基于虛擬現(xiàn)實(shí)的危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故應(yīng)急處置推演技術(shù)研究

劉宇航

（中國物流信息中心，北京 100045）

0 前言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，帶來了公路通車?yán)锍毯蜋C(jī)動(dòng)車保有量的快速增長，重特大道路運(yùn)輸安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。近年來，我國先后發(fā)生的陜西包茂高速“8.26”、山西晉濟(jì)高速 “3.1”及浙江溫嶺“6.13”等多起危險(xiǎn)品重特大道路運(yùn)輸安全事故，給國家相關(guān)管理部門應(yīng)急處置帶來了巨大的挑戰(zhàn)。事故深度調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，道路運(yùn)輸駕駛員應(yīng)急處置能力不強(qiáng)是導(dǎo)致事故發(fā)生、蔓延的直接原因之一。

截至2020年底，我國危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員數(shù)量已達(dá)160余萬人，當(dāng)前我國危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員培訓(xùn)基本停留在傳統(tǒng)書本教材、文件學(xué)習(xí)和教師面授層面，部分企業(yè)內(nèi)部培訓(xùn)流于形式，造成培訓(xùn)模式單一、層次缺失、參與度低、培訓(xùn)間隙長等問題，從業(yè)人員知識(shí)與能力難以固化。各地由于安全、場地、成本等因素的限制，危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員應(yīng)急處置培訓(xùn)無法覆蓋每位從業(yè)人員，且實(shí)操技能訓(xùn)練難以貼近實(shí)戰(zhàn)。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）、模擬仿真等新技術(shù)發(fā)展，運(yùn)用事故情景模擬再現(xiàn)、實(shí)景互動(dòng)體驗(yàn)等方式，逐漸構(gòu)建起多層次、多模式、內(nèi)容豐富的危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員培訓(xùn)體系，強(qiáng)化安全意識(shí)、鞏固安全知識(shí)，提升危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員緊急情況下的應(yīng)急處置能力成為可能。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真推演技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是依托計(jì)算機(jī)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互等技術(shù)，融合視、聽等多源信息，構(gòu)建并生成與真實(shí)環(huán)境高度近似的數(shù)字化系統(tǒng)仿真，用戶可通過與虛擬世界的交互，體驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)世界[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)按照體驗(yàn)感與交互程度可分為四類，如表1所示。

表1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分類與特點(diǎn)Tab.1 Systematic characters of virtual reality

仿真推演是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建模仿真等技術(shù)方法，針對(duì)事先假定的演練背景，結(jié)合傳統(tǒng)推演的組織形式，模擬事件應(yīng)急決策及現(xiàn)場處置的過程[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)推演技術(shù)將二者進(jìn)行有效結(jié)合，利用模擬構(gòu)建的還原場景和事件處置過程，結(jié)合嵌入的知識(shí)體系，評(píng)估發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化方法流程、促進(jìn)用戶掌握應(yīng)急方法和技能，提高用戶研判和解決問題的能力。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真推演技術(shù)可構(gòu)建災(zāi)害事故發(fā)生實(shí)際場景，可大幅降低研究、培訓(xùn)等過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外普遍利用該技術(shù)對(duì)高?；驈?fù)雜作業(yè)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究與論證。潘衛(wèi)軍等研發(fā)基于VR技術(shù)的機(jī)場應(yīng)急處置虛擬演練平臺(tái)，通過定義平臺(tái)操作流程支持虛擬演練操作[3]。陳超等利用VR技術(shù)對(duì)地鐵火災(zāi)場景進(jìn)行推演模擬，研究人群在此類事故中的逃生情況，以便為應(yīng)急前置提供優(yōu)化方案[4]。湯華清基于VR技術(shù)開發(fā)了面向消防領(lǐng)域的應(yīng)急救援指揮訓(xùn)練系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)事故場景視、聽、味多感官沉浸式仿真，為受訓(xùn)者提供訓(xùn)練和考核的新模式[5]?；赩R的仿真推演訓(xùn)練系統(tǒng)平臺(tái)在上述領(lǐng)域已有應(yīng)用，但在危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸應(yīng)急處置領(lǐng)域的有關(guān)研究及成果仍十分缺乏。

2 應(yīng)急處置推演技術(shù)方法

2.1 知識(shí)體系搭建

以典型危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸安全事故情景演化過程為主線，按照“問題特征-知識(shí)節(jié)點(diǎn)”邏輯關(guān)系，面向事故節(jié)點(diǎn)刻畫應(yīng)急處置問題特征。將事故蔓延發(fā)展過程可劃分為n個(gè)事故重要節(jié)點(diǎn)，每個(gè)事故節(jié)點(diǎn)具有典型問題特征，可對(duì)典型事故特征進(jìn)行知識(shí)表示，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案、專項(xiàng)指南及歷史經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)急處置技術(shù)，提出面向事故節(jié)點(diǎn)的涵蓋背景、應(yīng)急措施與措施實(shí)施效果等多要素的應(yīng)急救援方案，從而建立形成“事故節(jié)點(diǎn)-應(yīng)急知識(shí)”的應(yīng)急處置知識(shí)基礎(chǔ)庫，“事故節(jié)點(diǎn)-應(yīng)急知識(shí)”映射框架如圖1所示。

圖1 “事故節(jié)點(diǎn)-應(yīng)急知識(shí)”映射框架Fig.1 Mapping framework of incident node-emergency disposal knowledge

以各典型場景應(yīng)急知識(shí)庫為基礎(chǔ)，深入分析、總結(jié)、凝練應(yīng)急知識(shí)要點(diǎn)，基于事故損害蔓延邏輯模型劃分知識(shí)節(jié)點(diǎn)方法，明確針對(duì)各類事故類型的應(yīng)急救援技術(shù)方案要素，并對(duì)框架中應(yīng)急處置問題特征進(jìn)行細(xì)化。背景應(yīng)明確事故場景、裝備情況、人員職責(zé)等；應(yīng)急處置措施則強(qiáng)調(diào)技術(shù)操作方案，涵蓋初始響應(yīng)、應(yīng)急處置、控制、清理等具體工作過程、所需工具和操作要求；方案措施效果包括上述每種方案的實(shí)施效果與影響，具體表現(xiàn)為操作適用性、實(shí)施次序等。

2.2 虛擬仿真場景構(gòu)建

仿真虛擬場景是典型危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故應(yīng)急推演的重要載體，可通過高度還原虛擬環(huán)境理解事故場景特征，對(duì)場景中相關(guān)的各類對(duì)象進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)屬性定義，使得應(yīng)急推演仿真技術(shù)達(dá)到較為逼真的效果。虛擬場景構(gòu)建框架見圖2。

圖2 虛擬場景構(gòu)建框架Fig.2 Systematic characters of virtual reality

2.2.1 三維場景靜態(tài)建模

構(gòu)建面向典型事故特征的靜態(tài)仿真場景需對(duì)地域環(huán)境、道路條件、涉事車輛、人員及應(yīng)急工具等要素進(jìn)行三維靜態(tài)建模，通過調(diào)研、地理信息系統(tǒng)等方式，獲取地形地貌、交通基礎(chǔ)設(shè)施等在內(nèi)的各類場景對(duì)象特征與真實(shí)建模數(shù)據(jù)，并基于計(jì)算機(jī)三維建模與渲染技術(shù)對(duì)虛擬場景中對(duì)象進(jìn)行靜態(tài)建模，構(gòu)建場景對(duì)象模型庫。針對(duì)場景中“人、車輛、應(yīng)急工具”等對(duì)象應(yīng)急處置的特點(diǎn)，對(duì)重要對(duì)象采用特征化網(wǎng)格表面模型、網(wǎng)格實(shí)體模型等方法，針對(duì)可交互的應(yīng)急工具進(jìn)行骨骼分割，可滿足場景動(dòng)態(tài)應(yīng)用。再通過對(duì)所屬各對(duì)象的要素特征模型進(jìn)行編輯與整合，并對(duì)危險(xiǎn)品車輛各部分材質(zhì)等對(duì)象細(xì)節(jié)特征屬性進(jìn)行定義，最終建立搭建虛擬場景所需的全部對(duì)象的獨(dú)立三維靜態(tài)模型。

2.2.2 場景特征動(dòng)態(tài)仿真

事故虛擬場景中人、車輛、應(yīng)急工具等對(duì)象，以及煙霧濃度、火焰效果等災(zāi)害表現(xiàn)特征經(jīng)常呈現(xiàn)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，在虛擬場景構(gòu)建中需對(duì)此類對(duì)象賦予動(dòng)態(tài)屬性。本文以應(yīng)急處置過程為主線，基于Unity3D虛擬場景開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建面向典型危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故蔓延的動(dòng)態(tài)虛擬場景，利用系統(tǒng)資源包及導(dǎo)入的對(duì)象三維靜態(tài)模型，構(gòu)建場景，編輯天氣、燈光等環(huán)境要素，通過粒子系統(tǒng)定義煙、水、霧等災(zāi)害特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)事故進(jìn)展的真實(shí)反映。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，基于C#語言編制添加對(duì)象腳本，將其定義至對(duì)象并設(shè)置初始參數(shù)，經(jīng)過調(diào)試優(yōu)化，最終構(gòu)建典型事故虛擬視聽動(dòng)態(tài)場景。

2.3 場景-知識(shí)匹配集成

基于圖示訓(xùn)練法，以應(yīng)急救援過程為主線，在Unity3D系統(tǒng)中將應(yīng)急知識(shí)庫以計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行表達(dá)解析，并與虛擬仿真場景中相應(yīng)對(duì)象進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)急處置過程的問題特征要素對(duì)各節(jié)點(diǎn)的知識(shí)屬性嵌入，形成了科學(xué)、規(guī)范、完整、高度精煉化、體系化的虛擬仿真場景應(yīng)急知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3 危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故應(yīng)急推演模擬

3.1 典型危險(xiǎn)場景應(yīng)急知識(shí)庫構(gòu)建

基于行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，梳理危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸?shù)湫褪鹿暑愋?。針?duì)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸最常出現(xiàn)的起火、爆炸、碰撞、泄漏、墜落、爆胎、側(cè)翻及車輛故障等典型事故特點(diǎn)[6]，如圖3所示，建立以環(huán)境條件、現(xiàn)場施救措施、損害情況等多維度的事故損害蔓延邏輯模型，通過建立對(duì)象泄漏擴(kuò)散、起火燃燒等數(shù)學(xué)模型，厘清事故特征發(fā)展規(guī)律，結(jié)合危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸安全事故的專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案的處置措施，總結(jié)面向各類典型事故的駕駛員、押運(yùn)員、應(yīng)急處置方法技術(shù)，形成面向危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸?shù)湫褪鹿蕡鼍暗膽?yīng)急知識(shí)要點(diǎn)。系統(tǒng)在8類場景基礎(chǔ)上，基于事故特征與應(yīng)急處置特點(diǎn)對(duì)部分場景進(jìn)行了細(xì)化，并對(duì)虛擬仿真場景與應(yīng)急知識(shí)庫進(jìn)行了針對(duì)性地開發(fā)與設(shè)計(jì)，面向培訓(xùn)與演練實(shí)際需求，將安全知識(shí)、安全習(xí)慣、安全意識(shí)、安全技能、安全生理及安全心理組合成完整的訓(xùn)練方法。

圖3 危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸?shù)湫褪鹿蕡鼍癋ig.3 Conclusive scenario of dangerous goods highway transportation

3.2 危險(xiǎn)品泄漏事故全過程推演系統(tǒng)平臺(tái)

以危險(xiǎn)品罐車泄漏事故為例，按照危險(xiǎn)品泄漏擴(kuò)散事故損傷蔓延邏輯模型將核心應(yīng)急處置過程劃分為5個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，基于人、車、路、環(huán)境等要素對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性進(jìn)行定義，并將應(yīng)急知識(shí)庫中對(duì)應(yīng)的知識(shí)作為考核或培訓(xùn)內(nèi)容予以嵌入，形成基于過程的“事故節(jié)點(diǎn)-應(yīng)急知識(shí)”應(yīng)急知識(shí)庫，見圖4。

圖4 危險(xiǎn)品泄漏事故過程節(jié)點(diǎn)劃分Fig.4 Node dividing of process for dangerous goods leakage

基于前述系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建方法，平臺(tái)針對(duì)運(yùn)輸過程中危險(xiǎn)品泄漏事故，首先基于對(duì)象特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建了道路、車輛、人員等對(duì)象靜態(tài)模型，在系統(tǒng)中進(jìn)行正確排列，并對(duì)車道標(biāo)線、車身涂裝等對(duì)象細(xì)節(jié)予以還原刻畫。其次，通過編制系統(tǒng)腳本語言，對(duì)場景中對(duì)象移動(dòng)、人員操作、液體泄漏等動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行屬性參數(shù)設(shè)定，嵌入各節(jié)點(diǎn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)事故推演與內(nèi)容表達(dá)精準(zhǔn)匹配。最后，系統(tǒng)對(duì)泄漏引發(fā)的起火后果進(jìn)行了粒子特征編輯，通過定義火焰變化，直觀再現(xiàn)火災(zāi)等事故災(zāi)害特征，方便理解事故演化規(guī)律。綜上，完成了危險(xiǎn)品泄漏場景的虛擬仿真場景構(gòu)建，效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)危險(xiǎn)品泄漏事故場景Fig.5 Scenario for dangerous goods leakage in emergency disposal education system

系統(tǒng)平臺(tái)涵蓋車輛安全檢查、車輛停駛處置、現(xiàn)場應(yīng)急處置、逃生脫險(xiǎn)方法、事故報(bào)告與協(xié)助等5個(gè)重點(diǎn)科目，全面、系統(tǒng)地引導(dǎo)從業(yè)人員學(xué)習(xí)，綜合評(píng)價(jià)學(xué)員應(yīng)急知識(shí)與處置能力水平。

借助該系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急知識(shí)體系由文字化到移動(dòng)化、平臺(tái)化、可視化、智慧化和可跟蹤化的轉(zhuǎn)變。針對(duì)各類事故應(yīng)急救援知識(shí)節(jié)點(diǎn)，形成要點(diǎn)解析內(nèi)容，制定屬性、量化相結(jié)合的評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合提出了規(guī)范處置各種突發(fā)事件與從業(yè)人員心智技能的測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。同時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)交互功能與各類外界裝備留有接口，具備沉浸式、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境構(gòu)建能力。

4 結(jié)語

加強(qiáng)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員應(yīng)急處置技術(shù)培訓(xùn)，可提升從業(yè)人員安全意識(shí)與應(yīng)急技能?；诖?，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模擬新技術(shù)，以8類典型危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸安全事故情景演化過程為主線，研究提出“事故節(jié)點(diǎn)-應(yīng)急知識(shí)”的應(yīng)急處置推演知識(shí)體系，構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故靜動(dòng)態(tài)情景庫，形成一套危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸應(yīng)急處置推演技術(shù)方法。以危險(xiǎn)品泄漏事故為例，利用Unity3D系統(tǒng)匹配集成知識(shí)體系與應(yīng)急情景庫構(gòu)建了危險(xiǎn)品泄漏事故場景應(yīng)急推演技術(shù)全過程，可實(shí)現(xiàn)道路運(yùn)輸從業(yè)人員沉浸式的事故應(yīng)急處置培訓(xùn)、考核與演練，提升危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸從業(yè)人員事故應(yīng)急處置能力，有效遏制事故態(tài)勢(shì)擴(kuò)大，最大程度減少事故損失。