基于三维虚拟现实技术的重特大事故情景构建仿真

2020-01-16吴建其

电子技术与软件工程 2019年21期

文/吴建其

1 引言

根据2018年《中国20年特大事故大数据分析报告》，从1997年到2017年，我国平均每年要发生8起特别重大事故，直接经济损失累计超百亿，死亡人数共十万左右。大量的事故统计与分析表明，做好重特大事故应急预案与应急演练研究，对于减少人民群众生命财产损失具有重要意义。重特大事故应急演练中，情景构建是比较基础的一环，是“底线思维”在应急管理领域的实现与应用，“从最坏处准备，争取最好的结果”。2012年，北京市应急办率先在国内开展了巨灾情景构建工作，探索了地方政府应急情景构建的标准化模式，随后一年，国家安全生产应急救援指挥中心、中石油、中石化、中海油、天津市安监局开展了石油石化行业的重大突发事件情景构建研究。目前，关于巨灾与重特大事故情景构建的研究在不断深化，重特大事故情景构建可以借助计算机信息化手段来实现应急预案与模拟演练的可视化、智能化。

2 技术路线初探

重特大事故情景构建，需结合重特大历史案例研究、工程技术模拟、全景式描述，开展应急任务分解和应急能力建设，完善应急预案、指导应急演练，最终实现应急准备能力的提升。一方面，基于情景构建的应急预案编制路径，推动应急预案由“纸预案”向“活预案、动预案”转化；一方面，利用计算机三维虚拟现实（VR）技术，通过数据模型分析、事故与灾害态势的情景仿真，提升“专题研讨、桌面演练、技术演练、功能演练、综合演练”的综合效能。

重特大事故情景构建有三个因素：风险分析、任务分解、能力建设。风险分析，根据重特大事故事件演化规律、事件灾难后果，分析出需要情景展现的内容；任务分解，根据划分情景响应阶段，对形成的情景任务列表形成情景任务清单；能力建设，根据情景任务所需能力，评估既有情景构建能力，完善情景构建能力。

对情景构建的响应阶段、任务、展现内容，通过计算机三维虚拟现实仿真技术，应用到应急模拟演练。仿真技术的情景构建方法：获取原始重特大事故案例，结合案例事件，进行聚类处理和分级处理，生成情景事件，将多个情景事件按照重特大事故案例特征、任务分解内容构建情景矩阵；获取演练目标的环境，如危险源和影响因素，在情景矩阵中匹配对应的情景事件，结合这些影响因素，构建突发事件情景。实现应急预案管理电子化、可视化，结合实际演练目标数据进行归档、研究、校验；实现基于虚拟现实仿真技术的应急模拟演练，将突发事件情景采用高清晰高画质有立体观感的场景动画形式进行演示，有效提高演练效果，便于对每个演练人员进行演练成效的评估和指导。

运用计算机三维虚拟现实技术重难点分析。重特大事故牵涉面广，具有演化复杂不确定性以及巨大危害性等特性，次级灾害事故演化趋势大小不同，存在事件链交叉，预案方案构成因素多，因此，计算机模拟仿真的对象面存在范围广，有许多特殊环境难以模拟，而且要根据事故的不断演进而产生，难度大，但可从任务分解的矩阵分析中逐步细化去解决难点问题，分解成多个情景构建方案来组合。

3 应用方向与功能

重特大事故应急演练情景构建，复杂度高，需要投入大量的人力、物力、财力。为了降低演练与构建成本、增加应急方案的执行经验、及时查出应急预案中的不足，通过建设重特大事故模拟演练系统来解决一些问题，综合使用虚拟仿真交互技术、网络技术、数据库技术、大数据分析技术、人工智能技术，对各类型异构数据与技术的汇集、重构、计算分析，具有低耦合、高扩展性与灵活性的特点。系统实现对重特大事故中各类灾害数值模拟和人员行为数值模拟的仿真，在虚拟空间中仿真灾害发生、发展的过程，以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应；系统技术应用方向，即在演练平台上，在最大限度仿真实际灾害的条件下，开展应急演练情景构建。通过广域网和局域网把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员联系起来，并在虚拟环境中实现分布式情景构建、模拟仿真、指挥调度、联机交互。

3.1 情景仿真

在重特大事故模拟演练系统的平台上集成关联业务系统数据，如应急预案、灾害防治方法、抢险救护方案等。分析重特大事故案例，梳理各事故的情景任务与矩阵，调用数据库内的预设场景参数和实时场景参数，结合预案，仿真场景，模拟灾害发生时的场景和发展态势、人员到达,物资调度和应对措施。实现根据演练目的、主题，筛选案例库，并依据演练规模进行动态编排，案例库存储了大量素材、数字化要素数据，结合要演练情景，对地震水灾、台风、洪涝等自然灾害和安全生产等事故进行快速情景模拟构建。

对实体城市、重特大事故对象目标三维仿真建模，如大型建筑群、重要工业目标和园区。采用高清晰度技术再现，建模效果细腻，部分场景可精细到电灯开关、阀门和人物体等等。事故模型，模拟各种安全生产与自然灾害事故，危化品泄漏、火灾水灾、爆炸、人员伤亡、天气变化等。

图1：三维虚拟现实情景仿真示意图

3.2 态势推演

情景仿真，可结合GIS态势推演，三维可视化交互地理信息交互，以二三维一体化地理信息、地形地貌、地物要点、进行宏观态势分析，结合数据模型，分析烟羽、有害气体扩散、危化品爆炸范围。以军事标图形式部署专业行动，进行态势图标绘推演、综合查询，结合实际情况，深度开发联网标图、无人机三维倾斜摄影、实时视频防控、智慧消防救援、公安接处警、武警反恐防爆、交通事故热点路况查询等功能。实现情景结合态势推演，展开对重特大事故“一张图”上看宏观布局、决策点、“一幅画”上看场景、情节、行动要素。深度开展应急演练的情景想定、事故模拟，包括大小事故发生、演进、应急响应、处置行动、结束的不同阶段组合。事故情景态势变化可动态保存、便于复盘推演。

3.3 指挥协同

请求决策信息数据,包括装备资源库、道路信息库，GIS数据库、动态预案，通过协同指挥演练，将情景动态延伸到数据结合点，改善各应急部门、机构、人员之间的协调；增强公众应对突发重大事故救援的信心和应急意识；进一步明确应急人员各自的岗位与职责；提高各级预案之间的协调性；提高整体应急反应能力等。

实现大屏幕多屏协同，指挥大厅导调、指挥调度、处置、评估等席位系统联动展示；实现多人联机互动，增加演练的趣味性和挑战性，可大大的提高参演者或受训者的兴趣。实现演练人员自助漫游，自助切换场景和视角，给人以身临其境的真实感觉。第三人称跟随漫游是由指挥员的视角自动跟随角色人物、车辆的视角转换，跟踪事态发展自动进行场景画面切换。

4 应用优势

重特大事故情景构建为中大型安全生产、有重大灾害隐患发生的重要单位的应急准备工作提供了清晰、确切的方向和目标。通过“情景”引领和整合，使应急管理中规划、预案和演练三大主体工作在目标和方向上能够保持一致，应用三维虚拟现实仿真技术，可提高对突发重特大事件实施有效的预防、准备、响应和恢复的应急准备与应急响应能力。由于虚拟现实技术具备交互性、沉浸感、想象力等特征，能够按照用户想象快速设置或改变演练场景的同时，在虚拟场景中给各类演练角色以沉浸感、交互式真实体验，通过重特大事故灾情态势的情景构建模拟、防护救援与应急处置行动模拟，结合指挥调度与流程控制、综合评估考核，达到“集约演练、实景参演、动态推演、精准评估”要求，对应急准备规划、应急预案管理和应急培训演练等系列应急管理工作、实践也具有不可或缺的支撑和指导作用。