基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的情景構(gòu)建應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)應(yīng)用淺析

李國和 張家坤 李少春 曹南華 王闖

【摘要】? ? 近幾年，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在許多行業(yè)得以利用。本文闡述了在抽水蓄能電站使用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建災(zāi)害事故情景進(jìn)行應(yīng)急演練的優(yōu)勢(shì)，并以電站建設(shè)過程中邊坡垮塌災(zāi)害事故仿真演練應(yīng)用為例進(jìn)行了分析，可探索優(yōu)化提升抽水蓄能企業(yè)的應(yīng)急處置訓(xùn)練能力的有效預(yù)防、及時(shí)控制和消除突發(fā)危害的方法，指導(dǎo)和規(guī)范企業(yè)突發(fā)安全事件應(yīng)急處理工作，最大限度地減少參訓(xùn)人員、設(shè)備、場(chǎng)所的投入。

【關(guān)鍵詞】? ? 混合現(xiàn)實(shí)? ?情景構(gòu)建? ? 抽水蓄能? ?邊坡垮塌? ? 應(yīng)急演練

引言：

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)抽水蓄能事業(yè)有了前所未有的發(fā)展。同時(shí)，在建設(shè)及生產(chǎn)過程中，各類應(yīng)急突發(fā)事件時(shí)有發(fā)生，給建設(shè)及生產(chǎn)順利開展和運(yùn)作帶來了較大的影響，亟須加強(qiáng)日常應(yīng)急處置培訓(xùn)。然而，在傳統(tǒng)應(yīng)急處置培訓(xùn)的過程中，缺乏有效的手段，導(dǎo)致存在較大的局限性和不足：一是理論學(xué)習(xí)多，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少;二是經(jīng)驗(yàn)積累型，培養(yǎng)周期長;三是模擬訓(xùn)練主要是紙上談兵，操作性不強(qiáng);四是指揮能力的訓(xùn)練和考核評(píng)價(jià)，臨機(jī)性不足;五是時(shí)域、空域限制多，實(shí)景復(fù)原不易實(shí)現(xiàn)。

一、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)，同時(shí)具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真能力（MR=VR+AR，混合現(xiàn)實(shí)=真實(shí)世界+虛擬世界+數(shù)字化信息），是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的融合可視環(huán)境，在新的可視環(huán)境里物理和數(shù)字對(duì)象共存，并實(shí)時(shí)互動(dòng)。

MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界的無縫融合，借助先進(jìn)的圖像處理技術(shù)和顯示設(shè)備生成具備虛實(shí)融合特征的可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)相異時(shí)空?qǐng)鼍暗那度??；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其解放雙手，空間感知，虛實(shí)融合，多人協(xié)同，遠(yuǎn)程輔助等前沿優(yōu)勢(shì)，在建筑輔助與培訓(xùn)、工業(yè)巡檢與協(xié)同、學(xué)科教學(xué)與實(shí)訓(xùn)、軍事仿真與作訓(xùn)等廣泛領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。

二、基于混合現(xiàn)實(shí)情景構(gòu)建應(yīng)急演練的優(yōu)勢(shì)

本項(xiàng)目開創(chuàng)性的基于MR情景構(gòu)建進(jìn)行應(yīng)急演練仿真，具有融合真實(shí)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的進(jìn)行情景構(gòu)建的優(yōu)勢(shì)，將極有利于應(yīng)急事故情景的模擬，不僅給受訓(xùn)人員提供更具沉浸感、真實(shí)感的演訓(xùn)體驗(yàn)，還可以通過人為控制情景構(gòu)建，提高事故情景在演訓(xùn)過程中的靈活性，增加演訓(xùn)難度，提升演訓(xùn)效果。

（一）基于情景構(gòu)建的仿真演練，掌控精準(zhǔn)信息

基于情景構(gòu)建，精準(zhǔn)仿真邊坡垮塌事故，便捷模擬適配事故各類要素場(chǎng)景及事故處置過程，進(jìn)行精準(zhǔn)訓(xùn)練。并利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬仿真呈現(xiàn)提前預(yù)置好的事故情景構(gòu)建場(chǎng)景，通過MR全息方式引導(dǎo)受訓(xùn)者進(jìn)行規(guī)范化的操作、考核及科學(xué)的評(píng)價(jià)。既解決實(shí)景還原，又能提供客戶科學(xué)的考評(píng)體系和規(guī)范化的訓(xùn)練，從訓(xùn)練與考評(píng)兩個(gè)方面極大提升實(shí)戰(zhàn)指揮能力、處置訓(xùn)練和認(rèn)知高度

（二）前沿科技武裝，高效安全訓(xùn)練

解放現(xiàn)場(chǎng)人員雙手，使其注意力集中在事故處理訓(xùn)練中，當(dāng)演練人員佩戴MR頭盔進(jìn)入虛實(shí)結(jié)合場(chǎng)景后，系統(tǒng)按訓(xùn)練流程推送對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備等參數(shù)，投射于演練者面前，隊(duì)員通過手勢(shì)操作圖像呈現(xiàn)，強(qiáng)化訓(xùn)練過程。

并支持遠(yuǎn)程協(xié)同演練，可通過多人同步現(xiàn)場(chǎng)查看訓(xùn)練過程，亦可通過遠(yuǎn)程第一人稱視角查看訓(xùn)練過程，并實(shí)時(shí)協(xié)同演練并給予指導(dǎo)。

（三）復(fù)用成本低，適用便攜性強(qiáng)

相比搭建全真實(shí)模型，采用MR技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)演練，成本更低，并可適用于各類訓(xùn)練場(chǎng)合，并適合便捷攜帶至任何地點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練。

（四）針對(duì)性強(qiáng)，提高應(yīng)變能力

與真實(shí)演練相比，仿真演練系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就是可以方便模擬任何培訓(xùn)項(xiàng)目，受訓(xùn)者可以置身于各種復(fù)雜和突發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力。

在虛擬環(huán)境中完全不用擔(dān)心安全問題，可以大膽的嘗試各種演練方案，確保受訓(xùn)人員的安全。

三、情景構(gòu)建應(yīng)急演練仿真系統(tǒng)組成

開展基于情景構(gòu)建模的邊坡垮塌應(yīng)急演練仿真研究，在設(shè)計(jì)與開發(fā)上充分考慮抽水蓄能企業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)情況，以多年形成的工作規(guī)范和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，使系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。系統(tǒng)按照模塊化、結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性、通用性、復(fù)用性和可擴(kuò)充性。

（一）情景構(gòu)建平臺(tái)知識(shí)庫的建設(shè)

對(duì)邊坡垮塌事故進(jìn)行知識(shí)要素分解，將仿真演練要素的規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行分類管理，既可以根據(jù)素材類別（三維模型、視音頻、文檔、圖片、其他工程包）進(jìn)行管理，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)類別管理（場(chǎng)地類、NPC類、人物類、車輛類、建筑類、工具類等）管理。針對(duì)知識(shí)庫素材內(nèi)容進(jìn)行在線預(yù)覽、播放、設(shè)置標(biāo)簽、生成縮略圖等功能。

按應(yīng)急預(yù)案災(zāi)害事件I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)和IV級(jí)，四個(gè)級(jí)別分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)化分級(jí)要素，進(jìn)行情景構(gòu)建仿真要素知識(shí)庫建設(shè)。

同時(shí)，知識(shí)庫中所有內(nèi)容，可以與其他軟件模塊進(jìn)行交換，為后期項(xiàng)目中規(guī)劃的MR情景構(gòu)建編輯器、MR作訓(xùn)演練考評(píng)軟件中，可以直接引用知識(shí)庫中的內(nèi)容。

（二）情景構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合事故仿真

運(yùn)用MR系統(tǒng)實(shí)時(shí)空間定位技術(shù)，構(gòu)建出的空間模型能與實(shí)際空間中的設(shè)備、墻面、地面等真實(shí)物件進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合體驗(yàn)。通過光學(xué)傳感器提供融合三維全息圖在用戶所在的真實(shí)環(huán)境，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體和信息疊加到真實(shí)的物理環(huán)境中，同時(shí)與用戶所在的真實(shí)環(huán)境之間的無縫結(jié)合，并且不借助任何外部互動(dòng)設(shè)備就能進(jìn)行有效的互動(dòng)，以第一視角進(jìn)行沉浸式增強(qiáng)體驗(yàn)。利用MR技術(shù)進(jìn)行水電站邊坡垮塌事故仿真，主要分為兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，在應(yīng)對(duì)不同的垮塌場(chǎng)景時(shí)，事故處置的流程稍微有些不同，在MR終端設(shè)置中可按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急預(yù)案處置流程進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合仿真。

1.由洪水、地質(zhì)等自然災(zāi)害引起的垮塌

利用MR技術(shù)可模擬出洪水、地震等災(zāi)害，通過虛實(shí)結(jié)合的方式，演練人員可以第一人稱視角參與到現(xiàn)場(chǎng)事故處置流程中，參與感強(qiáng)，為實(shí)戰(zhàn)積累經(jīng)驗(yàn)，提升事故處置水平。由地質(zhì)災(zāi)害引起的邊坡垮塌事故，主要應(yīng)急處置流程分為：

（1）當(dāng)由于地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)邊坡垮塌事故時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間通知附近工作人員撤離。通過MR技術(shù)，模擬仿真出事故地點(diǎn)，顯示事故地點(diǎn)周邊撤離點(diǎn)，觸發(fā)通知事件，通知相應(yīng)撤離點(diǎn)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移安排;

（2）人員撤離后需要對(duì)人員進(jìn)行清點(diǎn)工作，確認(rèn)有無人員失蹤被埋，及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，可通過MR終端設(shè)備自帶攝像頭實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)影像回傳至指揮中心;

（3）同時(shí)，保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)，禁止無關(guān)人員進(jìn)入，以免造成二次傷害。通過MR技術(shù)的實(shí)時(shí)空間感應(yīng)技術(shù)，可模擬在現(xiàn)場(chǎng)建立對(duì)應(yīng)的電子警戒圍欄，當(dāng)有人通過圍欄時(shí)，圍欄閃紅提示并出現(xiàn)告警音;

（4）收集好現(xiàn)場(chǎng)人員信息后，指派專人進(jìn)行搶險(xiǎn)救援工作，通過MR技術(shù)自動(dòng)匹配合適的救援人員進(jìn)行自動(dòng)通知安排任務(wù);

（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的事故進(jìn)行勘察、評(píng)估，制定恢復(fù)方案;

2.因支護(hù)不當(dāng)或施工爆破引起的垮塌

由于人為因素造成的邊坡垮塌事故，多數(shù)是因支護(hù)不當(dāng)或現(xiàn)場(chǎng)施工爆破引起，在進(jìn)行事故處置時(shí)，與自然災(zāi)害引發(fā)的事故稍有不同。由人為因素引起的邊坡垮塌事故，主要應(yīng)急處置流程分為：

（1）事故發(fā)生后，應(yīng)第一時(shí)間通知附近工作人員撤離到安全區(qū)域，并組織清點(diǎn)人數(shù)，確認(rèn)無失蹤被埋人員。通過MR技術(shù)，模擬仿真出事故地點(diǎn)，顯示事故地點(diǎn)周邊撤離點(diǎn)，觸發(fā)通知事件，通知相應(yīng)撤離點(diǎn)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移安排，并將現(xiàn)場(chǎng)影像實(shí)時(shí)回傳至指揮中心;

2）如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)人員受傷或被埋，應(yīng)立即組織現(xiàn)場(chǎng)救援工作。通過MR技術(shù)，可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前區(qū)域可用醫(yī)療資源，選擇對(duì)應(yīng)醫(yī)療資源即可聯(lián)通對(duì)接，實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)影像，說明事件原因、受傷情況等，安排救援工作;

（3）保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)，禁止無關(guān)人員進(jìn)入，以免造成二次傷害。利用MR技術(shù)的實(shí)時(shí)空間感應(yīng)技術(shù)，可模擬在現(xiàn)場(chǎng)建立對(duì)應(yīng)的電子警戒圍欄，當(dāng)有人通過圍欄時(shí)，圍欄閃紅提示并出現(xiàn)告警音;

（4）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的事故進(jìn)行勘察、評(píng)估，組織設(shè)計(jì)，制定恢復(fù)方案，采取合適措施進(jìn)行加固防護(hù)，通過MR技術(shù)可虛實(shí)結(jié)合展示方案內(nèi)容;

（三）情景構(gòu)建全息誘導(dǎo)應(yīng)急演練

MR終端通過傳感器數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)事故報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到事故時(shí)，會(huì)通過全息的方式進(jìn)行提示，如告警音、事故部件閃爍提醒，應(yīng)急帶上MR設(shè)備以后，通過報(bào)警音效、可視化定位報(bào)警，確定事故源，通過MR系統(tǒng)全息指引方式，在空間中展示報(bào)警位置，并規(guī)劃好路徑，確保演練人員能盡快到達(dá)事故源。

通過MR全息方式對(duì)事故處理過程進(jìn)行全程誘導(dǎo)操作，將標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程全息化展現(xiàn)，通過空間定位感知和虛實(shí)結(jié)合，精確指引演練人員對(duì)出事故部位進(jìn)行故障定位，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的電子手冊(cè)全息進(jìn)行誘導(dǎo)操作，每一步操作都有相應(yīng)的動(dòng)畫指引，并配有相應(yīng)的語音提示，演練人員只需要按照全息動(dòng)畫指引一步步操作即可完成故障的處理，即使是新手也很容易上手操作，極大提高了培訓(xùn)效率。當(dāng)演練過程中有錯(cuò)誤操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的判斷，通過報(bào)警音效、畫面頻閃等方式進(jìn)行警示，實(shí)時(shí)警示。

四、結(jié)束語

基于情景構(gòu)建的邊坡垮塌應(yīng)急演練仿真，通過MR仿真的形式，重現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，操作人員以身臨其境的感官體驗(yàn)，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)操性的應(yīng)急行動(dòng)，從而能較真實(shí)形象的鍛煉應(yīng)急處置人員的組織指揮能力和臨場(chǎng)處置能力。該項(xiàng)目建設(shè)完成后，將具備各類災(zāi)情知識(shí)體系拓充能力，支持情景構(gòu)建場(chǎng)景還原、事故仿真編輯、情景構(gòu)建作業(yè)流程設(shè)置和指揮考核體系自定義的標(biāo)準(zhǔn)化。并通過編輯仿真場(chǎng)景，配置情景構(gòu)建作業(yè)流程，調(diào)用情景構(gòu)建處置方案，進(jìn)行規(guī)范化實(shí)操指揮訓(xùn)練的能力;并可輸入考評(píng)體系數(shù)據(jù)，開展指揮作業(yè)的能力考評(píng)，關(guān)聯(lián)考評(píng)指標(biāo)任務(wù)，完成能力評(píng)價(jià)。從而提升應(yīng)急處置人員對(duì)于事故的認(rèn)知能力和事故現(xiàn)場(chǎng)排兵布陣、人員調(diào)動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)控制及處置水平。

作者單位：李國和? ? 國網(wǎng)新源控股有限公司

張家坤? ? 山東濰坊抽水蓄能有限公司

李少春? ? 國網(wǎng)新源控股有限公司

曹南華? ? 王闖? ? 山東濰坊抽水蓄能有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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