虛擬仿真技術(shù)在水污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練中的應(yīng)用

陳重仲

摘? 要：傳統(tǒng)應(yīng)急演練通過(guò)構(gòu)建突發(fā)事件場(chǎng)景，使人們熟悉突發(fā)事件并提高應(yīng)對(duì)能力，但傳統(tǒng)應(yīng)急演練本身因?yàn)槌杀驹驅(qū)е卵菥氼l次較低、參演人員訓(xùn)練程度不夠，大大限制了參演人員應(yīng)急監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文參考了虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的案例，提出應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)模擬水污染事故，對(duì)參演人員進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)相關(guān)訓(xùn)練，并列舉了相關(guān)實(shí)例，最后總結(jié)了虛擬仿真技術(shù)在水污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練應(yīng)用上具有節(jié)省成本、不限訓(xùn)練頻次以及模擬訓(xùn)練過(guò)程真實(shí)等特點(diǎn)，通過(guò)不斷訓(xùn)練，能夠讓訓(xùn)練人員積累大量的經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練來(lái)驗(yàn)證參演人員平時(shí)的訓(xùn)練成果，提高監(jiān)測(cè)人員在水污染事故來(lái)臨時(shí)的應(yīng)對(duì)能力，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水污染事故;應(yīng)急監(jiān)測(cè);訓(xùn)練;虛擬仿真

引言

突發(fā)性水污染事故具有不確定性、突然爆發(fā)、危害性大等特點(diǎn)，在水污染事故發(fā)生時(shí)，需要及時(shí)采取有效的措施來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處置，來(lái)減少事故對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境以及人們生活帶來(lái)巨大的影響。然而，要做到“快速及時(shí)反應(yīng)”，就要做到定期的執(zhí)行事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練，制定解決預(yù)案，以防患于未然，才能在突發(fā)事故來(lái)臨時(shí)能迅速高效、有條不紊地組織人員進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，充分發(fā)揮人力物力的作用，同時(shí)做到損失最小，有效的起到應(yīng)對(duì)作用，但是事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練因其成本限制的原因，每年演練頻次必然很少，也不可能浪費(fèi)大量的人力物力去建造類似電影城中真實(shí)的模擬場(chǎng)景，故而使得應(yīng)急監(jiān)測(cè)相關(guān)人員訓(xùn)練頻次少，針對(duì)性訓(xùn)練程度不高，實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不能得到快速而有效地提升，所以需要一個(gè)既能保持低成本，又能搭建一個(gè)“真實(shí)場(chǎng)景”供監(jiān)測(cè)人員實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練方式。鑒于此，本文參考了虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用案例，提出應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)水污染事故模擬進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練，以達(dá)到和“實(shí)戰(zhàn)”相同的訓(xùn)練效果。

1虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)是兩種技術(shù)的合二為一，其中一種可以稱之為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）”，就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“VR技術(shù)、靈境技術(shù)”;另一種可稱之為“模擬仿真技術(shù)（Simulation）”，就是用一個(gè)數(shù)字化虛擬世界來(lái)模仿真實(shí)世界的技術(shù)，是為研究解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題所建立的同態(tài)模型，是由計(jì)算機(jī)生成的、能夠借助視覺(jué)、聽覺(jué)及觸覺(jué)等進(jìn)行自然交互的虛擬世界，是多種計(jì)算機(jī)相關(guān)高新技術(shù)的集成[1]。也就是說(shuō)虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的虛擬世界是以現(xiàn)實(shí)世界為藍(lán)本所構(gòu)建的，這個(gè)虛擬世界中全部自然現(xiàn)象、物理化學(xué)規(guī)則等與現(xiàn)實(shí)世界別無(wú)二致，但是這個(gè)“世界”無(wú)懼損壞，可以無(wú)限摧毀重建，更是可以無(wú)視空間的遠(yuǎn)近進(jìn)行人與人的交互。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，許多受時(shí)間、空間等因素限制的領(lǐng)域都開發(fā)應(yīng)用了適應(yīng)其學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、演習(xí)、試驗(yàn)等活動(dòng)的虛擬仿真系統(tǒng)。利用這些虛擬仿真系統(tǒng)，解決了其中很多需進(jìn)行破壞性試驗(yàn)或危險(xiǎn)性試驗(yàn)才能決策的實(shí)際問(wèn)題，縮短了現(xiàn)實(shí)周期，并且某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)或者危險(xiǎn)環(huán)節(jié)可以重復(fù)多次試驗(yàn)，減少了實(shí)際損耗和事故發(fā)生的概率。

由中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心設(shè)計(jì)的地震應(yīng)急救援處置演練平臺(tái)已為國(guó)內(nèi)應(yīng)急管理人員近11000多人提供了相關(guān)的模擬仿真教學(xué)培訓(xùn)[2]。鄧明達(dá)在應(yīng)急演練模擬系統(tǒng)中使用聲光電技術(shù)來(lái)對(duì)煙霧、出火和報(bào)警進(jìn)行模擬，可以讓參訓(xùn)人員在不同的危險(xiǎn)場(chǎng)景中重復(fù)訓(xùn)練 [3]。李冰蟾、蘇文明等為了營(yíng)造接近實(shí)際演習(xí)的真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和事件，利用三維仿真和模擬手段設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行海上溢油應(yīng)急演練實(shí)踐教學(xué) [4]。

通過(guò)以上成果，說(shuō)明虛擬仿真技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，能夠應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)水污染事故進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)模擬訓(xùn)練。

2虛擬仿真技術(shù)在水污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練中的應(yīng)用

利用虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建具有實(shí)際地理意義的三維地理環(huán)境（如一段河流的真實(shí)地形、某海邊儲(chǔ)油罐倉(cāng)的立體模型、某尾礦庫(kù)及周邊地理環(huán)境等），并通過(guò)預(yù)留的接口與外界交互。其作用就是構(gòu)建這樣一個(gè)能夠進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練的虛擬世界系統(tǒng)（可稱之為“應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練系統(tǒng)”），作為容納其他所有部分的載體，并依照現(xiàn)實(shí)世界的自然規(guī)律，為虛擬世界定義各種物理化學(xué)法則，系統(tǒng)中的其它所有物品、動(dòng)作、行為均被容納在虛擬世界中，并遵守虛擬世界制定的法則，從而大大增強(qiáng)了訓(xùn)練環(huán)境的真實(shí)性，只有在確保訓(xùn)練環(huán)境的真實(shí)性的前提下，才能確保訓(xùn)練過(guò)程的真實(shí)性，從而起到“實(shí)戰(zhàn)”的目的。中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所將永定河流域和潮白河流域所覆蓋的近8萬(wàn)km2的地區(qū)，通過(guò)數(shù)字流域三維地形仿真系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，使得該地區(qū)的水系河流以及周邊環(huán)境、地理特征直接呈現(xiàn)在人們面前[5]。利用這些仿真模擬的地理環(huán)境模型來(lái)訓(xùn)練應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員在水污染事故發(fā)生時(shí)，針對(duì)不同類型的污染事故如何在模型上合理布置控制斷面（點(diǎn)）、對(duì)照斷面（點(diǎn)）、消減斷面以及其他斷面（點(diǎn)）;還可以以這些地理仿真模型為平臺(tái)，添加事故發(fā)生整個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，同時(shí)呈現(xiàn)事故發(fā)生后，復(fù)雜的地理環(huán)境模型，以及污染物在水中擴(kuò)散、稀釋、降解等動(dòng)態(tài)模型，如實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)的水文氣象條件，將一切和水污染事故有關(guān)的模塊整合到地理仿真模型，應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員會(huì)在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)方方面面的訓(xùn)練，積累應(yīng)急監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)對(duì)參演角色的人物形式進(jìn)行模擬，類似角色扮演類游戲（ Role Playing Game，RPG）中的角色形式。訓(xùn)練人員可以選擇要扮演的角色在系統(tǒng)中進(jìn)行演練，從而獲得對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)。其中訓(xùn)練人員可分別扮演指揮協(xié)調(diào)人員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員，充分分析在演練過(guò)程當(dāng)中的角色和行為，對(duì)每個(gè)角色進(jìn)行具體描述，根據(jù)角色的分類，不同角色的行為采用不同的方式進(jìn)行模擬，指揮協(xié)調(diào)人員角色：主要對(duì)整個(gè)預(yù)案進(jìn)行宏觀的把控，具有選取水污染事故情景和編寫應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案、報(bào)告、快報(bào)、簡(jiǎn)訊等功能，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析的功能，以及指揮現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員角色的功能，目的是為了通過(guò)這種角色扮演的模擬演練為其決策提供借鑒價(jià)值，并且檢驗(yàn)應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案的科學(xué)性;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員角色：主要是在河流監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣、分析，并將模擬監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給指揮協(xié)調(diào)人員角色，目的是訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員在應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的業(yè)務(wù)能力。另外，由于污染事故的復(fù)雜性，有時(shí)候一次事故所產(chǎn)生的污染物，不單單對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生污染，也可能污染大氣、土壤，這些都需要應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員來(lái)判斷如何進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員的綜合能力有了更高的要求。因此通過(guò)模擬訓(xùn)練可以使應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)更豐富，當(dāng)發(fā)生污染事故時(shí)能夠及時(shí)迅速、有條不紊地開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作，而整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程很像玩家選擇不同地圖進(jìn)行打通關(guān)的游戲，只不過(guò)游戲內(nèi)容是涵蓋從接到事故發(fā)生通知，及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)勘查，判斷污染物種類、來(lái)源，進(jìn)行布點(diǎn)、設(shè)置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)頻次，采取有效的安全防護(hù)措施，進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，還有樣品的保存、運(yùn)輸、交接、質(zhì)量保證及實(shí)驗(yàn)室分析等操作，期間編寫并上報(bào)監(jiān)測(cè)報(bào)告、快報(bào)、簡(jiǎn)訊等，到應(yīng)急終止的整個(gè)過(guò)程。對(duì)照游戲來(lái)說(shuō)就是按照不同類型的水污染事故設(shè)置不同的地圖，每個(gè)地圖按照應(yīng)急監(jiān)測(cè)的各個(gè)階段可以設(shè)置關(guān)卡，通過(guò)正確地完成每個(gè)地圖每個(gè)關(guān)卡的任務(wù)來(lái)完成訓(xùn)練;也有多人同時(shí)連線的模式，即完成了應(yīng)急聯(lián)合監(jiān)測(cè)訓(xùn)練，也能增加彼此之間的默契程度，同時(shí)還能通過(guò)評(píng)分模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)單位參與訓(xùn)練人員之間互相促進(jìn)的良好氛圍。自上個(gè)世紀(jì)八十年代，這種利用虛擬仿真技術(shù)，以提供專業(yè)訓(xùn)練和模擬為主要內(nèi)容的游戲，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]。在由美國(guó)藝電公司出品的一款城市模擬建造類游戲“模擬城市”（SimCity）中，學(xué)員可以扮演市長(zhǎng)角色來(lái)建設(shè)新城市的各個(gè)方面，既能訓(xùn)練學(xué)員的規(guī)劃與決策的宏觀能力，又能訓(xùn)練學(xué)員在各個(gè)事件的應(yīng)對(duì)處理能力[7]。

突發(fā)性水污染事故對(duì)周圍環(huán)境造成破壞，甚至有可能造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍環(huán)境發(fā)生改變，給監(jiān)測(cè)人員帶來(lái)麻煩和危險(xiǎn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)人員也可以通過(guò)污染后的一些典型特征來(lái)判斷污染物的種類，比如苯、有機(jī)磷農(nóng)藥等一些油狀液體毒物，泄露后常漂浮在水面;液氨泄露至河流、湖泊會(huì)造成魚蝦大量死亡，漂浮在水面。而在平時(shí)的實(shí)際應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練和應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練并沒(méi)有與事故相應(yīng)的模擬情景，應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員不能通過(guò)訓(xùn)練，獲得水污染事故發(fā)生后應(yīng)對(duì)復(fù)雜監(jiān)測(cè)環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)添加光影效果、動(dòng)畫效果、渲染、音效等虛擬的感官效果，模擬水污染事故從發(fā)生到結(jié)束的整個(gè)過(guò)程，使訓(xùn)練者能夠身臨其境地體驗(yàn)“實(shí)戰(zhàn)”，有利于激發(fā)訓(xùn)練者的創(chuàng)造性思維，在具體情境中通過(guò)主動(dòng)的探索獲得體會(huì)，從而提高訓(xùn)練者在今后面對(duì)突發(fā)狀況的應(yīng)變能力與解決能力。西班牙Next Limit公司研發(fā)的RealFlow軟件工具，能模擬真實(shí)的液體表面、剛體碰撞、柔體抖動(dòng)、纖維體飄動(dòng)和火焰跳動(dòng)等效果[8]，可以將水質(zhì)災(zāi)害、水污染事故等場(chǎng)景模擬的更加真實(shí)，例如模擬一次未知排放源的水污染事故，在情景模擬中，將污染事故現(xiàn)場(chǎng)的一些特征，如氣味、揮發(fā)性、遇水的反應(yīng)特征、顏色，對(duì)周圍環(huán)境、作物的影響以及人員或動(dòng)物的中毒反應(yīng)癥狀等模擬出來(lái)，通過(guò)分析這些特征，來(lái)訓(xùn)練應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員初步判斷事故主要污染物和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的能力。

綜上所述，利用虛擬仿真技術(shù)能夠全面模擬水污染事故中的現(xiàn)實(shí)地形（河流、湖泊、海洋等以及周邊地形）、應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員、監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的環(huán)境，將所有的地理信息數(shù)據(jù)和三維數(shù)字化模型當(dāng)作依托，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的所有影響因素進(jìn)行全面的分析和闡述，創(chuàng)建完善的模擬訓(xùn)練空間，構(gòu)建出許多的典型水污染事故場(chǎng)景，比如礦場(chǎng)尾礦庫(kù)潰壩、化工廠危險(xiǎn)廢物泄露至河流、未知污染物水污染事件、海邊儲(chǔ)油罐倉(cāng)爆炸泄露至海水、各種極端環(huán)境下（霧、雪、大風(fēng)、大雨、洪水、地震等）水污染事故監(jiān)測(cè)、水源地污染事故等。通過(guò)多人連線互動(dòng)操作、情景展示和角色扮演等環(huán)節(jié)，使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的情況得到真實(shí)的展現(xiàn)，使監(jiān)測(cè)人員的應(yīng)急監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)得到不斷的提高。經(jīng)過(guò)兩種角色（指揮協(xié)調(diào)人員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員）的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，使他們對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)有了直觀的認(rèn)識(shí)，為今后的工作提供了更多的便利。在應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練中引入虛擬仿真技術(shù)，使許多人可以真實(shí)的體驗(yàn)應(yīng)急監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情景，不受現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地限制，縮短訓(xùn)練周期，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)、人與人的高效互動(dòng)。

3結(jié)束語(yǔ)

突發(fā)性和多樣性是水污染事故的主要特征，對(duì)水環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝備及人員素能的要求均提出了更高要求，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)的展現(xiàn)了水污染事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)情況和工作程序，參加訓(xùn)練的監(jiān)測(cè)人員對(duì)不同復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中高危影響因素進(jìn)行了解，選擇相應(yīng)的應(yīng)對(duì)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)調(diào)用不同場(chǎng)景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬訓(xùn)練，監(jiān)測(cè)人員可以無(wú)限使用各種相關(guān)試劑、設(shè)備等，節(jié)約了相關(guān)耗材的使用成本，使應(yīng)急監(jiān)測(cè)相關(guān)訓(xùn)練方面的消耗更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，既使應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員增加了相關(guān)的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，又響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能的相關(guān)政策。

因此，虛擬仿真技術(shù)具有提高水污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練過(guò)程真實(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程更加的動(dòng)態(tài)化，可以有效解決應(yīng)急監(jiān)測(cè)訓(xùn)練過(guò)程中成本高、聯(lián)合訓(xùn)練頻次低、感官?zèng)_擊差、訓(xùn)練過(guò)程簡(jiǎn)單等缺點(diǎn)，能顯著提升訓(xùn)練質(zhì)量和培訓(xùn)效果，增長(zhǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練來(lái)驗(yàn)證參演人員平時(shí)的訓(xùn)練成果，保證水污染事故發(fā)生時(shí)能夠迅速而有條不紊地開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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