城市社區防臺防汛應急管理虛擬仿真實驗的開發與應用*

鄭永平 周畢芬 劉其赟 郭 涵 林姝敏

(福建農林大學公共管理與法學院,福建 福州 350002)

2019年4月,教育部等13個部門聯合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0,全面推動“新文科”從概念走向實施[1]。在國家治理現代化和新文科建設的雙重背景下,公共管理專業應加強教育教學改革,不斷提升人才培養的目標達成度和社會滿意度[2],將實踐教學改革作為重要突破口,強化應用型、復合型、創新型治理人才的培養。但是,傳統的公共管理實踐教學更多以體驗型、認知型實驗實訓為主,對提高公共管理人才培養的效果比較有限。特別是在開展應急能力培養的相關教學活動中,由于自然災害類突發公共危機事件的復雜性、危害性和不可逆性,傳統的教學實踐難以讓學生切身感知和體會,更無法在真實的危險情境中開展決策、執行等一系列實踐活動。本文結合城市社區防臺防汛應急管理虛擬仿真實驗項目的建設實踐,介紹了仿真實驗系統建設的背景與意義和實驗平臺構成與內容設計,以期為公共管理院校在虛擬仿真系統建設方面提供有益借鑒[3-4]。

1 虛擬仿真系統建設的背景與意義

1.1 背景

近年來,突發公共危機事件頻發成為經濟社會發展常態,應急管理在公共管理領域中的作用越來越重要。2019年11月29日,習近平總書記在主持中央政治局第十九次集體學習時指出,要大力培養應急管理人才,加強應急管理學科建設[5]。社區是城市運作與管理的基本單元,社區在危機發生的過程中是最接近和最清楚危機態勢,并且最能有效和快捷地采取措施以應對危機的組織[6],但往往也是最薄弱的環節,一旦災害事故突發,很難高效、有序地應對處置。社區應急治理體系和能力建設,是國家應急治理體系和能力建設的基礎性環節[7]。因此,公共管理院校要面向社區培養更多專業人才,提升社區應急管理能力,帶動社區整體治理效能的提升。

1.2 意義

一是仿真領域的代表性。我國位于亞歐大陸和西北太平洋的過渡地帶,人口稠密、經濟集中的東南沿海地帶是典型的季風氣候影響區,受臺風影響相當嚴重[8]。近年來,熱帶臺風強度有增強趨勢,自然災害及次生災害頻發,進入高增長和高風險并存的階段,對經濟社會發展構成嚴重威脅。此外,由臺風引發強降雨導致的洪澇災害對防汛防洪應急管理提出了更高要求,選擇臺風這一自然災害作為虛擬仿真案例背景,對于訓練和提升自然災害應急管理能力,提升社區公共安全水平,具有較強代表性。

二是能力培養的價值性。城鄉基層社區是打贏防臺防汛攻堅戰的“最后一公里”。以臺風災害背景下社區場景展開實驗設計,讓學生置身動態變化的虛擬環境,通過分析內外部狀況,運用應急管理、社區管理等課程的專業知識和工具,開展防臺防汛應急管理的決策、操作與應對。依托實驗開展教學,有助于增強學生的應急決策指揮能力、應急處置實踐能力、應急統籌規劃能力、應急溝通協調能力,強化與基層治理崗位相匹配的職業素養[9]。

2 虛擬仿真系統建設流程

2.1 實驗目的

城市社區防臺防汛應急管理虛擬仿真實驗的設計以學生應急治理實踐操作能力培養的需求為出發點,其最終應用的目標涵蓋了知識、能力、情感三個層面。在知識方面,理解臺風自然災害應急預案的內容與構成,理解防臺防汛應急決策與處置的基本內涵與理論知識,理解臺風自然災害及次生災害的致災機理、災情的演化機理,掌握社區應急管理的全流程體系、應急管理的組織架構和任務分工邏輯;在能力方面,掌握預警信息發布、應急溝通與宣傳、應急物資匹配與避難場所選擇、應急響應與決策、災后恢復與重建等臺風應急管理全流程的操作原則與方法。通過“任務探究式”和“情景沉浸式”體驗,增強應急決策指揮能力、應急處置實踐能力、應急統籌規劃能力、應急溝通協調能力;在情感方面,提升學生對自然災害危害性與科學防范重要性的認知,達到強化安全教育、提升公共安全意識的效果。增強對基層治理工作的信心,培養為社會服務的責任感、價值感,深入領會災情防控中“以民為本、生命至上”的重大價值。

2.2 實驗原理

實驗項目運用Unity3D技術、虛擬現實和互聯網技術,基于決策情境——決策因子——決策效果的邏輯,內置臺風災害動態發展模型和應急響應處置模型(圖1)。仿真系統模擬我國東南沿海城市的某社區應對臺風自然災害突發事件,學生以社區防臺防汛指揮部中的總負責、搶險、宣傳、后勤、安全等不同角色開展防臺防汛應急管理。學生基于應急預案的設計,參與到臺風突發事件應對的過程中,實現臺風災前、災中、災后的全流程管理。在應對臺風危機的過程中,學生需觀察內外部環境的變化,做出分析、判斷和決策。本項目包含應急預案的設計和應急管理的操作兩大模塊,二者相輔相成,實現計劃與執行的結合,從宏觀到微觀的結合。

圖1 實驗原理圖

2.3 實驗流程及模塊設計

項目堅持“學生中心、情景導向、學科融合、虛實結合”的實驗教學理念,按照“理論研習——方案設計——實訓操作——綜合分析”的步驟開展(圖2),具體流程及模塊如下:

①引導學生圍繞“實驗概況與理論基礎知識”進行學習。了解“防臺防汛場景下城市社區應急管理虛擬仿真實驗”的背景、目的、要求及原理,并通過實驗頁面的知識角模塊了解相關知識。通過理論與基礎知識的學習,為虛擬仿真實驗開展打好基礎。

②組織學生開展“城市防臺防汛應急預案設計”訓練?？稍陂喿x實驗項目案例背景的基礎上,結合臺風應急管理要求,以小組或個人為單位開展應急預案設計,實現基礎知識理論運用的初級檢驗,有助于加強對應急管理流程、操作規范的了解。

③組織學生開展“城市社區防臺防汛應急管理仿真實訓”核心環節操作。學生在角色認知的基礎上,進入臺風應對的社區場景進行操作。結合臺風的進程時序所引發的任務,學生按照不同角色進行應對。在臺風災前、災中、災后的全流程中,學生要按照不同的實驗方法完成臺風災害預備階段、臺風災害響應階段、臺風災害恢復階段3環節的12項核心任務,共34個操作步驟。通過限時性的操作安排,降低災情所造成的損失,提升社會滿意度。

④組織學生開展“實驗結果分析與報告寫作”部分的總結交流。引導學生根據考核結果評價反饋、實驗操作記錄等內容進行復盤,對實驗中的薄弱環節、疑問環節進行交流,圍繞實驗對學生相關能力的培養效果進行總結,并結合實際社區應急管理中可能遇到的問題進行拓展延伸。

圖2 實驗流程與模塊設計

3 虛擬仿真系統核心要素及交互性步驟的仿真設計

3.1 核心要素仿真設計

虛擬仿真實驗以3D仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托,采用面向服務的軟件架構開發,集場景仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體[10]。實驗系統采用JAVA語言開發,Spring MVC框架,采用Aspect Oriented Programming (面向切面編程)/ Inversion of Control (控制反轉)方式,分為前端頁面視圖/表現層、后端數據層、服務層、控制器。Web端自定義傳輸實驗數據,使用UGUI進行界面搭建,用戶通過界面可以對各種內部系統進行操作并得到反饋。核心部分仿真模塊使用C#語言、Unity3D引擎開發,采用3DMAX結合真實實驗場景建模,Unity Animator系統播放動畫,NavMeshAgent進行地圖尋路。

①臺風應急事件場景仿真。本仿真實驗模擬的整體社區場景原型來源于東南沿海某城市的某社區場景(圖3)。對社區周邊的河流、山體及社區內的公共空間、私人住宅、街道、公交設施、綠化設施進行了虛擬仿真3D建模,對場景中的人、物等要素進行了3D交互式建模。臺風中的暴雨使用Unity粒子系統,使用WebSocket提供網絡傳輸。

圖3 社區仿真場景俯瞰圖

②臺風應急事件數據仿真。臺風災情演化的信息數據源自于2018年第8號臺風“瑪莉亞”的真實發展動態數據[11],本仿真實驗體現了臺風路徑圖、風向、風速、級別等基本信息(圖4)。本仿真實驗將臺風動態發展數據與災害動態發展模型和應急響應處置模型相融合,模擬臺風災害突發事件的整體進程。實驗相關任務觸發均與臺風進展相聯系,結合臺風動態和天氣預報更有助于增強仿真實訓的真實性、應急性。

③社區應急管理流程仿真。根據《福州市城市防臺防汛應急預案》的規范性要求[12],借助Unity3D技術、虛擬現實和互聯網技術,模擬真實的臺風自然災害應急處置災前、災中、災后全流程。系統模擬并體現了臺風應急管理中的六類角色分工(圖5),并以不同角色置身于會議室、物資倉庫、災害隱患地、避險安置地、事故發生地等場景,完成觸發的各項應急管理任務。

圖5 應急指揮部角色分工圖

3.2 交互性步驟的設計與實現

實驗核心操作步驟模擬臺風災前、災中、災后的虛擬仿真場景,設置12項任務,共34個交互性操作步驟。這些步驟可劃分為六大類,如圖6所示。一是組織分工類,學生在動員會議上為不同角色人員在任務清單選項中匹配合適的任務;二是決策執行類,學生根據畫面中的提示或反映的問題,選擇合適選項或作出合理安排,或派遣人員赴任務地處理相關問題;三是信息溝通類,學生要及時將臺風的變化情況、社區安全狀況告知轄區居民。在特殊場景下,通過語句排序組合來實現適宜的表達;四是文書寫作類,在相關隱患排查后,學生要按照文書填報規范要求完成應急信息的反饋;五是協調整理類,在應急物資儲備過程中,學生需要測算物資需求并予以配置,做好規范分類;六是方案設計類,在應急處置中,學生要做好應急決策與統籌規劃,針對災害易發區和低洼地區,設計轉移路線,選擇避難場所,匹配應急物資。

(a)組織分工類

(b)決策執行類

(c)信息溝通類

(d)文書寫作類

(e)協調整理類

3.3 考核模塊的設計與實現

本實驗中的仿真實訓模塊是基于角色扮演的互動式實驗,實驗步驟遵循防臺防汛應急決策及處置的實際過程。實驗不能跳步驟,系統在任務觸發后,學生按步驟完成,若時間結束還未完成,系統會提示已超時,并自動進入下一個步驟。任務是否完成及正確與否均會對實驗結果產生影響,并體現在實驗報告上的實驗記錄。 實驗操作得分計算公式為:

操作分=社會滿意度×1-災害損失×1-受傷人數×1-死亡人數×2+基準分×1

操作分即仿真實驗的結果。其中社會滿意度滿分為100,災害損失總分為100;受傷人數、死亡人數根據操作步驟予以賦分。各步驟的賦分標準不能改變,但各部分系數值、基準分系數值由教師在后臺自行擬定,反映不同管理目標下的操作效果。例如在臺風災害中,把零死亡作為重要目標,可增加該負向指標的權重度,將“死亡人數”系數值調至更高水平。

4 教學實踐

4.1 教學活動的開展與方法

本實驗采用線上和線下相結合的方法。線上實驗部分采用觀察法、比較法、實操法、闖關考核法、角色扮演法等,線下部分采用案例分析、小組研討、實地考察、翻轉課堂等方式。通過線上和線下虛實結合、教學相長、師生互動,達到教學資源的充分利用、教學活動的有效開展和教學效果的顯著提升。

4.2 學生學習效果評價與反饋

該城市社區防臺防汛應急管理虛擬仿真系統上線以來,使用達 500人次以上,覆蓋公共事業管理、行政管理、勞動與社會保障三個專業。該實驗系統與公共危機管理、社區管理、城市管理等課程教學相結合,達到了深化理論知識,增強專業核心技能培養的效果。以2018級勞動與社會保障專業的44名學生為樣本,對虛擬仿真實驗的教學效果進行調研并分析。學生對仿真實驗教學效果按知識、能力、情感三個維度進行了評價,結果如圖7所示,學生評價反饋總體呈中上水平。此外,在2018級公共事業管理專業的學生的實驗心得反饋中,學生普遍認為該實驗對城市管理、社區管理等相關課程的學習有幫助作用,“如臨其境”“生動形象”“像游戲般有趣”等詞匯描述了仿真設計的效果。在促進核心能力培養方面,學生深刻體會到了科學決策、系統分析的重要性,用“深思熟慮”“牽一發而動全身”“主次優先”“統籌協調”等關鍵詞談及了個人體會?？傮w而言,該實驗通過“課堂理論教學+仿真實驗操作”的方式,激發了學生學習的積極性,提升了學習效果,使學生對危機事件的處置和應對有更直觀的體會,有助于在知識的運用過程中強化應急治理技能的培養。

圖7 2018級勞動與保障專業學生實驗教學效果評價

5 結束語

城市社區防臺防汛應急管理虛擬仿真實驗的開發和應用,通過虛擬仿真技術、互聯網技術等智慧化信息化手段,與公共管理類專業應急管理領域的教育教學相融合,解決了傳統應急管理教學方式單一、無法身臨其境體會與參與的問題。項目建構了明晰的故事線索,豐富的任務場景,多元的角色主體,聚焦管理類的學科基礎特性,突出對學生決策、組織、協調、溝通、規劃等應急管理技能的考核,有助于應用型、復合型、創新型基層治理人才的培養。通過虛擬仿真教學,促進公共管理類專業的實踐教學,體現了新文科改革目標要求,是加強相關專業教育教學改革的重要突破口。項目團隊將持續整合校內外資源以豐富仿真實驗內容,提高仿真實驗的實用性、科學性,并加強調研,密切關注有關應急管理、社區管理相關規范的更新,使實驗內容與人才培養目標更加契合。