基于Unity3D的三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)

丁大弸 孫梓凱 韓圓 劉清 宋金庫 韋明智

摘要：本文主要論述針對傳統(tǒng)實(shí)物保護(hù)二維平面設(shè)計(jì)的局限性設(shè)計(jì)的基于Unity3D的三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)。系統(tǒng)通過Unity3D引擎來實(shí)現(xiàn)，并采用Blender建模，通過對象池、實(shí)時(shí)模型生成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具為核心，三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)和對抗虛擬仿真為輔助驗(yàn)證的實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)，也實(shí)現(xiàn)了實(shí)物保護(hù)二維平面設(shè)計(jì)向三維可視化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，提升了核安保實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì);Unity3D引擎;Blender建模;實(shí)時(shí)模型生成

Virtual Simulation System of 3D Physical Protection Based on Unity3D

DING Dapeng1 ?SUN Zikai1 ?HAN Yuan1 ?LIU Qing2 ?SONG Jinku2

WEI Mingzhi2

（1.China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd， Beijing， 100840 China;

2.Shenzhen Newcross Technology Co.，Ltd， Shenzhen， Guangdong Province， 518057 China）

Abstract： This paper mainly discusses the 3D physical protection design tool system based on Unity3D aiming at the limitation of traditional 2D plane design. The system is realized through Unity3D engine， Blender modeling， object pool， real-time model generation and other technologies， realizes the physical protection virtual simulation system with 3D physical protection design tool as the core and 3D physical protection effectiveness evaluation and confrontation virtual simulation as the auxiliary verification， and also realizes the transformation from 2D graphic design of physical protection to 3D visual design， Improved the design and verification capability of nuclear security physical protection system.

Key Words： Physical protection system design; Unity3D; Blender modeling; Real-time model generation

隨著近年來國家對核安保的重視程度逐漸加強(qiáng)，作為技術(shù)支撐的實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)有效性、安全性、穩(wěn)定性等方面的重要性日益凸顯。國內(nèi)外大部分實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)軟件所采用的是基于二維平面的設(shè)計(jì)模式，這種平面化設(shè)計(jì)模式在視覺呈現(xiàn)效果、系統(tǒng)設(shè)備定位、探測及復(fù)核設(shè)備相對位置關(guān)系表達(dá)等方面都存在局限性，難以滿足日益豐富的實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)需求。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)平面化設(shè)計(jì)模式的不足，本文提出了基于Unity3D的虛擬仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)三維化的實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文提出的基于Unity3D的三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)將實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)的設(shè)備創(chuàng)建數(shù)字化和虛擬化，并將設(shè)計(jì)好的實(shí)物保護(hù)數(shù)據(jù)信息通過三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)工具和虛擬仿真對抗系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證找出實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)[1]，確定最終實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)框架

實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)主要適用于核電實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)，旨在解決實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周界、技防措施、實(shí)物保護(hù)工藝子項(xiàng)的三維視覺呈現(xiàn)難題，以展示實(shí)物保護(hù)技防設(shè)備和建筑物的布置和配置，并對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。本文創(chuàng)建的三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)主要包括三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具、三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)和虛擬仿真對抗3個(gè)部分[2]，其整體框架如圖1所示。三維實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具是核心，為使用者提供快速有效的三維化的實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具。三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)和虛擬仿真對抗是對實(shí)物保護(hù)的三維輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，為其規(guī)范性及合理性提供可靠依據(jù)。

1.2 三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具

三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具根據(jù)設(shè)備設(shè)置原則實(shí)現(xiàn)設(shè)備部署算法，并結(jié)合三維空間算法實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的部署，其結(jié)構(gòu)包括UI模塊、場景設(shè)備管理模塊、地形加載模塊、CAD繪制模塊等部分。其中UI模塊是提供人機(jī)交互的接口，場景設(shè)備管理模塊是功能核心對創(chuàng)建的設(shè)備模型及其數(shù)據(jù)交互進(jìn)行管理，地形加載模塊是對模型打包數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，CAD繪制模塊是將采集的三維數(shù)據(jù)繪制成CAD平面圖，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)工具

三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)工具通過敵手序列圖進(jìn)行設(shè)施描述，分析不同敵手對設(shè)施的威脅情況，利用概率統(tǒng)計(jì)理論分析方法，判斷實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)是否有效。三維實(shí)物保護(hù)有效性分析主要包含設(shè)施環(huán)境描述模塊、外部入侵及制止分析模塊及評價(jià)模塊。設(shè)施描述模塊是對設(shè)施實(shí)物保護(hù)元件的量化描述，外部入侵及制止分析模塊用于對系統(tǒng)應(yīng)對外部入侵的有效性進(jìn)行分析，評價(jià)模塊對實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的綜合效果進(jìn)行整體分析，保證整體實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)安全有效運(yùn)行[3]。

1.4對抗虛擬仿真工具

對抗虛擬仿真工具是基于三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)的入侵對抗策略模擬工具，用戶可以在三維地圖上，將薄弱路徑信息加載到三維模型中，然后根據(jù)敵手信息和響應(yīng)力量信息，在三維地圖上建立紅藍(lán)雙方人員的武器、交通工具、路徑點(diǎn)位、動(dòng)作、攻擊目標(biāo)等進(jìn)行薄弱路徑的入侵作戰(zhàn)推演，以得出最佳作戰(zhàn)響應(yīng)方案。相對于物理沙盤和實(shí)地真人演練，該工具可以通過反復(fù)的戰(zhàn)術(shù)推演得出最佳的作戰(zhàn)應(yīng)對方案，節(jié)省人力物力。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1場景建模

三維建模的對象主要是實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)備、道路、建筑等。本系統(tǒng)中使用了Blender軟件進(jìn)行建模，并利用Unity引擎將模型文件及其材質(zhì)信息導(dǎo)入到系統(tǒng)中，導(dǎo)入后需要將模型進(jìn)行掛載腳本、調(diào)節(jié)位置、添加輔助點(diǎn)位等設(shè)置，然后放入U(xiǎn)nity引擎中構(gòu)成模型庫。系統(tǒng)生成設(shè)備模型時(shí)只需根據(jù)類型在模型庫中調(diào)用即可。

2.2設(shè)備及實(shí)保區(qū)域的自動(dòng)創(chuàng)建

設(shè)備及實(shí)保區(qū)域的自動(dòng)創(chuàng)建是本系統(tǒng)的核心功能，其實(shí)現(xiàn)需要基于模型庫、設(shè)備設(shè)置原則、設(shè)備管理模塊及三維運(yùn)算結(jié)合實(shí)現(xiàn)[4]。

以創(chuàng)建微波設(shè)備和防區(qū)為例，微波創(chuàng)建通過在區(qū)域管理面板中輸入微波防區(qū)上限及盲區(qū)長度，系統(tǒng)遍歷每個(gè)直圍欄段區(qū)域并按照微波設(shè)置規(guī)則分別求出每個(gè)直圍欄段的微波段數(shù)，微波實(shí)際防區(qū)長度。微波入侵探測器鋪設(shè)規(guī)則按下圖4所示。其計(jì)算公式如下：

N = ?（L-B × 2）/A ?（“??”為向上取整）

S =（L ? B × 2）/N

其中，L為直圍欄段總長，A為實(shí)際防區(qū)上限值，B為盲區(qū)長度。N為實(shí)際防區(qū)數(shù)量，S為單組微波實(shí)際防區(qū)長度。

求出N和S后，在直圍欄段起始點(diǎn)位置按順序、微波數(shù)量和實(shí)際防區(qū)長度并結(jié)合三維空間向量運(yùn)算依次計(jì)算出每組微波的位置信息并創(chuàng)建自身數(shù)據(jù)信息。設(shè)備管理模塊從模型庫中取模型并按照數(shù)據(jù)信息對模型位置進(jìn)行矯正并管理。保護(hù)區(qū)的防區(qū)是根據(jù)微波屬性計(jì)算的，所以在生成微波時(shí)會自動(dòng)根據(jù)每組微波信息生成防區(qū)，防區(qū)包含的區(qū)域即微波探測器除去盲區(qū)的區(qū)域。

2.3繪制CAD模塊

繪制CAD模塊主要負(fù)責(zé)完成將場景中所有的關(guān)于設(shè)備和圍欄的數(shù)據(jù)信息繪制成CAD圖，使其僅通過約定的接口與服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)使用net.Dxf插件，對.dxf 2013文件進(jìn)行讀寫[5]。通過通訊服務(wù)系統(tǒng)將場景數(shù)據(jù)信息傳遞給CAD繪制服務(wù)，CAD服務(wù)判斷其數(shù)據(jù)類型，并根據(jù)自定義轉(zhuǎn)換協(xié)議找到該數(shù)據(jù)類型對應(yīng)轉(zhuǎn)換協(xié)議表格和CAD圖塊文件。獲取到CAD圖塊后將接收的數(shù)據(jù)信息賦值給圖塊，并根據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議給圖塊賦圖層名稱。如果設(shè)備有多個(gè)圖塊需要在圖塊之間創(chuàng)建線段并賦予顏色和圖層，最后將創(chuàng)建的圖塊以及線段寫入CAD文件中。

3系統(tǒng)驗(yàn)證

三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證其程序地形及數(shù)據(jù)加載速度良好，實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)生成功能符合設(shè)計(jì)使用要求，各模塊可以正常完成功能，系統(tǒng)整體上符合技術(shù)要求。

在軟件中實(shí)現(xiàn)了三維的地形加載、防區(qū)及設(shè)備模型自動(dòng)創(chuàng)建、設(shè)備探測場可視化模擬，以及將設(shè)計(jì)布局輸出成CAD文件，輸出的CAD圖如圖4所示。

圖4 實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)圖及輸出的CAD圖

通過三維實(shí)物保護(hù)有效性評價(jià)工具可對設(shè)計(jì)工具中創(chuàng)建的實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行有效性評價(jià)。首先在工具中根據(jù)設(shè)施目標(biāo)由外到內(nèi)的可能到達(dá)路線創(chuàng)建敵序圖，并對實(shí)物保護(hù)區(qū)域內(nèi)的圍欄、出入口、微波探測器、門等探測、延遲、響應(yīng)元件進(jìn)行屬性設(shè)置，根據(jù)給定的敵手類型、響應(yīng)時(shí)間等即可計(jì)算出截止概率，并綜合目標(biāo)等級、作案概率等算出設(shè)施整體的入侵風(fēng)險(xiǎn)?？煽闯鲈搶?shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合有效性指標(biāo)[6]要求，證明了其三維實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)工具的可行性與實(shí)用性。

經(jīng)過有效性評價(jià)工具驗(yàn)證后，可通過對抗虛擬仿真工具為入侵薄弱路徑設(shè)計(jì)響應(yīng)方案。在對抗虛擬仿真工具中加載設(shè)施地圖，通過尋路插件模擬行進(jìn)路徑，并通過位點(diǎn)工具來設(shè)置路徑每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，包括人、車、物的行進(jìn)軌跡、速度、時(shí)間、攜帶武器和人物動(dòng)作（攻擊、站立、死亡）等，從而達(dá)到分解整個(gè)行動(dòng)過程的目的。系統(tǒng)中可以模擬敵方從外到內(nèi)的入侵過程，并創(chuàng)建對應(yīng)的防守策略來反制，結(jié)合基于時(shí)間軸的筆記工具，可以回溯整個(gè)對抗過程，并反復(fù)推演以取得最佳防守策略。

經(jīng)整體運(yùn)行驗(yàn)證可看出三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)具備生動(dòng)準(zhǔn)確的三維顯示、自動(dòng)靈活的設(shè)備部署、詳盡直觀的設(shè)備描述等方面的能力，其可行性和實(shí)用性也符合設(shè)計(jì)理念，可以快速構(gòu)建出一套實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)并對其有效性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，可為其實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最佳作戰(zhàn)響應(yīng)方案，整體能力較二維平面化設(shè)計(jì)工具要更優(yōu)。

4結(jié)論

三維實(shí)物保護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)突破了二維平面化設(shè)計(jì)模式的局限性，解決了實(shí)物保護(hù)周界、技防措施、實(shí)物保護(hù)工藝子項(xiàng)的三維視覺呈現(xiàn)，通過三維顯示和虛擬交互技術(shù)，達(dá)到更直觀、準(zhǔn)確地展示實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的目的，并提供了有效性評價(jià)和虛擬仿真對抗的驗(yàn)證工具，提升了實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)的效率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)物保護(hù)二維平面設(shè)計(jì)向三維可視化設(shè)計(jì)的跨越，進(jìn)一步提升核安保實(shí)物保護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力。

參考文獻(xiàn)

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