基于Unity3D化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究

鐘文

摘要：針對(duì)化學(xué)事故救援訓(xùn)練訓(xùn)練組織難度大、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)模擬場(chǎng)景的真實(shí)性，重現(xiàn)各類化學(xué)事故變化過(guò)程；通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的技戰(zhàn)術(shù)選擇。在Unity3D平臺(tái)上進(jìn)行建模、動(dòng)作模擬、可視化編輯研發(fā)化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的使用能有效降低裝備使用消耗等成本，提高救援人員處置化學(xué)事故救援技能，減少災(zāi)害事故中人員損傷，合理科學(xué)的評(píng)估訓(xùn)練成果，滿足日常消防員教學(xué)訓(xùn)練工作和士兵職業(yè)技能鑒定需要，拓寬了消防部隊(duì)安全信息化建設(shè)的道路。

關(guān)鍵詞：化學(xué)事故；虛擬仿真；Unity3D

中圖分類號(hào)：U412.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0050-02

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)“信息化時(shí)代”蓬勃發(fā)展，三維可視化程度不斷躍進(jìn)，虛擬仿真的應(yīng)用目前成為各領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。社會(huì)發(fā)展化學(xué)災(zāi)害事故頻發(fā)，為消防救援工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)化學(xué)事故救援訓(xùn)練準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、裝備消耗大、訓(xùn)練組織難度大、危險(xiǎn)性大、訓(xùn)練效果評(píng)估難且手段單一等特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)模擬場(chǎng)景的真實(shí)性，重現(xiàn)各類化學(xué)事故發(fā)生、發(fā)展等一系列變化過(guò)程；通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的技戰(zhàn)術(shù)選擇，能有效降低裝備使用消耗等成本，提高救援人員處置化學(xué)事故救援技能，減少災(zāi)害事故中人員損傷，合理科學(xué)的評(píng)估訓(xùn)練成果，滿足日常消防員教學(xué)訓(xùn)練工作和士兵職業(yè)技能鑒定需要，虛擬仿真技術(shù)在危險(xiǎn)化學(xué)品災(zāi)害事故中的運(yùn)用，拓寬了消防部隊(duì)安全信息化建設(shè)的道路，化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)工作迫在眉睫。

2 化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)概述

危化品的生產(chǎn)、運(yùn)輸及儲(chǔ)存自身有很大的危險(xiǎn)性，化工廠工業(yè)系統(tǒng)流程復(fù)雜、投資巨大、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，必須借助虛擬仿真技術(shù)模擬無(wú)法操作的教學(xué)訓(xùn)練，如毒物泄漏、火災(zāi)、爆炸事故影響后果及承載裝置破壞性模擬等，而且虛擬仿真經(jīng)濟(jì)、安全，組訓(xùn)考核不受天氣、場(chǎng)地和環(huán)境的限制。采用虛擬仿真技術(shù)模擬?；沸孤┍ā⑷紵?、擴(kuò)散等狀態(tài)，建立泄漏擴(kuò)散模型，對(duì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值表達(dá)和情景再現(xiàn)，為化學(xué)事故應(yīng)急救援可視化提供了重要手段，為相關(guān)作業(yè)人員對(duì)事故過(guò)程形成整體化意識(shí)提供重要途徑，最大限度接近實(shí)戰(zhàn)，使受訓(xùn)人員身臨其境地處理事故現(xiàn)場(chǎng)。傳統(tǒng)訓(xùn)練中面臨著事故情景難再現(xiàn)、重復(fù)性訓(xùn)練裝備物資占用損耗大、重點(diǎn)專訓(xùn)無(wú)法實(shí)時(shí)銜接，訓(xùn)練過(guò)程涉及科目多，人員復(fù)雜等問(wèn)題，而化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有實(shí)戰(zhàn)性、可重復(fù)性、專項(xiàng)專訓(xùn)重點(diǎn)突擊性、過(guò)程可知性等特點(diǎn)。 能讓傳統(tǒng)訓(xùn)練中的瓶頸問(wèn)題得以解決，首先情景模式可以模擬設(shè)定，多條件變換的場(chǎng)景能更好的鍛煉訓(xùn)練者的處突能力；其次，通過(guò)虛擬模擬人員、裝備的真實(shí)占用或損耗，沒(méi)有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的制約，利于重復(fù)訓(xùn)練突出重點(diǎn)科目強(qiáng)化技能全面提高[1]。

3 化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)設(shè)置、教學(xué)訓(xùn)練模式、考核模式及用戶操作說(shuō)明幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中教學(xué)訓(xùn)練模式與考核模式又含多個(gè)模塊，在教學(xué)訓(xùn)練模式中各模塊操作可以任意切換，在考核模式中各模塊操作性具有一定順序并不可逆轉(zhuǎn)[2]。

3.1 系統(tǒng)設(shè)置子系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置是為了方便系統(tǒng)的管理者對(duì)系統(tǒng)界面的圖形圖像及聲音的控制。

3.2 教學(xué)訓(xùn)練子系統(tǒng)

教學(xué)訓(xùn)練子系統(tǒng)是化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分。該子系統(tǒng)由教員進(jìn)行操作和使用，它主要用于進(jìn)行天氣、訓(xùn)練場(chǎng)景和化學(xué)物質(zhì)的設(shè)定，對(duì)訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行講解示范。操作者可以任意選擇化學(xué)事故處置節(jié)點(diǎn)，利于有針對(duì)性地練習(xí)，同時(shí)點(diǎn)擊觸發(fā)相應(yīng)的事件或裝備，屏幕有相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的出現(xiàn)，便于學(xué)員對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)掌握。教學(xué)訓(xùn)練子系統(tǒng)含多個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊都可進(jìn)行相應(yīng)功能的設(shè)置，當(dāng)受訓(xùn)員點(diǎn)擊相關(guān)模塊時(shí)，就進(jìn)入可操控的內(nèi)容。

3.3 考核子系統(tǒng)

考核子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行訓(xùn)練和考核。在考核模式中，考核人員需要在指定時(shí)間內(nèi)，按照化學(xué)事故救援基本程序和系統(tǒng)依次完成化學(xué)事故處置任務(wù)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的記錄受訓(xùn)者的操作信息，并根據(jù)受訓(xùn)者進(jìn)行操作的時(shí)間和問(wèn)題回答的情況，給出受訓(xùn)者的訓(xùn)練成績(jī)。

4 基于Unity3D的化學(xué)事故應(yīng)急救援虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在Unity3D平臺(tái)的支撐下，虛擬仿真技術(shù)將真實(shí)環(huán)境中無(wú)法很好展示的要素如人員位置、車輛位置、風(fēng)向、風(fēng)速、危險(xiǎn)化學(xué)品擴(kuò)散蔓延方向速度等以可視化、可操控的方式表達(dá)并實(shí)現(xiàn)交互功能。通過(guò)電腦操作及投影大屏幕的顯示，操作者可以在模擬的虛擬場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行自由步行、鳥(niǎo)瞰，也可以點(diǎn)選重點(diǎn)位置查看，可以多視角、全方位的了解虛擬現(xiàn)實(shí)的三維事故現(xiàn)場(chǎng)的各區(qū)域情況。

4.1 界面開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)處理

基于Unity3D引擎下的界面開(kāi)發(fā)技術(shù)是最基本的技術(shù)類型，較為成熟穩(wěn)定，能提供良好的界面，界面的好壞通常直接影響視覺(jué)感受，好的界面能夠有效提升訓(xùn)練成效；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Unity3D中SQLite數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式，這種存儲(chǔ)方式本身并不繁瑣，創(chuàng)建過(guò)程非常的快捷簡(jiǎn)單且使用方便，和其他類型的存儲(chǔ)方式相比，更加容易實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的獨(dú)享；數(shù)據(jù)傳輸使用UDP協(xié)議，實(shí)時(shí)傳輸保證每臺(tái)電腦連接到教師機(jī)，并且能夠快速響應(yīng)設(shè)定的情景模式。

4.2 建模及渲染

在建模工作過(guò)程中采用了3DStudio Max和Auto CAD軟件。系統(tǒng)中的事故模擬場(chǎng)景包括地形、道路、車輛、設(shè)備、人員、建筑物等，運(yùn)用虛擬仿真視覺(jué)技術(shù)使整體效果能夠充分展現(xiàn)。模型制作范圍為每個(gè)模塊所需表現(xiàn)場(chǎng)景范圍，根據(jù)實(shí)際需求和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間的實(shí)際情況來(lái)確定。其中，以三維虛擬仿真技術(shù)制作虛擬場(chǎng)景內(nèi)的主要設(shè)施設(shè)備模型為高模，其它為輔助模型，以體量低模制作方式制作。由于系統(tǒng)是實(shí)時(shí)渲染運(yùn)行，就如同電腦游戲或軟件運(yùn)行一樣受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速率的限制，模型通常要根據(jù)需要進(jìn)行面數(shù)和材質(zhì)貼圖等方面的優(yōu)化，以滿足流暢的操作，所以在制作模型時(shí)會(huì)根據(jù)主次進(jìn)行高低精度模型的建立和場(chǎng)景的優(yōu)化處理。為達(dá)到接近實(shí)際情況的三維可視化模擬效果，主要場(chǎng)景紋理模擬與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致。在系統(tǒng)中對(duì)水進(jìn)行粒子化模仿，在粒子創(chuàng)建中，進(jìn)行大量的參數(shù)設(shè)定，參數(shù)修改，粒子的調(diào)整，使水槍、水幕水帶、?；匪?、水流，更為接近真實(shí)化。

4.3 動(dòng)作模擬綁定及表達(dá)

在Unity3D中實(shí)現(xiàn)動(dòng)作操作，在界面中對(duì)消防人員，給予了設(shè)備、器材選擇及使用，對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)畫(huà)支持，使受訓(xùn)人員能快捷的針對(duì)當(dāng)前事故進(jìn)行設(shè)備選擇，從而強(qiáng)化設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)；對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)可進(jìn)行模擬操作，如運(yùn)輸、吊裝等動(dòng)作的模擬，為受訓(xùn)人員創(chuàng)造更為良好的體驗(yàn)；對(duì)需要傳達(dá)的信息及發(fā)生動(dòng)作的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化虛擬仿真，并結(jié)合文字、圖片、音效等多媒體信息進(jìn)行綜合表達(dá)，運(yùn)行系統(tǒng)擁有完整的二維圖形用戶界面，同時(shí)顯示三維場(chǎng)景，并完成所有的交互操作功能[3-4]。

4.4 可視化編輯

在Unity3D編寫(xiě)代碼進(jìn)行可視化編輯，可視化任務(wù)編輯器的使用是為教員更便捷快速的設(shè)定當(dāng)前訓(xùn)練任務(wù)及考核點(diǎn)。在設(shè)定系統(tǒng)中可選擇不同災(zāi)害場(chǎng)景及危化品，設(shè)定不同風(fēng)向、風(fēng)力，以邏輯交互事件選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定，并可將設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸至學(xué)員端?；瘜W(xué)事故應(yīng)急救援虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)置見(jiàn)圖1。以第一人稱的形式進(jìn)行角色扮演，在角色上給予邏輯交互腳本，使受訓(xùn)人員角色與事故中NPC交互。對(duì)突發(fā)事件的有效處理，對(duì)裝備的直觀使用，接近真實(shí)訓(xùn)練效果，在實(shí)戰(zhàn)中做到有的放矢。

5 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可交互操作的模擬化學(xué)事故現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行模擬操作，實(shí)現(xiàn)操作者具有身臨其境的臨場(chǎng)感。在Unity3D平臺(tái)的支撐下，逼真的三維圖像，完善的人機(jī)交互特性，使該系統(tǒng)成為對(duì)消防人員處置化學(xué)事故應(yīng)急救援訓(xùn)練、考核的實(shí)用工具。在后期的開(kāi)發(fā)中，我們將在系統(tǒng)中增設(shè)不同的災(zāi)害事故場(chǎng)景、訓(xùn)練科目等，開(kāi)發(fā)多人多角色在不同的電腦上、共同的虛擬災(zāi)害場(chǎng)景內(nèi)完成協(xié)同消防任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更完善的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)

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