基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)研發(fā)

廣東藍(lán)盾樂庚信息技術(shù)有限公司　鄭綿彬

0　引言

面對(duì)地震和高層火災(zāi)等突發(fā)事件，許多人在第一時(shí)間都驚慌失措，不能正確應(yīng)對(duì)。應(yīng)急演練是檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和改進(jìn)應(yīng)急能力的重要手段。各國政府都高度重視“應(yīng)急演練”的作用，也在加大對(duì)應(yīng)急演練平臺(tái)研發(fā)的投入[1]。美國應(yīng)急演練模擬中心(National Exercise Simulation Center NESC)已開發(fā)出能在虛擬環(huán)境下運(yùn)用煙羽模型(Plume Modeling)、疾病傳播模型(Disease Propagation)等進(jìn)行基于組織機(jī)構(gòu)的多人參與的模擬演練[2]。此外，德國、韓國、日本等國家都在積極從事演練仿真平臺(tái)的研制。我國也有開展類似系統(tǒng)的研發(fā)，以地圖展現(xiàn)和數(shù)據(jù)查詢的決策支持系統(tǒng)為主，還有一桌面展現(xiàn)的3D仿真系統(tǒng)[3-6]，此類系統(tǒng)缺少沉浸感，實(shí)際中面對(duì)突發(fā)事件的復(fù)雜演化，傳統(tǒng)逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)不能很好的發(fā)揮訓(xùn)練正確第一反應(yīng)的作用。

近年來隨著沉浸式VR (Virtual Reality)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，VR逐漸被引進(jìn)安全教育領(lǐng)域[7-9]，這給我們研發(fā)訓(xùn)練正確第一反應(yīng)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)提供了機(jī)遇。本文將介紹研發(fā)基于VR技術(shù)逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵問題，以及實(shí)現(xiàn)途徑。

1　逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)體系架構(gòu)

基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)，在理論層面，需要根據(jù)應(yīng)急能力培訓(xùn)需求，通過網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)數(shù)據(jù)和信息的統(tǒng)計(jì)和收集，利用調(diào)研等方法，抽象逃險(xiǎn)演練的特殊需求，提供全面的演練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，并為演練過程中所需要的計(jì)算模型進(jìn)行機(jī)理分析、建模以及模型的形式化描述；在技術(shù)層面，需要充分對(duì)可視化交互技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR技術(shù)進(jìn)行研究突破和綜合集成，實(shí)現(xiàn)基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)研發(fā)。

圖1　基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)體系架構(gòu)

逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)體系架構(gòu)包括底層的VR、物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通信硬件環(huán)境，以及突發(fā)事故演化擴(kuò)散、交通、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、案例形式化、預(yù)案形式化模型的模型和數(shù)據(jù)層。案例驅(qū)動(dòng)的逃險(xiǎn)演練引擎是系統(tǒng)的核心，包括仿真計(jì)算部件和虛擬情景兩部分，在特定案例生成的情景下，仿真計(jì)算部件通過對(duì)模型層計(jì)算模型的調(diào)用和對(duì)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的導(dǎo)入自動(dòng)生成虛擬情景可視化展示給系統(tǒng)用戶，演練交互界面提供情景展示、可視化交互演練、響應(yīng)策略選擇、應(yīng)急培訓(xùn)等功能，如圖1所示。

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1　VR體驗(yàn)場景的構(gòu)建及動(dòng)作行為

解決災(zāi)害模型數(shù)字化，根據(jù)情景構(gòu)建一個(gè)個(gè)VR體驗(yàn)場景和定義人物動(dòng)作行為，另外還需要?jiǎng)?chuàng)建可以運(yùn)動(dòng)和可為訓(xùn)練者交互的動(dòng)態(tài)虛擬物體，以及用于提示正確行為和糾正違法的危險(xiǎn)行為的虛擬人物等。

2.2　VR行為檢測的算法研究

逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)多個(gè)場景供體驗(yàn)和訓(xùn)練，通過在不同虛擬場景中利用手柄指使虛擬行走路線和方式，來檢驗(yàn)其行為是否違反規(guī)則或正常行為。在這里主要需要研究和實(shí)現(xiàn)利用操縱桿對(duì)虛擬人的行走方向和虛擬攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行交互控制。

2.3　移動(dòng)炫耀問題研究

同PC和移動(dòng)端游戲不同，VR重視的是沉浸感，所以移動(dòng)這種最基礎(chǔ)的功能卻變成了比較難處理的部分。如果移動(dòng)處理不當(dāng)會(huì)造成沉浸感的破壞，或者移動(dòng)時(shí)視覺眩暈，通常采用定點(diǎn)傳送或者外設(shè)手柄控制人物的移動(dòng)，但在人物的蹦，跳等行為上面開發(fā)具有一定的難度，這會(huì)減少了VR沉浸式體驗(yàn)的樂趣，需要在技術(shù)上面有較大的突破。

3　逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

沉侵式VR系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)VR環(huán)境中的人機(jī)交互作用，它包括硬件和軟件系統(tǒng)：

3.1　硬件

（1）感應(yīng)端：感應(yīng)端包括一對(duì)感應(yīng)器（部署在桿上），一般對(duì)角部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)其中間的立體空間進(jìn)行采集處理傳輸。

（2）傳輸渠道：傳輸渠道包括無線和有線，手柄通過無線傳輸信號(hào)，頭盔需要傳輸大量數(shù)據(jù)和電量，目前主要采用有線方式。但有線限制了人物在虛擬場景中的行動(dòng)，這是比較大的局限性，隨之硬件技術(shù)水平提高，無線頭盔將成為趨勢。

（3）體驗(yàn)端：VR頭盔包括顯示和陀螺儀功能，佩戴者旋轉(zhuǎn)頭部時(shí)身邊的場景也在同步變換，體驗(yàn)者如同身臨其境般。

圖2　帶VR頭盔和手柄體驗(yàn)者

圖3 體驗(yàn)者視覺情景

3.2　軟件

使用Unity平臺(tái)，結(jié)合SteamVR、VRTK、_MK等組件，并且利用C#編寫功能函數(shù)方法，開發(fā)出各種逃險(xiǎn)虛擬場景（例如圖2、圖3所示：火災(zāi)逃險(xiǎn)情景），包括UI、射線、路徑、各種渲染、手柄和頭顯交互反饋等功能。

4　結(jié)論

本文討論了現(xiàn)有的應(yīng)急演練仿真平臺(tái)的不足，介紹了研發(fā)基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)體系架構(gòu)和關(guān)鍵問題，以及實(shí)現(xiàn)途徑。研發(fā)基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)，旨在通過系統(tǒng)情景推演和沉侵式逃險(xiǎn)演練，提高正確的第一反應(yīng)的應(yīng)急處置能力。研發(fā)基于VR技術(shù)的逃險(xiǎn)演練系統(tǒng)，不僅可以提高逃險(xiǎn)演練的科學(xué)性，同時(shí)也可以降低逃險(xiǎn)演練的成本。

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