乏燃料聯(lián)運數(shù)字化應(yīng)急演練系統(tǒng)研究與應(yīng)用

潘亞蘭，楊政理，史 驥，蘇 康

（1. 中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2. 中廣核（北京）仿真技術(shù)有限公司，深圳 518031）

乏燃料的聯(lián)運是我國新興的運輸模式，主要指乏燃料通過公路、鐵路、海路等任意2 種或3 種運輸模式結(jié)合的運輸方式，其復(fù)雜場景使得事故后的應(yīng)急響應(yīng)及處置較之核設(shè)施事故更加困難［1］。演練是維持應(yīng)急響應(yīng)能力的必要手段，通過各種不同情景的應(yīng)急演練能有效地檢驗應(yīng)急組織響應(yīng)能力，確保響應(yīng)人員能迅速、有序且高效地開展應(yīng)急響應(yīng)和救援行動［2］。

考慮到乏燃料聯(lián)運的運輸涉及多個環(huán)節(jié)，流程復(fù)雜且接口眾多，演習(xí)環(huán)節(jié)的可操作性以及演習(xí)場地的限制和人員的配備等因素均對演習(xí)情景的設(shè)計及演練的開展產(chǎn)生了一定限制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)在企業(yè)應(yīng)急管理工作中已逐步應(yīng)用，包括用應(yīng)急管理平臺和數(shù)字預(yù)案技術(shù)來虛擬應(yīng)急演練技術(shù)等［3］。為更好地開展乏燃料聯(lián)運工作，建立充分的應(yīng)急響應(yīng)能力，筆者設(shè)計并實現(xiàn)了一套乏燃料聯(lián)運數(shù)字化應(yīng)急演練系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。這套系統(tǒng)通過數(shù)字化虛擬技術(shù)，能有效輔助應(yīng)急演練的開展，提升人員應(yīng)對突發(fā)事故的效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建符合乏燃料運輸突發(fā)事件的場景、地貌和氣象環(huán)境特征等的三維模型庫與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。在事故場景的構(gòu)建上，以乏燃料運輸?shù)湫褪鹿蕿樗{(lán)本，模擬災(zāi)害現(xiàn)場場景，并針對乏燃料運輸過程中各級應(yīng)急處置對象模擬應(yīng)急事件過程中事件發(fā)展及應(yīng)急處置過程，包括乏燃料不同運輸方式的事故類型模擬、事故報告流程模擬、事故響應(yīng)流程模擬和事故恢復(fù)流程模擬等。在操作模式上，系統(tǒng)分為單人推演模式和多人演練模式。單人推演模式主要用于應(yīng)急處置方案討論，多人演練模式主要是協(xié)同推演實現(xiàn)多角色扮演事件處置過程的模擬演練應(yīng)用，通過反復(fù)的模擬演練鍛煉應(yīng)急人員的應(yīng)急處置能力。

2 單人推演模式

單人推演模式類似沙盤推演，通過系統(tǒng)提供的場景信息、應(yīng)急資源信息和災(zāi)害信息等實現(xiàn)單人推演。根據(jù)演練需要，依照實戰(zhàn)情況下的乏燃料運輸事故救援流程，實現(xiàn)平戰(zhàn)結(jié)合。由于乏燃料運輸應(yīng)急處置的特殊性，用戶可自定義設(shè)置編輯推演內(nèi)容。例如，階段設(shè)置、應(yīng)急部署、人員編排以及測量標(biāo)繪等。經(jīng)制作研討成功的推演預(yù)案可進(jìn)行系統(tǒng)存儲和統(tǒng)一管理。

2.1 情景設(shè)計

系統(tǒng)可進(jìn)行情景設(shè)定，設(shè)置乏燃料運輸事故發(fā)生的場景、重點部位、災(zāi)害的種類和天氣情況等信息。下面主要介紹場景選擇、環(huán)境設(shè)置、災(zāi)情設(shè)置、階段設(shè)置及信息查詢等功能。

2.1.1 場景選擇

系統(tǒng)提供針對公路、海運和鐵路三類運輸方式的三維場景，運用三維建模技術(shù)，結(jié)合采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行建模，開發(fā)制作典型場景模型，包括場景的周邊環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)等，最大化地還原演練場景的真實性，操作人員可對不同場景下的應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行有針對性的推演。

2.1.2 環(huán)境設(shè)置

在三維場景中，通過引擎粒子特效，可設(shè)置多樣化的天氣特效。主要包括風(fēng)向特效、風(fēng)力級別以及時間、溫度等多種環(huán)境因素的設(shè)置。

2.1.3 災(zāi)情設(shè)置

系統(tǒng)提供災(zāi)情設(shè)置功能，可設(shè)置災(zāi)害類型，災(zāi)害類型包括：容器跌落、車輛撞擊、火災(zāi)等，并支持調(diào)節(jié)火災(zāi)大小及范圍等。

2.1.4 階段設(shè)置

系統(tǒng)支持對各應(yīng)急救援階段進(jìn)行推演，根據(jù)不同階段選擇人員、車輛和裝備進(jìn)行調(diào)派與部署，還支持對可選救援階段進(jìn)行線上展示和驗證。

2.1.5 信息查詢

信息查詢包括應(yīng)急救援的設(shè)施定位、查詢以及應(yīng)急救援支持單位的查詢等。系統(tǒng)通過對設(shè)施的位置信息、基本信息和聯(lián)系人信息等進(jìn)行采集，從而實現(xiàn)對所需要的信息進(jìn)行查詢。系統(tǒng)將結(jié)合三維場景，對查詢的設(shè)施進(jìn)行位置定位，并以文字和附件等形式展現(xiàn)所要查詢對象的信息。

2.2 推演討論

系統(tǒng)支持應(yīng)急救援設(shè)施設(shè)備、應(yīng)急救援人員和移動應(yīng)急救援裝備的可視化部署，下面主要說明作戰(zhàn)標(biāo)繪與應(yīng)急資源部署功能。

2.2.1 作戰(zhàn)標(biāo)繪

系統(tǒng)提供在指揮作戰(zhàn)中具有重要作用的輔助態(tài)勢標(biāo)繪工具，可在三維空間中標(biāo)繪出封鎖區(qū)、推演區(qū)、進(jìn)攻路線等戰(zhàn)略層次防御區(qū)、各種單箭頭、雙箭頭、三箭頭、燕尾箭頭、細(xì)直箭頭、圖形標(biāo)繪、警戒線和特殊符號標(biāo)繪等標(biāo)繪形式，可對場景中的熱點進(jìn)行標(biāo)注描述并保存。

態(tài)勢標(biāo)繪主要包括箭頭、幾何圖形、文字、特殊線條和符號等多種方式，如圖1 所示。在乏燃料運輸三維場景中放置標(biāo)繪圖標(biāo)，系統(tǒng)支持直接對標(biāo)繪進(jìn)行操作，包括移動、旋轉(zhuǎn)和刪除等。同時支持對標(biāo)繪圖形屬性進(jìn)行設(shè)置，屬性包括透明度、線條樣式、邊線顏色和填充顏色等。

圖1 標(biāo)繪圖標(biāo)示例圖Fig.1 Plot Icon

2.2.2 應(yīng)急資源部署

系統(tǒng)針對在演練及災(zāi)害應(yīng)急過程中可能發(fā)生的火災(zāi)和泄漏等事故，基于乏燃料運輸路線現(xiàn)有的應(yīng)急資源和器材等在三維場景中進(jìn)行部署。系統(tǒng)支持現(xiàn)場固定及半固定應(yīng)急設(shè)施設(shè)備、車輛、人員和移動消防裝備的可視化部署，總指揮可通過拖拉拽的方式將應(yīng)急資源擺放到三維場景中，并且可以根據(jù)現(xiàn)場救援需求調(diào)整車輛車頭方向；還可對救援車輛、人物的入場順序、?？课恢煤妥鲬?zhàn)任務(wù)等逐一進(jìn)行部署。系統(tǒng)基于乏燃料運輸真實道路情況支持三維模型擺放的調(diào)整設(shè)置?？梢暬渴鹗纠齾⒄請D2。

圖2 可視化部署示例圖Fig.2 Visual deployment

3 多人演練模式

針對乏燃料運輸應(yīng)急救援演練，該模式支持多指揮層級、多部門和不同角色全鏈條情景化協(xié)同推演，包含總指揮、（現(xiàn)場）指揮、執(zhí)行人員和評估人員。演練過程靈活自主，具備多部門和多角色協(xié)同的全流程演練應(yīng)用形式。

應(yīng)急仿真推演平臺以三維場景資源為支撐，通過多角色場景同步協(xié)同演練，動態(tài)編組構(gòu)建應(yīng)急組織機構(gòu)。系統(tǒng)采用分布式服務(wù)器軟件系統(tǒng)，具有低延遲和高穩(wěn)定性；采用“大廳—房間”的網(wǎng)絡(luò)通信模型，支持多組演練同時進(jìn)行，根據(jù)登錄的不同角色，系統(tǒng)提供不同的能力和權(quán)限。

3.1 功能流程

演練準(zhǔn)備開始，相關(guān)角色使用專有賬號登錄客戶端，并做好準(zhǔn)備。一旦總指揮下達(dá)演練開始的命令，所有客戶端角色同時顯示事先設(shè)置好的前情片段，讓所有客戶端的參演角色充分知悉本次推演的目的和組織情況?？傊笓]指示有事故發(fā)生，執(zhí)行端一旦發(fā)現(xiàn)事故便立即通過上報功能將事故情況通報給指揮端。指揮端經(jīng)過判定及研討下達(dá)指令，由各執(zhí)行端根據(jù)指令去完成對應(yīng)的行動。執(zhí)行端可以通過反饋功能，反饋行動的具體執(zhí)行情況給指揮端，由指揮端根據(jù)執(zhí)行端反饋的內(nèi)容來調(diào)整后續(xù)具體行動?？傊笓]可以在應(yīng)急行動執(zhí)行的過程中適時地添加不同的干預(yù)因素進(jìn)行干擾。指揮端不斷下達(dá)指令且執(zhí)行端不斷進(jìn)行反饋，多次往復(fù)，直至應(yīng)急救援過程全部完成。

演練進(jìn)行時，評估端人員能夠?qū)崟r觀看所有執(zhí)行端角色的行動并同時進(jìn)行評估，記錄信息進(jìn)行錄入。演練全程被記錄，可以隨時進(jìn)行回放以便評估人員深入了解演練存在的問題，并有針對性地給出評估意見，為總結(jié)提供支撐。圖3 為功能流程圖。

圖3 功能流程圖Fig.3 Sequential function chart

3.2 腳本編輯

為了保證模擬演練內(nèi)容的可拓展性及靈活性，系統(tǒng)提供數(shù)字化演練腳本的流程編輯功能，演練腳本的編制主要以現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)案為藍(lán)本，進(jìn)行邏輯化編輯，編制后的數(shù)字化演練腳本文件可支撐模擬演練應(yīng)用。

3.3 總指揮功能

在整個演練實施過程中總指揮可自由觀察全局，并可根據(jù)演練需要對災(zāi)情變化、環(huán)境信息、資源使用以及角色等進(jìn)行過程干預(yù)，以此增加演練的難度。總指揮端進(jìn)行干預(yù)的信息支持以文字等形式進(jìn)行播報，并同步到各演練終端進(jìn)行展示?？傊笓]端業(yè)務(wù)流程如圖4 所示。

圖4 總指揮端業(yè)務(wù)流程Fig.4 Business flow chart of general director

3.4 現(xiàn)場指揮功能

總指揮對三維場景中災(zāi)害及環(huán)境進(jìn)行的配置完成后，便可進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)處置流程的展開，首先系統(tǒng)對所有參演客戶端播報警情，現(xiàn)場指揮端可實現(xiàn)資源查詢、資源調(diào)配和戰(zhàn)術(shù)決策部署等功能，下面主要說明信息查詢及定位、應(yīng)急力量編成、作戰(zhàn)方案制定、應(yīng)急資源調(diào)度、任務(wù)命令下達(dá)及輔助決策等功能。

3.4.1 信息查詢及定位

系統(tǒng)支持三維場景瀏覽漫游、支持對象信息查詢及定位，查詢對象包括基本信息、各功能分區(qū)信息、建筑設(shè)施信息和應(yīng)急救援力量等；支持定位查詢以及列表查詢相結(jié)合的方式，支持以文字、表格和圖片等形式展現(xiàn)所要查詢對象的信息，并且可進(jìn)行編輯修改。

3.4.2 應(yīng)急力量編成

應(yīng)急力量編成是救援的基礎(chǔ)，是以制作成固化作戰(zhàn)編組模板的方式，實現(xiàn)人員、裝備和外部環(huán)境等信息的集結(jié)。支持在推演過程中結(jié)合現(xiàn)場實際情況，快速調(diào)取模板及調(diào)整戰(zhàn)斗方案，以最短的時間且科學(xué)合理地設(shè)置集結(jié)陣地和戰(zhàn)斗陣地，實施有效的應(yīng)急處置及人員救援。

3.4.3 作戰(zhàn)方案制定

作戰(zhàn)方案制定主要包括箭頭、幾何圖形、文字、特殊線條和符號等多種方式。在三維場景中放置標(biāo)繪圖標(biāo)，系統(tǒng)支持直接對標(biāo)繪進(jìn)行操作，包括移動、旋轉(zhuǎn)和刪除等。

3.4.4 應(yīng)急資源調(diào)度

現(xiàn)場指揮通過查詢?yōu)那橹苓厬?yīng)急力量和裝備物資的空間分布情況，如公安、消防、醫(yī)療及社會其他保障聯(lián)動機構(gòu)單位等位置信息、力量信息、物資數(shù)量、距離和路況等，基于決策部署方案，以指令通信方式將戰(zhàn)術(shù)方案下達(dá)各參演角色端，實現(xiàn)所有應(yīng)急力量的有序有效快速投入?，F(xiàn)場指揮可根據(jù)事故的現(xiàn)場情形及輔助分析結(jié)果進(jìn)行資源的調(diào)配。此外，在救援過程中可根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害情況，進(jìn)行現(xiàn)場判定及支援力量的調(diào)配。

3.4.5 任務(wù)命令下達(dá)

系統(tǒng)支持文字和語音兩種指令方式，可以一對一也可以一對多發(fā)送指令，并能夠?qū)χ噶钸M(jìn)行快速選擇及功能維護(hù)。指令可以被記錄，系統(tǒng)支持對所下達(dá)指令進(jìn)行語音或以屏幕信息框方式進(jìn)行播報，播報對象為指令接收方。

3.4.6 輔助決策

系統(tǒng)支持空間測量工具、災(zāi)害衍生變化計算、事故輔助分析計算模型和應(yīng)急物資損耗計算等輔助分析模型或工具，幫助指揮人員進(jìn)行災(zāi)害評估分析，提供滅火劑量計算和冷卻水量計算等多種業(yè)務(wù)邏輯分析算法。

3.5 任務(wù)執(zhí)行功能

系統(tǒng)提供執(zhí)行角色，用于模擬一線處置人員的任務(wù)指令接收與相應(yīng)處置救援操作及動作特效。執(zhí)行端收到指揮端下發(fā)的任務(wù)命令以后，便可遵照指揮端所下發(fā)的執(zhí)行任務(wù)命令開展應(yīng)急救援處置，如人群疏散、路障擺放、應(yīng)急裝備器材操作、破拆和救護(hù)等動作模擬。下面主要介紹角色扮演、定位及導(dǎo)航、執(zhí)行任務(wù)命令和現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋等流程。

3.5.1 參訓(xùn)人員角色扮演

演練開始后，參訓(xùn)各方（如安保、消防、醫(yī)療及其他應(yīng)急保障單位等）開始執(zhí)行任務(wù)命令。系統(tǒng)支持以第三人稱跟隨視角或第一人稱視角控制本身所屬的資源，控制相應(yīng)的動態(tài)模型進(jìn)行走、跑、前進(jìn)和滅火等的動作行為，通過生動形象的人物行為，類似于游戲的方式來對整個應(yīng)急過程進(jìn)行虛擬仿真表現(xiàn)。

3.5.2 定位及導(dǎo)航

系統(tǒng)支持定位導(dǎo)航及自動尋路功能，實現(xiàn)人員和車輛行進(jìn)路線規(guī)劃，導(dǎo)航功能根據(jù)規(guī)劃路線顯示行進(jìn)距離。系統(tǒng)支持自動尋路功能，操作人員通過選擇目的地，系統(tǒng)后臺依據(jù)現(xiàn)路網(wǎng)信息和障礙情況自動行走或奔跑至目的地。

3.5.3 執(zhí)行任務(wù)命令

執(zhí)行端為應(yīng)急救援的關(guān)鍵崗位角色提供符合其應(yīng)急救援技能的指令控制集，以滿足其在主題三維場景中通過“指令集”完成關(guān)鍵救援任務(wù)的“實踐”，如裝備選擇、關(guān)鍵區(qū)域警戒、疏散和救援等。

各執(zhí)行端都以第三人稱視角控制本身所屬的資源，控制相應(yīng)的動態(tài)模型進(jìn)行走、跑、前進(jìn)、滅火和醫(yī)護(hù)等多種不同的行為。

3.5.4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋

通過反饋功能可以使得客戶端與指揮端建立聯(lián)系，聯(lián)系時可以通過截屏和文件傳輸?shù)雀綆Ц郊Y料。

3.6 評估功能

評估功能端在模擬推演過程中起到對演練流程、執(zhí)行過程和處置結(jié)果的評估作用，通過該功能可以對上述內(nèi)容進(jìn)行評估。該功能端通常由相關(guān)專家用戶登錄使用。

系統(tǒng)支持評估專家手動添加，實現(xiàn)自動評估數(shù)據(jù)和專家團(tuán)隊研討與論證相結(jié)合的評估功能，支持生成評估報告及打印、導(dǎo)出，支持推演評估總結(jié)與推演過程回放。整體評估流程如圖5 所示。

圖5 評估流程Fig.5 Flow chart of appraisal

4 系統(tǒng)應(yīng)用價值分析

乏燃料運輸活動不同于核設(shè)施運行，是在公共道路上進(jìn)行，事故發(fā)生時間不確定，事故地點也不確定，且這項活動發(fā)生在公眾附近，敏感性強，一旦出現(xiàn)事故，其社會影響和公眾輿論所帶來的負(fù)面效應(yīng)將超過事故本身的嚴(yán)重程度［4］。乏燃料運輸?shù)膽?yīng)急響應(yīng)更加復(fù)雜，而多種模式的聯(lián)合運輸，則為核應(yīng)急響應(yīng)提出更大挑戰(zhàn)。因此，乏燃料聯(lián)運數(shù)字化應(yīng)急演練系統(tǒng)的應(yīng)用是建立和健全乏燃料運輸安全應(yīng)急管理的有效手段之一，對于防范或處置運輸中的事故十分重要。

本文的相關(guān)研究成果可直接應(yīng)用到乏燃料運輸應(yīng)急演練培訓(xùn)中。借助數(shù)字化手段實現(xiàn)線上應(yīng)急演練，鍛煉應(yīng)急人員的應(yīng)急處置能力。成功運用后還可推廣到其他更廣泛的放射性物質(zhì)（如中子源、放射性同位素等）及?；返倪\輸應(yīng)急演練領(lǐng)域。放射性物質(zhì)運輸是工農(nóng)醫(yī)療等領(lǐng)域核能與核技術(shù)利用的必然活動，對于數(shù)字化演練場景具有更大的需求空間［5］。數(shù)字化應(yīng)急演練系統(tǒng)的研究與應(yīng)用能整體提升放射性物品運輸應(yīng)急管理的數(shù)字化、場景化和智能化水平，后續(xù)仍需進(jìn)行不斷的探索與實踐，以演代訓(xùn)，更大地挖掘數(shù)字化技術(shù)在放射性物質(zhì)運輸應(yīng)急演練中的潛能，持續(xù)提升營運單位運輸管理中對突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)能力，保障運輸安全。

5 結(jié)語

為更好地解決乏燃料運輸在實戰(zhàn)演練中的難點與痛點，增強應(yīng)急組織對各類突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力，設(shè)計并實現(xiàn)了乏燃料聯(lián)運數(shù)字化應(yīng)急演練系統(tǒng)。該系統(tǒng)以乏燃料運輸應(yīng)急情景化構(gòu)建為基礎(chǔ)，借助數(shù)字化手段實現(xiàn)對特定場景應(yīng)急腳本的演練，能打破傳統(tǒng)實戰(zhàn)演練的壁壘，隨時隨地輔助演練的開展，提升演練效率，提高乏燃料運輸過程的應(yīng)急處置及響應(yīng)能力。后續(xù)需加強該系統(tǒng)在運輸領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，并進(jìn)行持續(xù)的探索與創(chuàng)新；在推廣中不斷發(fā)現(xiàn)并解決新問題，在探索中持續(xù)挖掘數(shù)字化應(yīng)用的潛能，開發(fā)新功能，持續(xù)提升系統(tǒng)的應(yīng)用價值，不斷提高企業(yè)的應(yīng)急管理能力。