軍用裝備重大核事故應(yīng)急處置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實踐研究

袁偉 李藐 李霄 陳顯波

0 引言

核應(yīng)急是一項組織復(fù)雜、協(xié)調(diào)面廣、專業(yè)性強(qiáng)的系統(tǒng)工程，在極其復(fù)雜的未知輻射環(huán)境下展開，技術(shù)環(huán)節(jié)多、處置要求高、安全風(fēng)險大。隨著軍事實戰(zhàn)化進(jìn)程加快，核安全鏈條加長、風(fēng)險因素增加，部隊核事故概率增大，其危害特征與民用核設(shè)施核事故相比，具有明顯區(qū)別：源項核素為非裂變產(chǎn)物，釋放量相對較小，但豐度極高；部隊長期野外駐訓(xùn)，事故發(fā)生地點(diǎn)不固定，危害范圍受地形地貌、氣象環(huán)境影響程度大；危害擴(kuò)散過程為瞬時性釋放，可以理解為

在較短時間內(nèi)瞬間釋放了一個氣體氣團(tuán)，不同于連續(xù)穩(wěn)定釋放。上述特點(diǎn)對部隊核應(yīng)急提出了高要求，必須“第一時間、第一現(xiàn)場”迅速響應(yīng)、科學(xué)處置。

現(xiàn)階段，部隊沒有處理真實核事故的經(jīng)歷和經(jīng)驗，客觀存在事故場景無印象、危害無感知等問題。在平時核應(yīng)急訓(xùn)練中，側(cè)重于教條化、流程化的行為動作，對于處置的規(guī)范流程、行動要點(diǎn)并不完全熟悉。此外，訓(xùn)練中需要頻繁動用應(yīng)急裝備及耗材，運(yùn)行成本高、維護(hù)代價大，而實際訓(xùn)練效果并不理想，參訓(xùn)人員核心應(yīng)急能力未得到有效提升。

為了解決這些實際問題，結(jié)合前期開展的核事故源項計算與試驗、污染物大氣擴(kuò)散模型設(shè)計、核應(yīng)急處置流程動態(tài)仿真等研究實踐工作，提出某型裝備重大核事故應(yīng)急處置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過實例分析與推導(dǎo)，證明其在實際運(yùn)用中能夠取得良好效果，滿足單兵技能、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、應(yīng)變能力訓(xùn)練以及效能考核評估，可為部隊核應(yīng)急能力提升提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

圖1 核事故模擬場景構(gòu)設(shè)子系統(tǒng)基本組成

軍用裝備重大核事故應(yīng)急處置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用并行的數(shù)字化模型開發(fā)環(huán)境，具備事故危害動態(tài)模擬、虛擬三維場景體驗、應(yīng)急裝備模擬操作、應(yīng)急訓(xùn)練考核評估等功能[1]。按照實際需求，目前階段設(shè)計內(nèi)容包括核事故模擬場景構(gòu)設(shè)子系統(tǒng)、核應(yīng)急模擬訓(xùn)練器材和核應(yīng)急訓(xùn)練與考評子系統(tǒng)三個部分。

1.1 核事故模擬場景構(gòu)設(shè)子系統(tǒng)

核事故模擬場景構(gòu)設(shè)子系統(tǒng)(圖1)主要包括運(yùn)行支撐環(huán)境、事故危害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和場景可視化演示模塊。

1.1.1 事故危害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫包括不同場景下空間坐標(biāo)點(diǎn)放射性污染特征數(shù)據(jù)，如氣溶膠濃度、γ劑量率、α/β表面污染水平等信息，決定危害程度與影響范圍。在前期研究中，考慮到事故發(fā)生區(qū)域差異，分為地下狹小空間和地上開闊空間兩類進(jìn)行構(gòu)設(shè)。

其中，地下狹小空間重點(diǎn)采用流體動力學(xué)擴(kuò)散仿真方法，建立事故環(huán)境有限元模型，加載源項數(shù)據(jù)和氣流擴(kuò)散參數(shù)，模擬分析放射性污染局部擴(kuò)散分布規(guī)律。地上開闊空間應(yīng)結(jié)合具體環(huán)境特點(diǎn)選擇不同的擴(kuò)散模式進(jìn)行分析研究，對于平原、場坪等開闊區(qū)域，當(dāng)大氣環(huán)境相對穩(wěn)定、地形分布均勻，放射性物質(zhì)隨風(fēng)向下風(fēng)區(qū)域擴(kuò)散、濃度隨運(yùn)動半徑遞減，考慮選用基于高斯修正的擴(kuò)散模型，源強(qiáng)、煙云形態(tài)等參數(shù)借鑒部隊前期開展的爆炸煙云野外示蹤實驗結(jié)果；對于復(fù)雜山區(qū)地形，局地尺度的大氣擴(kuò)散受地形、氣象影響極大，考慮選用拉格朗日粒子擴(kuò)散模型，應(yīng)用大量蒙特卡羅抽樣質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)擴(kuò)散方法模擬污染物空間運(yùn)動分布情況和趨勢。相關(guān)擴(kuò)散分析數(shù)據(jù)可按照具體要求，采用TXT、OBJ、XML等多種格式存儲，進(jìn)行傳輸、讀取和調(diào)用。

1.1.2 場景可視化演示模塊

場景可視化演示模塊采用DipperVR三維平臺進(jìn)行開發(fā)，建立應(yīng)急裝備仿真實物模型，以及十余種復(fù)雜地形、氣象環(huán)境場景模型庫。

DipperVR平臺是一款國產(chǎn)化自主引擎，兼容商用計算機(jī)環(huán)境和搭載麒麟操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化計算機(jī)環(huán)境，可進(jìn)行模擬訓(xùn)練、場景瀏覽等業(yè)務(wù)需求開發(fā)。平臺包括物理渲染、動作捕捉、圖像處理等功能，設(shè)置專用接口層，通過導(dǎo)入前期仿真運(yùn)算平臺獲取的事故序列特征化數(shù)據(jù)，得到所需要動態(tài)展示的核素種類、濃度等數(shù)值。

1.1.3 運(yùn)行支撐環(huán)境

主要包括視頻終端、高性能計算服務(wù)器、圖形工作站、PDA、音頻處理器等，各仿真節(jié)點(diǎn)間采用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以局域網(wǎng)的形式進(jìn)行交互。

1.2 核應(yīng)急模擬訓(xùn)練器材

核應(yīng)急模擬器材包括模擬核事故放射性部件、模擬便攜式輻射監(jiān)測設(shè)備、模擬無人機(jī)核輻射偵測系統(tǒng)和模擬現(xiàn)場應(yīng)急處置關(guān)鍵車輛裝備。

1.2.1 模擬核事故放射性部件

根據(jù)應(yīng)急訓(xùn)練需要，設(shè)計一系列不同尺寸的受損核部件仿真碎片，內(nèi)裝電磁信號釋放裝置，等效放射性特征中子、γ射線能量，配合采用ZigBee無線通信技術(shù)，實現(xiàn)近距離通訊信號傳輸。定位碎片目標(biāo)配有不同強(qiáng)度的超寬帶UWB有源標(biāo)簽，定位區(qū)域布設(shè)UWB端節(jié)點(diǎn)，形成事故等效輻射場分布(圖2)。

1.2.2 模擬便攜式輻射監(jiān)測設(shè)備

圖2 模擬部件通訊信號空間傳輸

圖3 所需模擬的便攜式輻射監(jiān)測設(shè)備

模擬便攜式輻射監(jiān)測設(shè)備(圖3)包括氣溶膠濃度監(jiān)測儀、α/β表面污染測量儀、γ劑量率監(jiān)測儀等，操作面板、使用方法、測量顯示與實裝一致。該類設(shè)備與核事故現(xiàn)場放射性部件配套使用，內(nèi)置接收信號終端，通過測量有源標(biāo)簽和端節(jié)點(diǎn)之間的電磁波傳播時間，再現(xiàn)輻射源強(qiáng)度與探測器因距離產(chǎn)生的函數(shù)關(guān)系，真實呈現(xiàn)輻射監(jiān)測環(huán)境效果。

1.2.3 模擬無人機(jī)核輻射偵測系統(tǒng)

無人機(jī)核輻射偵測系統(tǒng)（圖4）主要用于在核事故發(fā)生初期部隊無法全面掌握情況條件下，第一時間代替人員進(jìn)入核心區(qū)域，快速獲取現(xiàn)場景象、劃定污染范圍、獲取輻射數(shù)據(jù)。模擬系統(tǒng)外形構(gòu)設(shè)、操作面板、使用方法與實裝一致，可視化顯示無人機(jī)飛行作用狀態(tài)，實現(xiàn)空中巡測、定位測量等功能。系統(tǒng)可由使用者通過操控設(shè)備切換手控模式、自控模式，根據(jù)指令進(jìn)行懸停、轉(zhuǎn)向、下降、爬升、采樣等動作訓(xùn)練。

1.2.4 模擬現(xiàn)場應(yīng)急處置關(guān)鍵車輛裝備

模擬現(xiàn)場應(yīng)急處置關(guān)鍵車輛裝備包括核污染壓制去污劑噴灑車、核應(yīng)急洗消去污車，均為已經(jīng)定型列裝的核應(yīng)急與反核恐怖專用車輛。模擬訓(xùn)練裝備的操作面板、界面設(shè)計、使用方法等，與實裝基本一致，可視化顯示作業(yè)過程、步驟和狀態(tài)。

核污染壓制去污劑噴灑車（圖5）是實現(xiàn)大面積壓制去污方法應(yīng)用的關(guān)鍵性移動式作業(yè)裝備，其主要功能是將專用雙組分反應(yīng)型材料在線動態(tài)混合后均勻布灑到地面上，快速形成連續(xù)膜體后剝離清除；或采用水溶性壓制去污劑進(jìn)行高空噴射，有效防止放射性物質(zhì)進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到放射性污染壓制的目的。該型車輛模擬訓(xùn)練裝備用于訓(xùn)練人員操作使用壓制去污劑對核污染區(qū)域空中、近地面區(qū)域的放射性粉塵、氣溶膠進(jìn)行壓制，并對作業(yè)工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控。

核應(yīng)急洗消去污車主要功能是在核事故應(yīng)急過程中開設(shè)洗消站，對遭受放射性沾染的武器裝備、車輛、人員實施洗消。該型車輛模擬訓(xùn)練裝備用于訓(xùn)練人員實現(xiàn)洗消功能操作控制，完成車輛裝備外表面、底盤的污染清除以及放射性沾染人員體表去污，并對作業(yè)工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控。

1.3 核應(yīng)急訓(xùn)練與考評子系統(tǒng)

核應(yīng)急訓(xùn)練與考評系統(tǒng)主要依托遠(yuǎn)程音視頻、數(shù)據(jù)傳輸鏈路，實現(xiàn)對單兵、單裝操作過程，班組協(xié)同訓(xùn)練和分隊綜合訓(xùn)練過程遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時記錄。同時，可對事故現(xiàn)場場景、事故演化過程、部隊處置特情實施遠(yuǎn)程調(diào)控，對單兵技能訓(xùn)練、班組協(xié)同訓(xùn)練、分隊指揮應(yīng)變能力和綜合演練效能進(jìn)行考核評估。

1.3.1 單兵技能訓(xùn)練考評子系統(tǒng)

圖4 所需模擬無人機(jī)核輻射偵測系統(tǒng)及操控設(shè)備

圖5 模擬核污染壓制去污劑噴灑車操控界面

圖6 山區(qū)地形爆炸核事故場景界面

遠(yuǎn)程設(shè)置調(diào)控事故場景和輻射場，監(jiān)控單兵訓(xùn)練過程中使用的模擬訓(xùn)練器材、實裝狀態(tài)和參數(shù)，實時跟蹤受訓(xùn)人員操作過程，建立訓(xùn)練考評數(shù)據(jù)庫，分析評判輻射偵測與評估、污染壓制、洗消去污、回收處置等單兵技能訓(xùn)練效果。

1.3.2 班組戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練考評子系統(tǒng)

設(shè)置火燒、爆炸、放射性泄漏等事故場景，全程監(jiān)控輻射偵測與評估、污染壓制、洗消去污、回收處置各專業(yè)班組人員行動與操作過程，建立訓(xùn)練考評數(shù)據(jù)庫，分析評判戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練效果。

1.3.3 分隊指揮員應(yīng)變能力訓(xùn)練考評子系統(tǒng)

在分隊?wèi)?yīng)急行動中，遠(yuǎn)程導(dǎo)調(diào)設(shè)置不同現(xiàn)場特情，全程監(jiān)控指揮員現(xiàn)場指揮、臨機(jī)處置過程，實時跟蹤受訓(xùn)人員特情處置作業(yè)過程，建立訓(xùn)練考評數(shù)據(jù)庫，分析評判分隊指揮員應(yīng)變能力，綜合考評分隊核應(yīng)急訓(xùn)練效果。

2 系統(tǒng)實例演示

對于系統(tǒng)使用者而言，主要是通過三維模擬的場景來直觀感知核事故發(fā)展態(tài)勢和應(yīng)急行動處置流程。為了更好地詮釋系統(tǒng)功能，從一個實例角度簡要推演展示系統(tǒng)應(yīng)用過程，并證明其實用性和有效性。

2.1 事故場景選取生成

本實例設(shè)想情況為：某型軍用裝備野外機(jī)動過程中，行進(jìn)至山區(qū)峽谷位置發(fā)生意外，車輛翻車引發(fā)化學(xué)爆炸，造成車輛損毀、大面積放射性污染擴(kuò)散。受訓(xùn)人員根據(jù)實例登錄系統(tǒng)，在十余種核事故場景庫中選擇山區(qū)地形場景，啟動虛擬三維仿真環(huán)境。大屏顯示終端呈現(xiàn)事故車輛發(fā)生爆炸起火，放射性煙云成形、擴(kuò)散、裝備碎片殘骸紛飛等過程。聲光特效同步配合，逼真展示事故演示效果（圖6）。

2.2 應(yīng)急處置科目訓(xùn)練

核事故場景生成后，受訓(xùn)人員按照應(yīng)急處置科目分步驟進(jìn)行訓(xùn)練。

2.2.1 輻射偵測訓(xùn)練

輻射偵測組按照規(guī)定要求做好應(yīng)急人員防護(hù)，重點(diǎn)保護(hù)口鼻、呼吸道，防止吸入放射性氣溶膠造成內(nèi)照射危害。此后，模擬進(jìn)入事故核心區(qū)域附近，分步開展空中輻射偵測、地面輻射偵測作業(yè)。

空中輻射偵測過程中，飛控號手在虛擬仿真環(huán)境中，利用操控設(shè)備控制無人機(jī)核輻射偵測系統(tǒng)，按照既定路線進(jìn)入事故核心區(qū)域，跟蹤爆炸煙云擴(kuò)散方向，實時監(jiān)測與傳輸放射性氣溶膠濃度、瞬時γ劑量率等數(shù)據(jù)，在地面平臺快速生成污染態(tài)勢分布圖（圖7）。

地面輻射偵測過程中，設(shè)置一定范圍的場坪訓(xùn)練區(qū)域。分隊指揮員根據(jù)空中輻射偵測回傳數(shù)據(jù)，分析判斷虛擬事故現(xiàn)場大致嚴(yán)重程度，確定人員徒步行進(jìn)路線，下令班組協(xié)同分工，使用模擬便攜式輻射監(jiān)測設(shè)備有序進(jìn)入，開展模擬核事故放射性部件搜巡定位、地面污染水平監(jiān)測等工作。

2.2.2 污染壓制訓(xùn)練

壓制車分隊根據(jù)事故現(xiàn)場污染區(qū)域分布情況，可在虛擬仿真環(huán)境下，利用操縱桿、駕駛訓(xùn)練艙等實體訓(xùn)練器材，結(jié)合插件化模塊分離設(shè)計方法，開展單兵、多人協(xié)同壓制作業(yè)。

在人機(jī)交互過程中，受訓(xùn)人員通過三自由度動態(tài)平臺在車輛行駛中形成與地形起伏相一致的顛簸，產(chǎn)生等同于實車行駛中的前傾、側(cè)滑、碰撞、震動等感覺。通過耳麥和界面相結(jié)合，模擬對講機(jī)的使用、選擇對講頻率、發(fā)送對講語音等，為受訓(xùn)人員帶來逼真的情景體驗。系統(tǒng)實時記錄壓制車行進(jìn)路線和速度、壓制劑流速、壓制時間等參數(shù)，結(jié)合虛擬環(huán)境氣溶膠濃度模擬分布擴(kuò)散情況，判斷壓制效果以及評價單兵、分隊處置能力和協(xié)同能力。

圖7 模擬空中輻射偵測及污染態(tài)勢獲取

2.2.3 洗消去污訓(xùn)練

洗消去污分隊采用操縱桿、駕駛訓(xùn)練艙等實體訓(xùn)練器材，在規(guī)定時間內(nèi)完成洗消場開設(shè)，對遭受放射性沾染人員、武器裝備進(jìn)行洗消。系統(tǒng)實時記錄洗消時間，人員裝備洗消場地選址，進(jìn)出道路、補(bǔ)測補(bǔ)消點(diǎn)位、放射性廢物收集地點(diǎn)設(shè)置。受訓(xùn)人員通過操作，選擇分區(qū)消除、分類消除、尾追消除、盲噴消除等方法，快速去除放射性污染，回收放射性廢物，以達(dá)到人員和環(huán)境可以接受的水平[2]。

2.3 應(yīng)急處置考核評估

為了使核事故應(yīng)急處置考核評估結(jié)果能全面、準(zhǔn)確地反映受訓(xùn)人員在實際作業(yè)場所中的作業(yè)能力，在前期大量訓(xùn)練演練研究的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用層次網(wǎng)絡(luò)評估模型、CIPP評估模型、AHF評估模型，構(gòu)建了適應(yīng)部隊需要的應(yīng)急能力考核評估方法和指標(biāo)體系，有機(jī)融入考核評估系統(tǒng)，使其評估結(jié)果客觀地反映單兵、班組、分隊行動對于總體效能的貢獻(xiàn)。

在實際考核中，考官可在虛擬環(huán)境下位于任意位置、角度觀察訓(xùn)練全過程，根據(jù)實際情況進(jìn)行人工干預(yù)，考察人員的應(yīng)變能力。其中，在單兵仿真實物模型操作訓(xùn)練過程中，可通過構(gòu)造突然事件進(jìn)行人工干預(yù)考核參訓(xùn)人員的應(yīng)變能力；在戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練各階段，可通過構(gòu)造天氣變化、設(shè)備故障、二次爆炸等突發(fā)事件進(jìn)行人工干預(yù)，受訓(xùn)人員根據(jù)事故變化，及時調(diào)整處置措施[3]。系統(tǒng)通過軌跡追蹤技術(shù)，實時監(jiān)測記錄單兵、分隊行進(jìn)路線及變化情況，為綜合評判指揮人員指揮調(diào)度、班組協(xié)同能力以及單個參訓(xùn)人員對突發(fā)事件應(yīng)變能力提供支撐。

3 結(jié)語

基于核事故場景的應(yīng)急處置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)，不僅能夠幫助官兵熟悉應(yīng)急裝備的基本操作控制，拓展培訓(xùn)技術(shù)手段，而且對提高應(yīng)急處置流程的掌握能力有著重要促進(jìn)作用，使得訓(xùn)練場景和過程更加接近實戰(zhàn)狀態(tài)?，F(xiàn)階段主要完成了訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計方案，后續(xù)還需要將核事故危害數(shù)據(jù)、應(yīng)急處置考核評估方法融入到系統(tǒng)中，仍有大量工作需要進(jìn)一步深入探討研究。