基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核安保突發(fā)事件響應(yīng)桌面推演系統(tǒng)構(gòu)建

陳晨 劉清 張桂欣 韋明智 陸宏

摘要：核設(shè)施核安保突發(fā)事件響應(yīng)桌面推演是指核安保事件響應(yīng)人員利用沙盤(pán)、地圖、計(jì)算機(jī)模擬等輔助手段，依據(jù)響應(yīng)預(yù)案對(duì)事先假定的演練情景進(jìn)行交互式討論并進(jìn)行響應(yīng)決策及現(xiàn)場(chǎng)處置的過(guò)程。本文運(yùn)用Unity3D為虛擬現(xiàn)實(shí)工具，設(shè)計(jì)并研發(fā)了核安保突發(fā)事件響應(yīng)桌面推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)預(yù)案的場(chǎng)景編輯、方案配置、方案推演、測(cè)繪標(biāo)注、方案日志、方案分析等功能，更好地滿足桌面推演的數(shù)字化、可視化、可交互等功能要求，為開(kāi)展核安保突發(fā)事件響應(yīng)預(yù)案的驗(yàn)證、優(yōu)化，以及培訓(xùn)教學(xué)提供了一種新的手段。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)核安保突發(fā)事件響應(yīng)桌面推演

Development of Tabletop Exercise System for Nuclear Security

Contingency Response Based on VR Technology

CHEN Chen1LIU Qing2ZHANG Guixin2WEI Mingzhi2LU Hong1

（1.? State Nuclear Security Technology Center，Beijing，102400 China;2.Shenzhen Newcross Technologies Co.， Ltd.，Shenzhen，Guangdong Province，518057China ）

Abstract：Nuclear security contingency response tabletop exercise refers to the process of interactive discussion， response decision making and on-site disposal on hypothetical scenarios based on the contingency plan by nuclear security response force using sandboxes， maps， computer simulations and other tools. This paper provides Unity3D engine as a virtual reality tool to design and develop a tabletop exercise system， which can be used for scenario editing， configuration， derivation， mapping and labeling， logging， analysis of response plan， and meet the requirements of digitalization， visualization， and interactivity of tabletop exercise better. It provides a new tool to carry out verification and optimization of nuclear security contingency plans， as well as training and teaching.

Key Words：Virtual reality; Nuclear security; Contingency response; Tabletop exercise

核安保是防范核恐怖主義的重要手段，主要目的是保護(hù)核材料、放射性物質(zhì)及核設(shè)施安全，防止核材料被盜和非法轉(zhuǎn)移，防止核設(shè)施遭受蓄意破壞導(dǎo)致放射性物質(zhì)釋放[1]。為檢驗(yàn)核設(shè)施應(yīng)對(duì)核安保威脅與挑戰(zhàn)的實(shí)戰(zhàn)化水平，我國(guó)自2016年以來(lái)已先后舉行四次“風(fēng)暴”系列核安保演練，有效提升了核設(shè)施應(yīng)對(duì)核安保事件的實(shí)戰(zhàn)能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與高性能計(jì)算、人機(jī)交互技術(shù)與設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信等科學(xué)領(lǐng)域的突破和高速發(fā)展，以及軍事演練、航空航天、復(fù)雜設(shè)備研制等重要應(yīng)用領(lǐng)域的巨大需求，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱(chēng)VR）技術(shù)發(fā)展迅猛[2]，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，也為核安保演練提供了一種全新的實(shí)現(xiàn)方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)生成特定虛擬世界的技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)可對(duì)參與者直接施加視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)感受，并允許其交互地觀察和操作虛擬世界[3]。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，核安保演練參演人員可對(duì)核設(shè)施進(jìn)行全要素建模，在符合各項(xiàng)真實(shí)參數(shù)的設(shè)施模型中預(yù)設(shè)多種假想場(chǎng)景，包括在實(shí)戰(zhàn)演練中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高危險(xiǎn)性場(chǎng)景，不受天氣、時(shí)間、場(chǎng)地等因素的限制，在短時(shí)間內(nèi)取得大量演練數(shù)據(jù)，既避免實(shí)戰(zhàn)演練中仿真器械、設(shè)施破拆產(chǎn)生的人力、物力、財(cái)力成本消耗，也取得了具有統(tǒng)計(jì)意義的高置信水平演練結(jié)果，可充分、高效地驗(yàn)證演練預(yù)案的可行性與有效性，為科學(xué)、高效地進(jìn)行實(shí)兵演練奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、應(yīng)用與工具

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶(hù)借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響[3]。

其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。1965年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)奠基人Ivan Sutherland博士[4]發(fā)表題為“The Ultimate Display”的論文，論文中提出，可以將顯示器作為觀察虛擬世界的窗口，并與虛擬世界進(jìn)行中的對(duì)象進(jìn)行交互，由此開(kāi)創(chuàng)了研究虛擬現(xiàn)實(shí)的先河。由于技術(shù)原因，20世紀(jì)80年代以前，VR技術(shù)發(fā)展較為緩慢，直到80年代后期信息處理的飛速發(fā)展促進(jìn)了VR技術(shù)的進(jìn)步。20世紀(jì)90年代以來(lái)，VR技術(shù)開(kāi)始成為獨(dú)立研究開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別、系統(tǒng)仿真、人工智能、云計(jì)算等多種學(xué)科的最新技術(shù)，是綜合性極強(qiáng)的信息科學(xué)技術(shù)，目前已在訓(xùn)練演練、展示娛樂(lè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)等多個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中，訓(xùn)練演練主要應(yīng)用于多種危險(xiǎn)環(huán)境（如核設(shè)施[5]、水下設(shè)施）、作業(yè)對(duì)象難以獲得（如醫(yī)療手術(shù)[6]、航天器維修），以及耗費(fèi)巨大（如軍事演練）的行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)業(yè)務(wù)訓(xùn)練和演練[7]。

核安保突發(fā)事件演練作為核工業(yè)與軍事訓(xùn)練演練的交叉領(lǐng)域，對(duì)于VR技術(shù)具有較好的適用性。Jorge Carlos等人[8]運(yùn)用VR技術(shù)搭建了虛擬的核設(shè)施，在其中模擬入侵者試圖盜竊核材料并逃跑，安裝虛擬攝像機(jī)監(jiān)測(cè)可疑行為，安裝虛擬輻射監(jiān)測(cè)器搜尋隱藏的核材料，以幫助響應(yīng)人員練習(xí)與推演核安保突發(fā)事件準(zhǔn)備措施與響應(yīng)程序。Marcio Henrique da Silva等人[9]為保障核設(shè)施安全，高效、全面地評(píng)估設(shè)施地形、區(qū)域能見(jiàn)度、響應(yīng)人員數(shù)量、輻射探測(cè)設(shè)備布置等核設(shè)施各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)用VR技術(shù)建立真實(shí)設(shè)施的虛擬模型，作為輔助工具以確定安全策略。韓國(guó)核不擴(kuò)散與控制研究院（KINAC）于2016年開(kāi)發(fā)了VR-NET系統(tǒng)[10]（VR-based Nuclear Education and Training system），主要用于開(kāi)展核工業(yè)高風(fēng)險(xiǎn)事件定制化培訓(xùn)，包括核保障監(jiān)督、戰(zhàn)略材料控制、核法政學(xué)以及實(shí)物保護(hù)等領(lǐng)域，并于2017年將該系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用于核安保突發(fā)事件演練，與傳統(tǒng)的教育或演練方式相比，基于VR-NET的方式可以獲得較高的滿意度。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)工具Unity3D介紹

Unity3D是丹麥Unity Technologies公司研發(fā)的一款面向虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用引擎。該引擎與VT、Quest3D、GLUT等其他三維虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件相比，在跨平臺(tái)性能、畫(huà)面質(zhì)量、操作難度、兼容性、音響效果等具有明顯優(yōu)勢(shì)[11]，廣泛應(yīng)用于創(chuàng)建實(shí)施渲染的三維動(dòng)畫(huà)、三維游戲、可視化建筑等互動(dòng)性較強(qiáng)的領(lǐng)域。

2 核安保事件響應(yīng)桌面推演系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 桌面推演系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

本系統(tǒng)用Unity3D引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，分別是虛擬場(chǎng)景編輯子系統(tǒng)、模型子系統(tǒng)、角色與骨骼子系統(tǒng)、用戶(hù)子系統(tǒng)、自適應(yīng)用戶(hù)交互界面子系統(tǒng)、粒子特效子系統(tǒng)、二進(jìn)制文件 IO 流子系統(tǒng)、環(huán)境音效子系統(tǒng)、時(shí)間控制子系統(tǒng)等?；谶@9個(gè)子系統(tǒng)，本系統(tǒng)完成相對(duì)應(yīng)的需求邏輯。

下面對(duì)這 9 個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1.1 虛擬場(chǎng)景編輯子系統(tǒng)

虛擬場(chǎng)景編輯子系統(tǒng)提供搭建桌面推演所需的虛擬沙盤(pán)，包括提供模型與角色可行走的地面識(shí)別、建筑樓層識(shí)別等模塊。虛擬沙盤(pán)來(lái)源包括現(xiàn)場(chǎng)1∶1虛擬建模、無(wú)人機(jī)航拍等方式創(chuàng)建。此外，仍需要?jiǎng)?chuàng)建通用地形數(shù)據(jù)包，包括樹(shù)木、障礙物、柵欄、掩體等模型。

2.1.2模型子系統(tǒng)

模型子系統(tǒng)提供桌面推演所需的各種模型，其主要包括人物、車(chē)輛、槍械、輔助標(biāo)記等，如圖1所示。

2.1.3角色與骨骼子系統(tǒng)

角色與骨骼子系統(tǒng)主要是將角色模型與標(biāo)準(zhǔn)骨骼綁定，使人物模型均具有相同的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)重定向功能。該骨骼子系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)控制，具有位移約束和旋轉(zhuǎn)約束等功能，可在動(dòng)畫(huà)過(guò)程中做出相應(yīng)的物理效果。

2.1.4用戶(hù)子系統(tǒng)

用戶(hù)子系統(tǒng)提供客戶(hù)端登錄的角色信息，管理根據(jù)不同的角色信息分配用戶(hù)可下載的虛擬沙盤(pán)、參與桌面推演的人物、車(chē)輛模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)登錄用戶(hù)的權(quán)限控制與資源分配。

2.1.5自適應(yīng)用戶(hù)交互界面子系統(tǒng)

自適應(yīng)用戶(hù)交互界面子系統(tǒng)指客戶(hù)端在不同分辨率的顯示器、不同操作系統(tǒng)、不同客戶(hù)端版本都能動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)交互界面的功能。

用戶(hù)交互界面子系統(tǒng)提供登錄界面、運(yùn)行界面、角色模型視角、攝像機(jī)界面、功能菜單項(xiàng)等五大部分。登錄界面提供不同角色登錄與獲取資源的界面。運(yùn)行界面包括桌面推演的流程展示界面、角色和車(chē)輛模型、粒子、筆記與推演時(shí)間的聯(lián)動(dòng)展示界面。角色模型視角提供當(dāng)前角色或車(chē)輛的第一視角，用戶(hù)以此觀察周?chē)闆r，亦可在場(chǎng)景中自由行走。攝像機(jī)視角提供一個(gè)虛擬攝像機(jī)的視角。功能菜單包括地形加載界面、場(chǎng)景文件保存界面、情景管理界面、時(shí)間軸操作界面。自適應(yīng)用戶(hù)交互界面子系統(tǒng)如圖2所示。

2.1.6粒子特效子系統(tǒng)

粒子特效子系統(tǒng)主要提供爆炸、煙霧、槍械射擊等粒子效果，使桌面推演更富表現(xiàn)力，更真實(shí)。該子系統(tǒng)不僅提供全面的設(shè)置界面，與時(shí)間軸的聯(lián)動(dòng)功能，同時(shí)還保障系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

2.1.7二進(jìn)制文件IO流子系統(tǒng)

二進(jìn)制文件 IO 流子系統(tǒng)為本系統(tǒng)提供安全、高效、穩(wěn)定的文件存儲(chǔ)、傳輸?shù)墓δ堋Ｔ诒就蒲菹到y(tǒng)中，提供用戶(hù)下載地形、保存場(chǎng)景文件、管理情景方案等功能。

2.1.8環(huán)境音效子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)中，為場(chǎng)景主視角添加AudioListener組件，激活聲音功能。AudioSouce組件可設(shè)置提供聲音或音效的來(lái)源、大小，傳播與衰減參數(shù)。在本推演系統(tǒng)，音效包括粒子爆炸音效、槍械射擊音效、角色移動(dòng)音效、車(chē)輛行駛音效等。

2.1.9時(shí)間控制子系統(tǒng)

時(shí)間控制子系統(tǒng)提供真實(shí)時(shí)間來(lái)源，時(shí)間來(lái)自于管理員端，時(shí)間不受客戶(hù)端運(yùn)行影響，使客戶(hù)端有良好的時(shí)間移動(dòng)。在本推演系統(tǒng)中，在已經(jīng)綁定時(shí)間信息的角色與車(chē)輛移動(dòng)、粒子播放控制、筆記顯示控制等情況下，接收來(lái)自客戶(hù)端的時(shí)間戳，以毫秒級(jí)運(yùn)算本推演系統(tǒng)。同時(shí)，該子系統(tǒng)還提供時(shí)間軸播放快進(jìn)快退、倍速播放等功能。時(shí)間控制子系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 桌面推演系統(tǒng)的功能模塊

桌面推演系統(tǒng)的功能模塊包括客戶(hù)端、場(chǎng)景編輯、測(cè)繪標(biāo)注、方案分析、方案配置、方案推演、方案日志等。桌面推演系統(tǒng)的功能模塊分析如圖4、表1所示。

2.3 桌面推演系統(tǒng)的使用方式與預(yù)期效果

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核安保突發(fā)事件響應(yīng)桌面推演系統(tǒng)，主要通過(guò)以下3種方式進(jìn)行運(yùn)用。

2.3.1 突發(fā)事件響應(yīng)預(yù)案推演

根據(jù)核設(shè)施設(shè)計(jì)基準(zhǔn)威脅，基于設(shè)施實(shí)際設(shè)備參數(shù)進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景建模，針對(duì)各種事件場(chǎng)景，對(duì)已初步制定的核安保突發(fā)事件響應(yīng)預(yù)案進(jìn)行推演和驗(yàn)證。通過(guò)取得大量具有統(tǒng)計(jì)意義的推演結(jié)果樣本，對(duì)不合理的響應(yīng)流程、兵力與設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化，最終得到最佳響應(yīng)預(yù)案。

2.3.2 突發(fā)事件演練培訓(xùn)

對(duì)參與演練預(yù)案編寫(xiě)、演練指揮，以及一線響應(yīng)的各類(lèi)人員進(jìn)行培訓(xùn)。通過(guò)使用本系統(tǒng)，將已優(yōu)化預(yù)案文本轉(zhuǎn)化為逼真的演練場(chǎng)景和可視化、可交互的數(shù)據(jù)參數(shù)，有助于各級(jí)參演人員明確核設(shè)施要害部位、熟悉響應(yīng)任務(wù)與路徑，磨合部門(mén)聯(lián)動(dòng)，強(qiáng)化了培訓(xùn)效果，有效降低使用實(shí)兵進(jìn)行推演所花費(fèi)的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及安全成本。

2.3.3 突發(fā)事件輔助作戰(zhàn)指揮

通過(guò)使用本系統(tǒng)，將核安保突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)情況快速還原，有助于決策者獲得全局觀，對(duì)突發(fā)事件的整體動(dòng)態(tài)具有清晰的感知，從而輔助決策者對(duì)兵力部署、應(yīng)對(duì)策略、物資管控等方面做出正確決策。

3 核安保事件響應(yīng)桌面推演系統(tǒng)的總體流程設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的目標(biāo)主要是以任意地形或情節(jié)為基礎(chǔ)，展開(kāi)紅藍(lán)方對(duì)抗的方案推演，以檢驗(yàn)并完善對(duì)抗方案的可行性，對(duì)學(xué)員培訓(xùn)、預(yù)案優(yōu)化起到重要作用，且對(duì)實(shí)兵對(duì)抗提供參考、輔助作用。

本項(xiàng)目的流程主要分為6個(gè)步驟：場(chǎng)景編輯、方案配置、方案推演、方案日志、測(cè)繪標(biāo)注和方案分析。在方案推演的過(guò)程中，需要紅方、藍(lán)方、中立方指揮員，另外還包括作戰(zhàn)士兵、多種常見(jiàn)裝載工具以及常規(guī)障礙物。桌面推演系統(tǒng)功能實(shí)施流程如圖5所示，整個(gè)推演依據(jù)該流程進(jìn)行。

下面分別描述這6個(gè)步驟。

3.1 場(chǎng)景編輯

該功能是編輯本次推演的場(chǎng)景，從現(xiàn)場(chǎng)1∶1虛擬建模、無(wú)人機(jī)航拍等方式創(chuàng)建地形，進(jìn)而編輯實(shí)體可行走路面及建筑樓層識(shí)別，打包封裝成二進(jìn)制流文件，供用戶(hù)訪問(wèn)。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括多樣化的建模方式、安全高效的文件流加載等。

3.2 方案配置

該功能由紅方、藍(lán)方、中立方指揮員設(shè)置并驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的對(duì)抗方案，是指士兵、載具等實(shí)體的移動(dòng)路徑、作戰(zhàn)信息、載具裝載信息、障礙物等多種元素組合而成的對(duì)抗方案。其中，實(shí)體移動(dòng)的位點(diǎn)設(shè)置不同的作戰(zhàn)命令、實(shí)體行為動(dòng)作樹(shù)等命令參數(shù)。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括位點(diǎn)與位點(diǎn)之間的地形識(shí)別、實(shí)體行為動(dòng)作樹(shù)的自然過(guò)渡、實(shí)體作戰(zhàn)策略等。

3.3 方案推演

紅方、藍(lán)方、中立方設(shè)置完對(duì)應(yīng)的對(duì)抗方案后進(jìn)入方案推演。該功能將場(chǎng)景中實(shí)體、載具、筆記、障礙物、粒子等執(zhí)行事件與時(shí)間綁定，指定時(shí)間推演指定行為，且按照一定速度播放，實(shí)現(xiàn)播放、暫停、快進(jìn)、快退等功能。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括不受客戶(hù)端性能影響的時(shí)間參數(shù)、多實(shí)體參與推演的性能保障等。

3.4 方案日志

在方案推演的過(guò)程中，需要設(shè)置推演筆記、位點(diǎn)備注、方案日志等多種方法輔助方案的推演工作，讓用戶(hù)更清晰直觀地了解當(dāng)前方案推演的內(nèi)容。

3.5 測(cè)繪標(biāo)注

該功能模塊提供一個(gè)可以設(shè)置參數(shù)的虛擬攝像機(jī)、兩點(diǎn)之間測(cè)量距離、實(shí)體視野、顯隱等眾多模塊，在方案推演或方案配置的過(guò)程中起輔助指導(dǎo)作用。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括設(shè)置虛擬攝像機(jī)的光感元器件、焦距、水平、豎直視場(chǎng)角、安裝高度等模擬參數(shù)、測(cè)距或視野依據(jù)地形或建筑動(dòng)態(tài)計(jì)算等。

3.6 方案分析

方案推演結(jié)束后進(jìn)行方案分析。分析的內(nèi)容包括紅方、藍(lán)方對(duì)抗的推演結(jié)果，中立方在本次推演中起到的職責(zé)，針對(duì)本次推演中的槍械攻擊部分進(jìn)行射擊有效性分析，針對(duì)紅方或藍(lán)方的薄弱項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)分析。生成場(chǎng)景推演報(bào)告，決策領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)估處理，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)薄弱項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著我國(guó)核能產(chǎn)業(yè)持續(xù)較快增長(zhǎng)，截至2021年9月，我國(guó)核能發(fā)電總裝機(jī)容量已位列全球第三位，在運(yùn)核電機(jī)組達(dá)52臺(tái)。同時(shí)，隨著核材料數(shù)量不斷增加，我國(guó)面臨的核安保風(fēng)險(xiǎn)將日益加大，有效防范和積極應(yīng)對(duì)核安保事件的任務(wù)將愈加艱巨。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星通信、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等一批新興技術(shù)對(duì)核安保提了新的挑戰(zhàn)，也貢獻(xiàn)了新的解決方案。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其數(shù)字化、可視化、可交互等優(yōu)勢(shì)，適用于預(yù)案推演、演練培訓(xùn)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，為構(gòu)筑科學(xué)、高效的核安保演練與教學(xué)體系，不斷提升我國(guó)有效應(yīng)對(duì)核安保事件的實(shí)戰(zhàn)化水平，保障核設(shè)施與核材料安全提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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