基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的食品安全應(yīng)急演練系統(tǒng)

李 晶 鄒吉濤

(1. 國(guó)家藥品監(jiān)督管理局高級(jí)研修學(xué)院，北京 100073；2. 北京都市森林科技有限責(zé)任公司，北京 102299)

食品安全應(yīng)急演練是提升人員能力，保障人們“舌尖上安全”，維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定的重要手段。傳統(tǒng)食品安全應(yīng)急演練形式一般分為桌面演練、功能演練和綜合演練等[1-2]。桌面演練是指針對(duì)事先假定的突發(fā)事件依據(jù)應(yīng)急預(yù)案討論和推演應(yīng)急處置的過程，一般為口頭演練，在會(huì)議室完成。功能演練是一種更貼近實(shí)戰(zhàn)的桌面演練。人員一般以其在應(yīng)急工作中的實(shí)際角色參演，對(duì)某項(xiàng)應(yīng)急響應(yīng)功能進(jìn)行演練，一般在應(yīng)急指揮中心完成，調(diào)用有限的資源。綜合演練是傳統(tǒng)意義上的實(shí)戰(zhàn)演練，是指針對(duì)突發(fā)事件發(fā)生及發(fā)展情景，通過實(shí)際操作完成真實(shí)應(yīng)急響應(yīng)的過程，一般采取交互式方式進(jìn)行，調(diào)用更多的應(yīng)急人員和資源。傳統(tǒng)應(yīng)急演練主要是在室內(nèi)或者固定的場(chǎng)所完成，且受時(shí)間限制，存在真實(shí)性不足、形式單一、成本較高等問題[3-6]。近年來，國(guó)家在推動(dòng)人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等新一代信息技術(shù)深度應(yīng)用，加強(qiáng)應(yīng)急管理應(yīng)用創(chuàng)新、模式創(chuàng)新[7]，以及促進(jìn)VR教育資源開發(fā)[8]等。VR得到了快速發(fā)展，VR主要是利用現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)等設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為逼真的、三維的虛擬環(huán)境，具有多感知性、交互性、沉浸感等特點(diǎn)，將其用在應(yīng)急演練領(lǐng)域，有利于提高應(yīng)急演練真實(shí)性、推動(dòng)建設(shè)快速反應(yīng)的專業(yè)應(yīng)急管理隊(duì)伍，VR應(yīng)急演練系統(tǒng)在此特定的背景下應(yīng)運(yùn)而生。目前VR應(yīng)急演練系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害和重大事故應(yīng)急演練工作中，如澳大利亞最大的列車客運(yùn)公司StateRail研制了用于學(xué)習(xí)如何處置火災(zāi)、爆炸等緊急情況的虛擬仿真系統(tǒng)[9]；朱新平等[10-11]構(gòu)建了機(jī)場(chǎng)消防應(yīng)急救援虛擬演練平臺(tái)；金浩等[12]將VR應(yīng)用于水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；萬晶宇等[13]設(shè)計(jì)了基于VR的配電盤火災(zāi)應(yīng)急處置模擬系統(tǒng)；李敏等[14-15]實(shí)現(xiàn)了基于VR的地震應(yīng)急救援演練系統(tǒng)；侯建明等[16]基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了礦上救援虛擬仿真演練系統(tǒng)；張蕊等[17-18]搭建了國(guó)際郵輪港虛擬仿真平臺(tái)；田晶晶等[19]將VR技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)安全隱患排查、生產(chǎn)模擬演練中。但是在現(xiàn)有研究成果中，針對(duì)食品安全領(lǐng)域，主要開發(fā)了食品安全仿真教學(xué)系統(tǒng)、檢驗(yàn)檢測(cè)試驗(yàn)仿真操作系統(tǒng)等[20-22]，并沒有研究直接用于食品安全突發(fā)事件的仿真演練系統(tǒng)。

研究立足于食品安全領(lǐng)域，基于VR開發(fā)集動(dòng)畫、測(cè)試、聲音與人機(jī)交互于一體的應(yīng)急演練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在仿真環(huán)境中體驗(yàn)多種演練要素，以期彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)急演練的不足、提升演練效果。

1 食品安全仿真演練系統(tǒng)特點(diǎn)

食品安全仿真應(yīng)急演練系統(tǒng)依托于VR技術(shù)，仿真模擬典型的食品安全突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)，通過人機(jī)交互的操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練時(shí)的沉浸式體驗(yàn)，其具有以下特點(diǎn)：

(1) 真實(shí)性：以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬建設(shè)，操作規(guī)則同樣立足于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際的食品安全應(yīng)急處置過程。

(2) 可擴(kuò)展性：配備接口，實(shí)現(xiàn)不同的場(chǎng)景的三維動(dòng)態(tài)配置。

(3) 科學(xué)性：依據(jù)科學(xué)的計(jì)算對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行演練，依據(jù)物理引擎計(jì)算虛擬場(chǎng)景的模擬演示效果。

(4) 實(shí)時(shí)性：演練中產(chǎn)生的各種命令或者行為能夠?qū)崟r(shí)地得到響應(yīng)。

(5) 協(xié)同性：支持多臺(tái)計(jì)算機(jī)終端在同一場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行協(xié)同演練和觀察。

(6) 安全性：可模擬極端情況下(如地震、雪災(zāi)等)的食品安全突發(fā)事件場(chǎng)景，保證人員在實(shí)際操作中的安全。

(7) 靈活性：演練數(shù)據(jù)易于收集，系統(tǒng)可以選取不同的算法進(jìn)行演練評(píng)估。

(8) 易用性：友好的用戶界面，軟件設(shè)計(jì)符合使用者的習(xí)慣與需求。

2 食品安全仿真演練系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

系統(tǒng)軟件技術(shù)主要包括：

(1) 場(chǎng)景設(shè)計(jì)：利用AutoDesk公司的3D max軟件進(jìn)行建模，還原真實(shí)的食品安全突發(fā)事件場(chǎng)景。

(2) 界面設(shè)計(jì)：利用Unity3D軟件關(guān)聯(lián)編輯模型和數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)界面和環(huán)境的配置等[23-24]。

(3) 交互實(shí)現(xiàn)：控制邏輯使用C#腳本進(jìn)行開發(fā)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：采用UDP、TCP的數(shù)據(jù)傳輸。

(5) 服務(wù)器端：采用VS 2019開發(fā)，開發(fā)語言為C#。

(6) 數(shù)據(jù)庫(kù)接口：采用mySQL數(shù)據(jù)庫(kù)連接情景庫(kù)、演練數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫(kù)存內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括：服務(wù)器、頭戴式仿真頭盔、手持設(shè)備等。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由操作層、業(yè)務(wù)層、邏輯層、虛擬層和基礎(chǔ)服務(wù)層構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

用戶層：包括使用系統(tǒng)的演練人員和管理人員兩個(gè)層級(jí)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

業(yè)務(wù)層：是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心部分，形成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊，包括培訓(xùn)、演練和評(píng)價(jià)等子系統(tǒng)。

邏輯層：是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯結(jié)構(gòu)，包括交互行為邏輯、業(yè)務(wù)邏輯以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

虛擬層：涵蓋演練過程中需要的虛擬數(shù)據(jù)，包括三維場(chǎng)景庫(kù)、事件情景庫(kù)、虛擬物品、虛擬人物等。

基礎(chǔ)服務(wù)層：是整個(gè)系統(tǒng)的支撐體系，主要包括支持虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的三維引擎、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、交互設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)等系統(tǒng)所需等軟硬件設(shè)施。

2.3 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為C/S模式，分為服務(wù)器端和客戶端。系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊組成

服務(wù)器端：進(jìn)行演練事件類型選擇、演練場(chǎng)景設(shè)置、演練關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置、交互語言設(shè)置、演練計(jì)劃配置、演練評(píng)估規(guī)則設(shè)置等。

客戶端：演練人員登錄后，選擇演練場(chǎng)景開始演練，根據(jù)演練目標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，并對(duì)場(chǎng)景中的突發(fā)事件進(jìn)行處置，演練完成后查看演練得分等。

2.4 系統(tǒng)演練流程設(shè)置

系統(tǒng)演練流程如圖3所示，系統(tǒng)通過頭戴式仿真頭盔、手柄等演練設(shè)備與演練人員進(jìn)行交互，演練人員的操作數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實(shí)現(xiàn)多地區(qū)的演練人員之間的協(xié)同工作。每次演練開始前，由演練組織單位制定演練預(yù)案并進(jìn)行推演，理論分析通過后進(jìn)行實(shí)際演練，演練的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并對(duì)每個(gè)演練人員的行為進(jìn)行評(píng)價(jià)。演練系統(tǒng)提供針對(duì)不同角色進(jìn)行訓(xùn)練的功能。演練角色按照食品安全事故應(yīng)急預(yù)案[25]設(shè)置，包括綜合協(xié)調(diào)組、事故調(diào)查組、危害控制組、醫(yī)療救治組、檢測(cè)評(píng)估組、社會(huì)穩(wěn)定組、新聞宣傳組等，各小組根據(jù)分組不同，有不同的職能工作。

圖3 演練流程示意圖

2.5 系統(tǒng)演練場(chǎng)景設(shè)計(jì)

通過分析實(shí)際食品安全突發(fā)事件場(chǎng)景以及應(yīng)急處置流程，結(jié)合專家咨詢意見，選取了10個(gè)典型的食品安全突發(fā)事件發(fā)生場(chǎng)景以及應(yīng)急處置關(guān)鍵控制點(diǎn)(演練關(guān)鍵點(diǎn))進(jìn)行系統(tǒng)的演練場(chǎng)景設(shè)計(jì)和建模。10個(gè)場(chǎng)景如表1所示。人員進(jìn)入模擬情景后，會(huì)進(jìn)行應(yīng)急處置關(guān)鍵點(diǎn)的演練，演練完成后會(huì)分析得到事件發(fā)生的原因。

表1 系統(tǒng)演練場(chǎng)景及演練關(guān)鍵點(diǎn)

2.6 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.6.1 系統(tǒng)三維模型和場(chǎng)景建立 場(chǎng)景和模型的建立是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。常規(guī)的虛擬三維模型，是一個(gè)完整的數(shù)字化真實(shí)場(chǎng)景信息庫(kù)，它不僅包含場(chǎng)景構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性和狀態(tài)信息，還包含非構(gòu)件對(duì)象的狀態(tài)信息，如空間和運(yùn)動(dòng)行為等。食品安全仿真演練系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為頭戴式VR一體機(jī)設(shè)備，需適配該設(shè)備的計(jì)算平臺(tái)和顯示分辨率，以達(dá)到展現(xiàn)大型場(chǎng)景的同時(shí)又不損失顯示效果和顯示效率，故系統(tǒng)建模時(shí)有以下關(guān)鍵點(diǎn)。

(1) 降低模型的三角形面數(shù)，對(duì)于有明顯視角變化的集合體，采用實(shí)體模型進(jìn)行繪制，盡量使用規(guī)則幾何體展示，對(duì)于沒有視角變化的一些表面細(xì)節(jié)，采用紋理欺騙視覺的方式利用平面展示顯示內(nèi)容，可以減少模型顯示效率損失，保留盡可能多的模型細(xì)節(jié)。

(2) 實(shí)體模型中的邊角部分和凹凸部分，采用凹凸貼圖或法線貼圖[26]的方式進(jìn)行展示，在不添加多邊形的前提下，為模型添加細(xì)節(jié)。

(3) 圖形顯示設(shè)備繪制圖形時(shí)，對(duì)于所有使用同一張紋理的模型，建立成一個(gè)獨(dú)立的物體(不以實(shí)際物體的構(gòu)成規(guī)律構(gòu)建物體)，減少切換次數(shù)，顯著提高顯示效率。同時(shí)，采用光照貼圖，對(duì)于光照效果需要不明顯的部分，直接記錄光線反射效果，不需要實(shí)時(shí)計(jì)算，進(jìn)一步降低顯示時(shí)的性能需求，增加效果且不增加系統(tǒng)計(jì)算壓力。

(4) 簡(jiǎn)化真實(shí)場(chǎng)景描述的虛擬模型。在食品安全應(yīng)急演練場(chǎng)景模型中，許多信息被刪除，以方便人們?cè)谟?jì)算機(jī)中直觀地看到并編輯。它不包含材質(zhì)信息、光影描述、環(huán)境物理信息等細(xì)節(jié)，只包含三維幾何數(shù)據(jù)，沒有(或很少)物體屬性數(shù)據(jù)，以便用于圖形可視化。

(5) 程序流程控制技術(shù)。系統(tǒng)所有的場(chǎng)景總體的運(yùn)行邏輯相同，僅僅是場(chǎng)景內(nèi)容和系統(tǒng)選項(xiàng)不同，為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，開發(fā)過程中采用建立抽象管理層的方式控制程序流程，場(chǎng)景、交互形式、交互文字、飾品、語音內(nèi)容等均視為可配置元素。對(duì)于不同的演練場(chǎng)景，主要的變化就是可配置元素，整體運(yùn)行邏輯不變，將單個(gè)場(chǎng)景的開發(fā)流程工作變化為業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)引擎開發(fā)工作，增加不同的訓(xùn)練場(chǎng)景工作僅需變化為開發(fā)不同的模型以及約定交互內(nèi)容，確保系統(tǒng)易于調(diào)試修改，便于動(dòng)態(tài)編輯配置演習(xí)內(nèi)容，且單個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行穩(wěn)定后，所有的虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景均穩(wěn)定。

2.6.2 食品安全應(yīng)急演練場(chǎng)景模型特點(diǎn) 與常規(guī)虛擬三維場(chǎng)景模型相比，食品安全應(yīng)急演練場(chǎng)景模型具有以下特點(diǎn)：

(1) 可視化。食品安全應(yīng)急演練場(chǎng)景模型的可視化是一種可以與場(chǎng)景形成交互和反饋的可視化。不僅可以通過插入圖文視頻資料等進(jìn)行展示，還可以通過評(píng)價(jià)體系生成演習(xí)評(píng)分?jǐn)?shù)值，更重要的是醫(yī)療救治、事件調(diào)查、檢驗(yàn)檢測(cè)等過程中的溝通、討論、決策都是在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行的。

(2) 協(xié)調(diào)化。協(xié)調(diào)是品安全應(yīng)急演練的核心內(nèi)容。無論是綜合協(xié)調(diào)組，還是事故調(diào)查組，危害控制組，醫(yī)療救治組，新聞宣傳組等，都在做協(xié)調(diào)配合。

(3) 最佳化。食品安全應(yīng)急演練，本質(zhì)上就是一個(gè)食品安全事故設(shè)計(jì)、各組協(xié)調(diào)的過程，是一個(gè)不斷優(yōu)化流程的過程。優(yōu)化受到3個(gè)因素的制約：事故信息、事故復(fù)雜度和各組處理時(shí)間。食品安全應(yīng)急演練系統(tǒng)及其支持的優(yōu)化工具為復(fù)雜食品安全事故的流程優(yōu)化提供了可能。

3 食品安全仿真演練系統(tǒng)演練效果

以工地食品安全突發(fā)事件的應(yīng)急演練為例。演練人員登錄系統(tǒng)后，選擇工地食品安全突發(fā)事件情景并點(diǎn)擊確定，界面如圖4(a)所示。演練人員進(jìn)入工地虛擬場(chǎng)景后，到達(dá)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)，按照系統(tǒng)給出的指示了解突發(fā)事件發(fā)生的過程，隨即如圖4(b)所示選擇不同的虛擬身份參與到不同的演練內(nèi)容，對(duì)事件進(jìn)行處置，分別進(jìn)行事故調(diào)查、信息報(bào)告、醫(yī)療救治、檢測(cè)檢驗(yàn)、善后處置等具體操作。比如事件調(diào)查組點(diǎn)取場(chǎng)景中的可交互的人物，詢問癥狀、事件起因、經(jīng)過、時(shí)間、事發(fā)單位情況、涉事食品相關(guān)情況等信息，并進(jìn)行事故的信息報(bào)告；醫(yī)療救治組可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)救治交互行為，對(duì)事件涉及的傷病人員進(jìn)行診斷治療，選擇胸外按壓、喂藥、催吐、轉(zhuǎn)運(yùn)到有條件的醫(yī)療機(jī)構(gòu)加強(qiáng)救治等方式。檢測(cè)評(píng)估組可開展相關(guān)應(yīng)急檢驗(yàn)檢測(cè)工作，點(diǎn)取食物，進(jìn)行滴定測(cè)試，隨機(jī)顯示不同的顏色，隨機(jī)產(chǎn)生不同的化驗(yàn)結(jié)果，綜合分析檢測(cè)數(shù)據(jù)從而進(jìn)行事故原因和趨勢(shì)的分析，如圖4(c)～圖4(e)所示。演練結(jié)束后，對(duì)演練人員的操作進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括人員對(duì)各種不同情形下的應(yīng)急處置流程的了解程度，應(yīng)急處置過程的操作流程熟悉度，實(shí)際處置過程中是否存在次序錯(cuò)誤，是否遺漏處置必要的操作環(huán)節(jié)，是否充分表現(xiàn)出專業(yè)的處置技巧、是否有全局觀、是否能夠有效降低突發(fā)事件引起的社會(huì)效應(yīng)等。最后得出演練得分，如圖4(f)所示。

圖4 演練交互操作

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于食品安全監(jiān)管部門。應(yīng)用部門反饋表明，系統(tǒng)場(chǎng)景設(shè)置合理，演練模塊設(shè)計(jì)科學(xué)，較好地還原了真實(shí)食品安全突發(fā)事件場(chǎng)景和實(shí)際應(yīng)急處置流程，體驗(yàn)真實(shí)，操作簡(jiǎn)潔、在食品安全應(yīng)急演練領(lǐng)域具有首創(chuàng)性，有助于提升人員專業(yè)水平和處置能力。

4 結(jié)論

食品安全仿真演練系統(tǒng)比傳統(tǒng)演練具有更高的真實(shí)性和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)人員沉浸式演練，具有較好的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體驗(yàn)感和成本控制以及應(yīng)用推廣方面的快速發(fā)展，虛擬演練必然為各級(jí)政府提供更多的食品安全突發(fā)事件應(yīng)急處置的輔助決策手段。下一步，可以進(jìn)一步探索實(shí)現(xiàn)多人協(xié)調(diào)虛擬演練以及構(gòu)建相應(yīng)的演練效果評(píng)價(jià)體系。