基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輸水工程防洪虛擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)

摘" 要：以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，模擬輸水渠道與交叉河流建筑物的暴雨洪澇災(zāi)害，使搶險(xiǎn)人員能夠更加直觀地感受災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程，并設(shè)計(jì)防洪演練模塊，創(chuàng)造基于虛擬現(xiàn)實(shí)的防洪演練系統(tǒng)，增強(qiáng)洪水來(lái)臨時(shí)輸水干渠應(yīng)急搶險(xiǎn)的處置能力。利用Unreal Engine創(chuàng)建生動(dòng)逼真的虛擬環(huán)境，讓體驗(yàn)者身臨其境，體驗(yàn)者通過(guò)語(yǔ)言和手勢(shì)等與平臺(tái)實(shí)時(shí)互動(dòng)，讓體驗(yàn)者更便捷、更直接地融入虛擬空間。結(jié)果表明：基于VR的南水北調(diào)中線防洪演練系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)、視覺(jué)效果顯著、培訓(xùn)效果明顯，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的價(jià)值，為災(zāi)害應(yīng)急管理工作提供有力的支持。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；水利工程災(zāi)害模擬；防洪演練

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0128-05

Training System for Flood Control Virtual Drill on Water Transmission Engineering Based on Virtual Reality

SHI Wenjun， TONG Xiaoyang， ZHENG Jiaqi

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou" 450046， China）

Abstract： Based on Virtual Reality technology， the simulation of storm and flood disasters in water conveyance channels and intersecting river structures enables emergency response personnel to more intuitively experience the process of disaster occurrence. Furthermore， it designs the flood control drill modules， and creates a flood control drill system based on VR to enhance the emergency response capabilities of water conveyance main channels during floods. By utilizing Unreal Engine to create vivid and realistic virtual environments， participants can be fully immersed in the experience. Through real-time interaction with the platform using voice and gestures， participants can integrate into the virtual space more conveniently and directly. The results indicate that the flood control drill system based on VR for the South-to-North Water Diversion Middle Route demonstrates strong immersion， significant visual effects， and notable training outcomes. It holds substantial value in practical applications， providing robust support for disaster emergency management.

Keywords： Virtual Reality; hydraulic engineering disaster simulation; flood control drill

0" 引" 言

南水北調(diào)是一項(xiàng)重大水利工程，旨在解決中國(guó)北方地區(qū)嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。這項(xiàng)工程規(guī)模宏大，涉及的區(qū)域廣闊，對(duì)中國(guó)水資源調(diào)配與地區(qū)開(kāi)發(fā)等方面都有著十分重要的作用。然而，近些年來(lái)，由于降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇、山地洪澇等災(zāi)害，給南水北調(diào)工程造成了嚴(yán)重威脅[1]。例如，2021年7月20日，河南段沿線多處遭受暴雨襲擊，部分河段發(fā)生滑坡、外水入渠等險(xiǎn)情，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。并且在極端暴雨洪水條件下，南水北調(diào)中線工程存在較高洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，開(kāi)展南水北調(diào)中線工程防汛應(yīng)急演練模擬研究，對(duì)于保障南水北調(diào)工程的安全運(yùn)行和防災(zāi)減災(zāi)工作，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前針對(duì)洪澇災(zāi)害的應(yīng)急演練培訓(xùn)方式較為單一，主要以桌面推演、沙盤(pán)推演、實(shí)地演練的方式[3]為主。桌面演練多為文字與口頭記錄，且與沙盤(pán)演練都無(wú)法達(dá)到逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，缺乏一定的真實(shí)度，并且內(nèi)容較為單一，實(shí)地演練實(shí)現(xiàn)苦難，且難以控制成本。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的快速發(fā)展，在城市內(nèi)澇、防洪減災(zāi)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)將該方法用于各種領(lǐng)域內(nèi)的安全培訓(xùn)，如Lee基于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)放射應(yīng)急演練[4]，AZHAR基于虛擬現(xiàn)實(shí)的建筑安全培訓(xùn)[5]，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的左排渡槽洪澇災(zāi)害應(yīng)急演習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)[6]，以及基于VR的水災(zāi)害仿真演示系統(tǒng)[7]，還有基于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的機(jī)場(chǎng)和地鐵等公共場(chǎng)所的應(yīng)急救援平臺(tái)[8-9]。這些系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景需求，使用三維建模軟件對(duì)場(chǎng)景元素進(jìn)行三維建模，再把模型融入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)及交互模塊，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)險(xiǎn)情的應(yīng)急演練。結(jié)果表明，基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎針對(duì)應(yīng)急演練開(kāi)發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)可以有效地模擬一些真實(shí)場(chǎng)景中的災(zāi)害，幫助用戶了解災(zāi)害特征和做出正確處置。

本文以虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)Unreal Engine為基礎(chǔ)，利用3D MAX軟件構(gòu)建三維模型，并使用粒子系統(tǒng)來(lái)模擬天氣。此外，通過(guò)構(gòu)建交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人物的基本交互。同時(shí)利用基于二維淺水方程，對(duì)水的實(shí)時(shí)流動(dòng)進(jìn)行模擬，從而更加真實(shí)地展現(xiàn)南水北調(diào)中線工程干渠洪水險(xiǎn)情的發(fā)生過(guò)程。

1" 南水北調(diào)輸水工程防汛演練方案設(shè)計(jì)

1.1" 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)防汛演練流程和系統(tǒng)需求，需對(duì)演練區(qū)域的三維地形、周邊建筑物進(jìn)行搜集，采用LOD層次細(xì)節(jié)優(yōu)化方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。利用三維建模軟件3D MAX對(duì)渠道、建筑物等地物模型進(jìn)行精細(xì)化建模，并將其導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中，并且使用虛幻引擎對(duì)模型在交互上的設(shè)計(jì)、仿真算法和特殊效果的編程開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬、測(cè)試和改進(jìn)，最終形成了防洪演練模擬系統(tǒng)。方案設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

1.2" 架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求與應(yīng)急演練系統(tǒng)的總體特征，本系統(tǒng)分為四個(gè)層次：物理設(shè)備層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和表示層，整體架構(gòu)如圖2所示。

物理設(shè)備層通過(guò)不同的硬件設(shè)備識(shí)別玩家的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的用戶輸入事件；業(yè)務(wù)層用來(lái)處理用戶請(qǐng)求、并將用戶請(qǐng)求傳遞到表示層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體調(diào)度；數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的處理，包括場(chǎng)景中的天氣與時(shí)間、地物模型及貼圖、語(yǔ)音和視頻等流媒體數(shù)據(jù)；事件層是系統(tǒng)的核心部分，將用戶的輸入轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的事件碼，完成場(chǎng)景元素對(duì)用戶的輸入響應(yīng)；最后通過(guò)表示層，展示演練整體場(chǎng)景，包括災(zāi)變場(chǎng)景、應(yīng)急搶險(xiǎn)物資和場(chǎng)景地物模型等內(nèi)容。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖3所示。

1.3" 流程設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案文件要求，險(xiǎn)情處理步驟包括：發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、確定險(xiǎn)情、報(bào)告險(xiǎn)情、應(yīng)急處置和演練結(jié)束。該系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建指引標(biāo)志，使用戶在漫游場(chǎng)景中可以發(fā)現(xiàn)災(zāi)害險(xiǎn)情，能夠自主地識(shí)別險(xiǎn)情，并在進(jìn)一步確定險(xiǎn)情后根據(jù)防控手冊(cè)對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行上報(bào)以及根據(jù)預(yù)案做出處置措施：確認(rèn)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)防控手冊(cè)中該災(zāi)害的判定標(biāo)準(zhǔn)判定事故等級(jí)，將其報(bào)告給上級(jí)，并根據(jù)上級(jí)部門(mén)指示或根據(jù)防控手冊(cè)進(jìn)行處理。該系統(tǒng)利用前后關(guān)聯(lián)的事件邏輯，引導(dǎo)用戶積極地思考險(xiǎn)情處理方式，做出標(biāo)準(zhǔn)化的緊急救援行動(dòng)。搶險(xiǎn)過(guò)程如圖4所示。

具體內(nèi)容如下：

1）發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情階段。暴雨期間，調(diào)度中心工作人員利用監(jiān)控設(shè)備，檢測(cè)到一條交叉河道水位持續(xù)上漲，接近警戒線。安排工程巡查人員到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)情況，并對(duì)容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行緊急處置。

2）確認(rèn)險(xiǎn)情和上報(bào)階段。工程巡查人員到現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)交叉河流水流湍急，并且持續(xù)上升。通過(guò)電話上報(bào)的方式報(bào)告險(xiǎn)情，并請(qǐng)求相關(guān)搶險(xiǎn)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行險(xiǎn)情搶護(hù)。

3）應(yīng)急處置階段。根據(jù)《防汛搶險(xiǎn)技術(shù)手冊(cè)》，對(duì)渠堤堤頂進(jìn)行加高防護(hù)，采用沙袋土工膜構(gòu)筑防洪子堤。

4）演練結(jié)束階段。險(xiǎn)情處理完畢后，由水質(zhì)監(jiān)測(cè)員檢查渠道水的質(zhì)量，確認(rèn)渠道水質(zhì)達(dá)標(biāo)，險(xiǎn)情解除。

2" 演練場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.1" 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具

基于VR技術(shù)的南水北調(diào)防汛演練虛擬仿真系統(tǒng)使用虛幻引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行三維防汛演練平臺(tái)開(kāi)發(fā)，使用HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡以及配套的移動(dòng)式手柄，結(jié)合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信息，以第一視角參加防汛演練的全過(guò)程。

2.2" 洪澇三維場(chǎng)景構(gòu)建

本系統(tǒng)創(chuàng)建河道流域防汛演練場(chǎng)景，利用3D MAX軟件建模制作交叉建筑物、渠道和植物等場(chǎng)景進(jìn)行建模。對(duì)模型的精簡(jiǎn)采用了Unreal Engine中的LOD（Levels of Detail）技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建具有不同細(xì)節(jié)特征的三維模型集合，多角度還原對(duì)場(chǎng)景的觀測(cè)。實(shí)現(xiàn)多分辨率、多層次的復(fù)雜模型細(xì)節(jié)建模，對(duì)三維場(chǎng)景的渲染進(jìn)行優(yōu)化。

防洪演練系統(tǒng)以河南省輝縣市某交叉河流區(qū)域作為參考，根據(jù)實(shí)地勘察的地形地貌，對(duì)演練區(qū)域的地物模型進(jìn)行構(gòu)建，使用Unreal Engine中的地形構(gòu)建工具，構(gòu)建三維地形。合理的地形材質(zhì)是增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)感的有效方法，以地形斜率自動(dòng)賦予地形材質(zhì)信息，并且在兩種材質(zhì)中通過(guò)插值節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)地形自適應(yīng)材質(zhì)。以AutoCAD圖紙數(shù)據(jù)，使用3D MAX三維建模軟件對(duì)河流交叉建筑物進(jìn)行1：1精細(xì)建模，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集紋理貼圖，進(jìn)行平鋪無(wú)縫處理。為了豐富場(chǎng)景內(nèi)容，利用3D MAX軟件構(gòu)建三維植物模型的LOD集合，使用Unreal Engine中的PCG方法，對(duì)演練區(qū)域內(nèi)的植物道路等場(chǎng)景元素進(jìn)行構(gòu)建。場(chǎng)景效果如圖5所示。

2.3" 基于二維淺水方程的洪水模擬

目前針對(duì)流體的物理模擬方法根據(jù)其離散化技術(shù)分為有網(wǎng)格法和無(wú)網(wǎng)格法，其中無(wú)網(wǎng)格法中主要以光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics， SPH）的研究較為普遍。但基于粒子的方法針對(duì)大規(guī)模流體場(chǎng)景無(wú)法做到實(shí)時(shí)解算。淺水方程（Shallow Water Equation）可以針對(duì)大規(guī)模流體在有限的計(jì)算資源內(nèi)進(jìn)行一定真實(shí)度的仿真渲染[10]。因此，本文采用基于淺水方程的方法對(duì)洪水進(jìn)行仿真模擬。

連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）：

（1）

H表示水深；u和v分別表示水流在x和y方向上的速度分量。

動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒）如下：

1）x方向動(dòng)量方程：

（2）

2）y方向動(dòng)量方程：

（3）

其中，g表示重力加速度，zb表示底部地形高度， 和分別表示底部摩擦力在x和y方向的分量。解算框架如圖6所示。

初始化（第一幀）對(duì)模擬范圍內(nèi)的可交互物體的深度進(jìn)行解算，并且疊加到水面的高度圖中，通過(guò)模擬方程的迭代計(jì)算，得到下一幀的水面高度。將上一幀的水面高度作為解算初始值，進(jìn)行解算。通過(guò)解算出的流體表面高度，將其渲染到場(chǎng)景空間中。

2.4" 搶險(xiǎn)物資構(gòu)建

為了讓使用者更直觀地感受到防洪演習(xí)的全過(guò)程，本項(xiàng)目采用物理模擬的方式構(gòu)造防洪物資，以提升應(yīng)急演練過(guò)程中的真實(shí)性。針對(duì)搶險(xiǎn)物資沙袋進(jìn)行分析，沙袋具有復(fù)雜的形變的特性，適合采用軟體模擬技術(shù)，常見(jiàn)的模擬方法有基于位置動(dòng)力學(xué)的方法。位置動(dòng)力學(xué)方法使用體素化將沙袋根據(jù)形狀轉(zhuǎn)化為粒子群，并為粒子之間添加約束，以來(lái)限制粒子的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到比較好的仿真效果。

防洪演練的涉及的范圍廣，使用的沙袋數(shù)目大，因此使用該方法在沙袋數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)造成非常大的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。因此，根據(jù)搶險(xiǎn)流程需要，對(duì)沙袋的物理特性進(jìn)行分析，一些復(fù)雜的物理特征對(duì)該過(guò)程沒(méi)有很好的增強(qiáng)顯示。采取布料模擬和骨骼結(jié)構(gòu)約束的方法對(duì)沙袋進(jìn)行仿真。使用Unreal的Chaos布料仿真工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)土工膜的物理仿真。采用布料模擬算法結(jié)合骨骼網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沙袋變形及與其他對(duì)象相互作用的模擬。通過(guò)分析沙袋的變形特征以及在防洪搶險(xiǎn)過(guò)程中的特征表現(xiàn)，在防洪沙袋模型中加入骨架和變換約束，可以更好地模擬沙包堆積過(guò)程中的變形，并且計(jì)算簡(jiǎn)便，如圖7所示。

3" 虛擬防汛平臺(tái)交互仿真

虛擬防汛演練平臺(tái)以Unreal Engine進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)，構(gòu)建演練區(qū)域的三維地物模型，以及人物的交互設(shè)計(jì)形成最終的程序，根據(jù)防汛演練的需要，對(duì)角色視角、選擇決策進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

3.1" 角色視角交互設(shè)計(jì)

在演練的開(kāi)始階段，利用用戶的UI界面介紹防洪期間需要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)，以及向用戶展示防汛搶險(xiǎn)物資的正確使用方法和操作規(guī)范，以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件的發(fā)生，為防洪演練做知識(shí)準(zhǔn)備。從而更加有效地融入演練場(chǎng)景中。

3.2" 漫游交互設(shè)計(jì)

根據(jù)劇情需求，推動(dòng)事件的發(fā)展，使用音頻動(dòng)畫(huà)、箭頭指示、文本指引等方法引導(dǎo)用戶的下一階段的行為，如圖8所示。系統(tǒng)根據(jù)不同態(tài)勢(shì)、不同情境下的語(yǔ)音提示，可以有效地指引用戶找到應(yīng)急演練區(qū)域，同時(shí)對(duì)險(xiǎn)情關(guān)鍵因素進(jìn)行高亮顯示，幫助用戶識(shí)別場(chǎng)景中的險(xiǎn)情元素，從而對(duì)險(xiǎn)情做出正確的處置措施。

3.3" 選擇決策交互

根據(jù)演練流程，需要對(duì)事發(fā)區(qū)域的險(xiǎn)情狀況進(jìn)行研判，對(duì)結(jié)果進(jìn)行上報(bào)。對(duì)結(jié)果進(jìn)行上報(bào)時(shí)，使用系統(tǒng)界面對(duì)險(xiǎn)情狀況進(jìn)行選擇。采用題目自動(dòng)匹配的方法，根據(jù)設(shè)置的題干和選項(xiàng)，自動(dòng)適配到與用戶的交互界面中，并根據(jù)用戶選項(xiàng)，將應(yīng)急搶險(xiǎn)物資的預(yù)覽圖呈現(xiàn)給用戶，顯示在用戶的視野內(nèi)。根據(jù)險(xiǎn)情特征選取搶險(xiǎn)物資，并且根據(jù)預(yù)覽圖使用該物資對(duì)搶險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)急處理，防止洪水漫溢污。搶險(xiǎn)人員構(gòu)建渠堤加高防護(hù)過(guò)程中，場(chǎng)景內(nèi)水位超過(guò)警示水位，通過(guò)UI對(duì)洪水易發(fā)生漫溢險(xiǎn)情進(jìn)行提醒，搶險(xiǎn)人員通過(guò)使用沙袋、土工膜等防汛物資進(jìn)行渠堤加高防護(hù)。用戶通過(guò)自主裝配防汛物資填筑防洪子堤，實(shí)現(xiàn)對(duì)干渠的加高防護(hù)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)渠堤的加固過(guò)程，演練完成，如圖9所示。

4" 結(jié)" 論

本文利用UE虛擬現(xiàn)實(shí)引擎開(kāi)發(fā)了南水北調(diào)中線工程虛擬防洪演練系統(tǒng)，等比例還原真實(shí)地理環(huán)境；通過(guò)二維淺水方程模擬真實(shí)洪澇過(guò)程；使用粒子系統(tǒng)構(gòu)建降雨效果，并結(jié)合光照系統(tǒng)增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)感；實(shí)現(xiàn)三種方式上的仿真。輸水工程搶險(xiǎn)人員可以對(duì)極端暴雨下的水流運(yùn)動(dòng)情況以及水流對(duì)輸水邊坡的沖刷及破壞進(jìn)行觀測(cè)，使搶險(xiǎn)人員更好了解洪澇期間輸水工程險(xiǎn)情發(fā)生的過(guò)程，給予搶險(xiǎn)人員極高的自由度。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程的觀測(cè)和模擬，實(shí)現(xiàn)了更真實(shí)、更經(jīng)濟(jì)的防汛演練，沉浸感強(qiáng)、視覺(jué)效果明顯、培訓(xùn)效果明顯，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：施文軍（2000—），男，漢族，河南周口人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；仝曉陽(yáng)（1999—），男，漢族，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；鄭佳琪（2000—），女，漢族，河南開(kāi)封人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)。

收稿日期：2024-08-06