基于嚴肅游戲的管涌險情應急搶險虛擬演練培訓系統(tǒng)

杜江岳 謝歌

（華北水利水電大學信息工程學院 河南省鄭州市 450018）

嚴肅游戲不以娛樂為目的，而是以傳遞知識，教育，專業(yè)訓練為主要目標的游戲[1,2]。南水北調輸水工程總線跨越流域大，沿線地質條件復雜。在工程運行過程中，可能會發(fā)生自然災害、設備失效等多類別風險。通常通過布置監(jiān)測設施進行日常觀測，監(jiān)測工程運行情況，但監(jiān)測設備難以完全覆蓋工程區(qū)域，一些盲區(qū)仍然需要工程安全巡檢人員進行人工巡查。由于災害種類多，對巡檢人員的風險識別能力培訓是保證工程安全運行的重要組成部分。傳統(tǒng)災害預演培訓形式分為桌面演練和實戰(zhàn)演練[3]。桌面演練又稱桌面推演，參演人員通過地圖、沙盤等輔助手段，根據(jù)預先假定的演練情景，討論和推演應急決策及現(xiàn)場處置過程[4]。演練情景的設計在提高受培訓人員的能力方面起著重要作用。然而，桌面演練的效果受限制于演練情景的設計質量，演練情景的設計過程本身耗時長且容易出錯。演練情景在設計時受到設計師主觀想象的限制，容易忽視險情的破壞范圍和危害程度，所描述事件的發(fā)生順序也可能與現(xiàn)實情況不完全相同。因此，需要通過實戰(zhàn)演練使被培訓人員熟悉實際搶險救災流程。實戰(zhàn)演練通過設置演習區(qū)域，還原災害發(fā)生時的真實情景，訓練搶險人員的實際操作能力。實戰(zhàn)演練培訓效果較好，但實戰(zhàn)演練需要花費大量人力和物力，無法做到隨時隨地演練，并且一次實戰(zhàn)演練結束后，通常很難復現(xiàn)演練過程。鑒于傳統(tǒng)培訓存在上述缺陷，研究者們嘗試通過虛擬現(xiàn)實技術構建培訓場景，如醫(yī)學領域中的手術模擬[5]、康復訓練[6]；海事領域中的船舶制造仿真與交互[7]；航空航天領域中的航天員培訓[8]；水利領域中的水電站應急搶險培訓[9]等。當前虛擬培訓場景的實體多為單人或多個實際參與者，培訓方式以文字或圖表羅列知識點為主，驅使參與者進行交互。近期對嚴肅游戲的研究表明，災害演練培訓與演練腳本的關系不同于電影與電影腳本之間的關系[10]，即場景中最好不出現(xiàn)對培訓參與者的直接指示，而是通過在演練腳本中包含被模擬過程的環(huán)境，使參與者主動執(zhí)行觀察-確認-決定-行動這一行為循環(huán)，以此增強培訓效果。

綜上所述，通過分析水利應急預案流程，將險情特征、預案流程、應急知識融入演練腳本，不直接指示虛擬培訓參與者進行操作，而是使用前后相關的事件組成培訓內容；通過虛擬角色行為引導參與者主動思考搶險應急措施；設計并實現(xiàn)了一個管涌險情的搶險培訓系統(tǒng)驗證引導方法的可靠性。經(jīng)實驗證明，受訓人員在虛擬場景中主動思考使得虛擬場景沉浸感更強，培訓效果更加顯著。

1 系統(tǒng)總體架構與培訓流程設計

1.1 系統(tǒng)總架構分析

考慮到培訓系統(tǒng)的業(yè)務需求，系統(tǒng)整體使用四層架構，分別為物理設備層、視圖層、事件層和業(yè)務層。其中，物理設備層主要包括物理設備和對不同設備的輸入信號進行抽象的腳本，是支持多平臺應用的基礎；視圖層包括用戶直接觀察到的模型，如地物模型、虛擬角色模型、天空盒等；事件層是系統(tǒng)的核心部分，主要負責將用戶的交互輸入轉換成事件碼，通過傳輸事件碼，完成場景中其他元素對用戶輸入的響應；業(yè)務層負責管理場景資源調度、流程控制等業(yè)務邏輯。圖1為架構示意圖。

圖1：系統(tǒng)架構示意圖

1.2 培訓流程設計

根據(jù)文件《工程運行期工程安全事故應急預案》，工程安全事故按照性質、可控性、嚴重程度和影響范圍等因素，分為Ⅰ級（特別重大）、Ⅱ級（重大）、Ⅲ級（較大）和Ⅳ級（一般）四個級別。建筑物基礎發(fā)生管涌，引起建筑物垮塌或渠堤邊坡發(fā)生管涌引起渠道潰口為Ⅰ級；渠堤邊坡發(fā)生較大范圍集中滲漏、流土導致渠堤部分跨塌、管理道路中斷，但渠水未外泄為Ⅱ級；渠堤邊坡發(fā)生集中滲漏、流土導致渠堤變形開裂為Ⅲ級；局部沉降引起渠堤堤身開裂或建筑物基礎接縫滲漏、結構受損為Ⅳ級。

工程安全事故信息一般應按規(guī)定逐級上報。南水北調中線干線工程安全事故應急指揮機構由一級運行管理單位（中線建管局）、二級運行管理單位（各分局、北京市南水北調干線管理處）、三級運行管理單位（各現(xiàn)地管理處等）組成。三級運行管理單位的工程安全巡檢人員發(fā)現(xiàn)或接到突發(fā)事件通知后，應立即電話報告負責人和中控室值班人員。負責人接到現(xiàn)場報告后電話報告二級運行管理單位，同時安排人員報分調度中心和二級運行管理單位相關專業(yè)職能處室。

三級運行管理單位在上報險情后，應根據(jù)所轄渠段特點制定應急處置方案，組織現(xiàn)場人員進行先期處置工作。對于管涌險情，應在涌水口處及周邊采用砂礫石填壓，等待專業(yè)應急搶險隊伍運送搶險物資，再進行專業(yè)搶險設施搭建。

綜合以上應急流程，將預演培訓分為發(fā)現(xiàn)異常、險情確認、險情上報、應急搶險和搶險結束五個階段。具體培訓流程如圖2所示。

圖2：培訓流程設計圖

1.3 系統(tǒng)功能設計

基于1.2節(jié)的培訓流程需求，系統(tǒng)主要由管涌險情三維場景可視化、應急搶險演練培訓、人機交互仿真和培訓效果評價四個模塊組成，如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)功能設計圖

管涌險情三維場景可視化模塊主要負責在虛擬場景中復現(xiàn)管涌險情特征，使受訓人員在虛擬場景中巡檢時發(fā)現(xiàn)異常并上報，主要包括構成特征的地形系統(tǒng)與粒子特效、動畫等。

應急搶險演練培訓模塊負責播放等級確認過程中的音頻資源、向受訓人員展示不同等級險情的上報流程圖、展示管涌險情發(fā)生原理、提供應急決策待選方案、介紹不同搶險物資的應用場景和搶險物資的搭建方法等。

人機交互仿真模塊響應用戶在虛擬場景中的交互行為，實現(xiàn)人機交互功能。

培訓效果評價模塊負責記錄培訓任務的開始與結束時間，培訓任務完成情況，受訓人員操作熟練度等信息。

2 流程實施與功能實現(xiàn)

2.1 場景基本地物三維模型

管涌應急搶險預演平臺主要以土石壩邊坡滲漏這一典型險情展開。虛擬場景中的地物模型選取河南省輝縣市某段高填方渠段為參考，將該渠段施工時使用的圖紙參考等比縮放，在三維工程建模軟件中進行基本地物模型的制作。完成三維模型制作后，通過現(xiàn)場采集貼圖素材，經(jīng)過圖片處理軟件制作紋理平鋪無縫貼圖。考慮場景的真實性，地物模型統(tǒng)一使用基于物理的材質。圖4為渠道邊坡、馬道和防浪墻在虛擬場景中的最終渲染效果。

圖4：地物模型渲染效果圖

2.2 搶險物資三維模型

在水利應急搶險過程中，需要用到許多種防汛物資。根據(jù)不同種類的險情或同種險情發(fā)展階段不同，所需搶險物資也不同。針對這一特征，參考《防汛搶險技術手冊》，對滲漏險情所需防汛搶險物資進行三維建模。圖5為一些搶險物資示例。

圖5：搶險物資建模示例圖

2.3 虛擬角色行仿真

參考南水北調中線干線工程應急預案相關文件，邊坡滲漏險情應急搶險過程涉及多個專業(yè)組，不同組擔任不同搶險任務，具體功能分組情況如表1所示。

表1：不同角色的職能

用戶在場景中進行交互時，其他身份的角色需要對用戶的行為做出實時響應。本文通過事件系統(tǒng)驅動虛擬角色行為。用戶在與場景中虛擬物體交互時，將產(chǎn)生一個事件碼，通過事件系統(tǒng)廣播至虛擬角色的行為腳本，虛擬角色收到事件碼后，根據(jù)設定好的行為函數(shù)，對事件進行響應。具體的事件設計如表2所示。

表2

除了事件驅動虛擬角色行為外，為了使虛擬角色更加智能，根據(jù)信息感知模型與有限狀態(tài)機結合方法[11]，使場景中的虛擬角色對環(huán)境進行感知，如圖6所示。

圖6：虛擬角色信息感知模型

其中R1、R2、R3是各自感知區(qū)的范圍；θ是人體的最大視角；A、B、C是環(huán)境中的對象；O為虛擬角色所在位置。

當用戶在虛擬場景中丟失下一步的目標時，虛擬角色將根據(jù)當前的險情發(fā)展進度，以真實合理的動作和語音，提示用戶當前的任務，提升場景的真實感，如圖7所示。

圖7：虛擬角色提示用戶下一個目標

2.4 演練場景構建

管涌應急搶險場景由高填方渠道（馬道、防浪墻、邊坡）、護林帶（圍網(wǎng)、刺絲和綠植帶）、交叉建筑物、出水口搶險物資（防汛沙袋、背水月堤、無濾圍井等）、入水口搶險物資（水下機器人、示蹤劑、混凝土攪拌車、混凝土輸送泵車、隔水圍堰）等部分組成，根據(jù)流程設計的五個階段分為五個子場景。為了不破壞流程的整體性，子場景之間不通過場景轉跳的方式進行切換。用戶在完成上一個子場景的最后一個交互時，場景管理器將收到一個切換場景的事件碼，異步加載下一個子場景所需資源。當上一個的場景的所有內容播放完畢后，通過銀幕淡入淡出的形式，將已經(jīng)載入內存的下一階段資源顯示在場景中，同時卸載掉上一階段資源，如圖8所示。

圖8：演練場景展示圖

3 結論

通過對虛擬演練培訓技術研究，本文對高填方渠段進行了三維場景構建。以管涌險情應急預案流程為基礎，設計了符合現(xiàn)實應急流程的劇情；以“所見即所得”的方式驅動用戶主動對場景進行探索，完成觀察-確認-決定-行動循環(huán)；設計并實現(xiàn)了以虛擬角色為牽引的人機交互方式，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術在沉浸感方面的優(yōu)勢，為工程安全巡檢人員培訓教學環(huán)節(jié)探索了新的表現(xiàn)形式。未來將考慮引入物理仿真技術進一步增強場景的真實感，以及針對當前虛擬演練培訓場景開發(fā)工作量大的問題，考慮引入程序化建模技術，減少場景模型的制作周期。