練可以使應急監測人員現場監測經驗更豐富，當發生污染事故時能夠及時迅速、有條不紊地開展應急監測工作，而整個訓練過程很像玩家選擇不同地圖進行打通關的游戲，只不過游戲內容是涵蓋從接到事故發生通知，及時趕到現場勘查，判斷污染物種類、來源，進行布點、設置監測項目、監測頻次，采取有效的安全防護措施，進行跟蹤監測，還有樣品的保存、運輸、交接、質量保證及實驗室分析等操作，期間編寫并上報監測報告、快報、簡訊等，到應急終止的整個過程。對照游戲來說就是按照不同類型的水污染事故設置不同的地圖，每個地圖按照應急監測的各個階段可以設置關卡，通過正確地完成每個地圖每個關卡的任務來完成訓練;也有多人同時連線的模式，即完成了應急聯合監測訓練，也能增加彼此之間的默契程度，同時還能通過評分模塊實現各個單位參與訓練人員之間互相促進的良好氛圍。自上個世紀八十年代，這種利用虛擬仿真技術，以提供專業訓練和模擬為主要內容的游戲，已經在諸多領域得到廣泛的應用[6]。在由美國藝電公司出品的一款城市模擬建造類游戲“模擬城市”（SimCity）中，學員可以扮演市長角色來建設新城市的各個方面，既能訓練學員的規劃與決策的宏觀能力，又能訓練學員在各個事件的應對處理能力[7]。

突發性水污染事故對周圍環境造成破壞，甚至有可能造成監測點周圍環境發生改變，給監測人員帶來麻煩和危險，同時監測人員也可以通過污染后的一些典型特征來判斷污染物的種類，比如苯、有機磷農藥等一些油狀液體毒物，泄露后常漂浮在水面;液氨泄露至河流、湖泊會造成魚蝦大量死亡，漂浮在水面。而在平時的實際應急監測訓練和應急監測演練并沒有與事故相應的模擬情景，應急監測人員不能通過訓練，獲得水污染事故發生后應對復雜監測環境的經驗。虛擬仿真技術通過添加光影效果、動畫效果、渲染、音效等虛擬的感官效果，模擬水污染事故從發生到結束的整個過程，使訓練者能夠身臨其境地體驗“實戰”，有利于激發訓練者的創造性思維，在具體情境中通過主動的探索獲得體會，從而提高訓練者在今后面對突發狀況的應變能力與解決能力。西班牙Next Limit公司研發的RealFlow軟件工具，能模擬真實的液體表面、剛體碰撞、柔體抖動、纖維體飄動和火焰跳動等效果[8]，可以將水質災害、水污染事故等場景模擬的更加真實，例如模擬一次未知排放源的水污染事故，在情景模擬中，將污染事故現場的一些特征，如氣味、揮發性、遇水的反應特征、顏色，對周圍環境、作物的影響以及人員或動物的中毒反應癥狀等模擬出來，通過分析這些特征，來訓練應急監測人員初步判斷事故主要污染物和監測項目的能力。

綜上所述，利用虛擬仿真技術能夠全面模擬水污染事故中的現實地形（河流、湖泊、海洋等以及周邊地形）、應急監測人員、監測儀器設備和監測場景的環境，將所有的地理信息數據和三維數字化模型當作依托，對現場監測環節的所有影響因素進行全面的分析和闡述，創建完善的模擬訓練空間，構建出許多的典型水污染事故場景，比如礦場尾礦庫潰壩、化工廠危險廢物泄露至河流、未知污染物水污染事件、海邊儲油罐倉爆炸泄露至海水、各種極端環境下（霧、雪、大風、大雨、洪水、地震等）水污染事故監測、水源地污染事故等。通過多人連線互動操作、情景展示和角色扮演等環節，使現場監測的情況得到真實的展現，使監測人員的應急監測經驗得到不斷的提高。經過兩種角色（指揮協調人員和現場監測人員）的訓練學習，使他們對應急監測有了直觀的認識，為今后的工作提供了更多的便利。在應急監測訓練中引入虛擬仿真技術，使許多人可以真實的體驗應急監測現場情景，不受現實場地限制，縮短訓練周期，實現人與機、人與人的高效互動。

3結束語

突發性和多樣性是水污染事故的主要特征，對水環境應急監測裝備及人員素能的要求均提出了更高要求，通過虛擬仿真技術，真實的展現了水污染事故現場應急監測情況和工作程序，參加訓練的監測人員對不同復雜環境監測過程中高危影響因素進行了解，選擇相應的應對手段進行監測，通過調用不同場景進行現場模擬訓練，監測人員可以無限使用各種相關試劑、設備等，節約了相關耗材的使用成本，使應急監測相關訓練方面的消耗更加經濟實用，既使應急監測人員增加了相關的監測經驗，又響應了國家節能的相關政策。

因此，虛擬仿真技術具有提高水污染事故應急監測訓練過程真實性的優點，使整個訓練過程更加的動態化，可以有效解決應急監測訓練過程中成本高、聯合訓練頻次低、感官沖擊差、訓練過程簡單等缺點，能顯著提升訓練質量和培訓效果，增長應急監測人員應對危險環境經驗，再結合應急監測演練來驗證參演人員平時的訓練成果，保證水污染事故發生時能夠迅速而有條不紊地開展應急監測，在環境監測領域具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 龍琳. 基于虛擬現實技術在應急系統的應用研究[C]. 第三十二屆中國（天津）2018’IT、網絡、信息技術、電子、儀器儀表創新學術會議論文集天津市電子學會會議論文集. [2018-08-25]：112-114.

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