虚拟现实技术在核应急响应训练中的应用研究

李荣君，李 希，张 皓，陈 明

(中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430000)

1 核应急响应的常见训练形式

核应急响应对于在发生核事故后缓解事故造成的后果，减轻事故对环境和公众健康造成的影响具有重要意义，也关乎将来核电事业发展的大局。自1997年国家发布第一部《国家核应急计划(预案)》以来，经过多次修订，于2013年发布了新版《国家核应急预案》，此举标志着我国核应急管理工作的体系化、专业化、规范化、科学化水平的全面提升。

自2009年至今，我国已经举行过2次国家级核事故应急演习。2009年11月10日举行的首次国家核事故应急联合演习“神盾-2009”，采取了三级联动、异地同步、军地联合的方式进行。国家核事故应急协调委员会及其专家咨询组、军队、江苏省各级核应急组织、专业队伍和部分公众、江苏核电有限公司等参加演习，演练了应急启动与报告、事故分析研判、指挥决策及辐射监测、去污洗消、医疗救助、撤离与安置等各项应急行动[1]。

2015年6月26日，我国再次举行“神盾-2015”国家级核应急演习。这次演习是在习近平总书记提出“总体国家安全观”，将核安全纳入国家安全体系、新《国家安全法》出台、新版《国家核应急预案》发布的背景下举行的。演习借鉴了福岛核事故的经验教训，既假设了系统故障，也假设了自然灾害(地震)和内部事件(火灾)的叠加，同时还设想了多机组事故。各参演单位据此制订各自的演习方案，认真开展了事故应对演练[1]。

此外，据不完全统计，2010年以来，在国内有核电的省份进行了十多次省级演习，贴近实战“以演促训”，展现出了注重细节、响应行动贴近实战的特点。

2 虚拟现实技术在核应急响应训练中的必要性与可行性

2.1 传统核应急响应训练的局限性

核应急响应工作最显著的特点是专业性强，其次是协调面广、协同能力要求高。核应急响应训练的目的是突发事故时迅速高效应对，将事故引起的各项损失降至最低。核应急演习能够起到较好的训练作用，但也存在应急演习场地有限、时间短和成本高的局限性问题。

目前，核应急演习大多时间较短，且受制于演习场地和成本，很多响应行动只能以沙盘演练方式进行，演练深度不足，核应急响应的训练效果有限。

2.2 核事故的特点对应急响应训练效果提出更高要求

核应急有着不同于常规应急的特殊性和要求，核辐射防护的要求是核应急响应策略、训练脚本编制、应急响应措施的首要考虑因素。传统应急响应通常采用模拟辐射数据，实时性较差，很多响应行动只能以事先制定的脚本模拟方式进行，训练深度不足，且无法实时模拟事故的演变过程，场景的真实性、完整性不足。“贴近实战、以演促训”的应急演习要求仍存在进一步落实的空间。

2.3 虚拟现实技术的发展为核应急救援领域发展提供技术支撑

虚拟现实(VR)技术是通过软件进行三维建模，来创造出一个虚拟的三维空间，从视觉、听觉、动作感知上实现操作者与虚拟世界的交互，可以让操作者有身临其境的体验。通过操作者的手势等肢体语言，计算机迅速展开运算，把精确的3D场景展现在操作者眼前。

随着VR技术的发展，其应用于核应急救援领域的培训和应急管理成为现实。VR技术将扁平化的数据还原为核事故真实的场景，将各类假想的核事故/事件的场景变成虚拟现实，并有助于解决某些具有危险性的训练场所不可视、不可摸、不可入的问题。使用者能够沉浸式地感受核事故场景，模拟实时辐射扩散情况，并进行应急响应演练。

3 虚拟现实技术在核应急响应训练中的实现方式与内容

中核武汉核电运行技术有限公司针对核应急抢险场景，运用VR技术开发了一套虚拟仿真训练系统，该系统包含了若干典型核事故场景以及对应的救援流程，并将外设VR互动设备与训练实操模块相结合，将VR技术应用到核应急响应训练中进行了积极探索。

3.1 搭建核电厂场景模型

以国内某核电厂为参考对象搭建三维模型，以高精度要求进行三维建模，采用模型贴图和灯光烘焙，与实物场景尽量相符体现真实感，如图1所示。可以使不同类型的受训者根据训练目的，有针对性地了解整个核电厂包括场区和场外的地形结构和建筑位置，更重要的是可以了解建筑内部的结构和布局，熟悉核电厂内的各类通道和路径，应急物资的存放位置等。

受训者可使用VR头盔和手柄等设备以第一人称视角在场景中进行漫游。漫游过程中可选择不同行进方式，改变行进速度，在行走到设备、器具或重要地点时，可拿起物资设备和器具进行详细查看。系统内置各类物资、设备、场景和工器具的说明资料，受训者也可查看相关的图文或视频说明。漫游场景提供导航功能，在导航图的热点位置区域进行快速定位，能够迅速切换到核电厂的不同区域，同时还可以通过“上帝视角”观看整个核电厂的布局。

3.2 3D场景构建与训练流程编辑

3D场景构建与训练流程编辑是本系统的开发重点，以核电厂三维模型为基础进行灵活改造和编辑，将核应急响应策略、训练脚本和应急响应措施融入系统中，同时引入辐射剂量参数，实时模拟事故的演变过程，响应行动贴近实战，开发不同假定事故的核应急响应训练流程，以弥补传统核应急响应训练的不足，提升训练效果。

为实现上述目标，本系统基于国际通用的UE4引擎改造开发了一套3D场景编辑器，可运行于PC端，具备3D模型资源导入、环境设置、动画编辑、流程配置、分析推演等功能。具体功能包括：

1)具备3D模型资源导入、环境设置功能，可生成支撑事故仿真、实操训练及演示培训应用的各类场景，采取场景文件的方式存储，方便管理和调用；

2)可进行动画编辑，在场景中插入编辑好的动画，用于演示学习、增强效果、细节补充等；

3)可实现事故发展流程配置，灵活设置事故类型、修改事故流程场景；

4)具备分析推演功能，设置训练考题，对救援方案推演与验证等。

场景编辑器主界面功能设计上参考主流的三维设计开发软件场景界面编辑器设计。系统主界面布局如图2所示。

图2 场景编辑器主界面示意图Fig.2 The schematic of the main interface of the scene editor

3.3 实现场景模拟的人机交互功能

利用空间定位、环境变化和三维行为的交互完成场景交互、角色及人员之间的协同交互，逐步形成一个完整的交互式核应急虚拟世界。假定各种事故场景，通过专业仿真软件模拟出核事故演变过程，计算辐射扩展范围、速度及剂量值，以此为依据制定核应急响应脚本，在虚拟世界中模拟核事故应急响应流程，涵盖各种状态下的应急响应行动训练。

受训者通过第一人称模式，通过VR交互外设进入到虚拟场景中，利用数据手套或手柄等对VR场景展开互动，用数据手套等设备进行操作，根据脚本完成一系列指定动作，包括行进路线、事项报告、防护装备穿戴、设备/工具操作等，从而完成一个个核应急响应操作，虚拟训练模块架构如图3所示。

图3 训练模块架构Fig.3 The training module architecture

要注意的是，模拟操作中人机交互模式非常繁琐，因此还需要分析受训者在操作工具、与VR场景的互动以及位置移动过程中所形成的效果反馈等多种现象。开发者收集到反馈信息，对核应急虚拟现实场景以及响应脚本进行不断优化。

3.4 实现多台虚拟现实设备协同与多角色协同

系统支持多人联机训练，根据不同级别组织的定位和分工，在虚拟场景中设定多个角色，操作者根据培训目的和需要，进行多台虚拟现实设备协同与多角色协同。允许不同工种、不同权限的人员在同一个抢修事件场景下，各司其职，协作完成训练操作。多人协同训练基于网络协议实现，多台操作终端打开同一个抢修场景后，选择需扮演的角色，登录服务器后，即可在场景中看到接入的其他人的虚拟角色。一个学员的所有操作以及语音信息，均通过VR设备采集，上传到服务器，然后分发到其他学员端，使多个画面中角色的动作、语音同步，系统画面如图4所示。

3.5 实现培训教学与实操训练的双重作用

通过开发教员站，对实操模拟训练过程进行控制，从而实现培训教学的目标。教员站是一套独立的工具软件，运行于PC机上，教员站监视窗口以第三人称全局视角，查看当前救援训练场景中各训练人员虚拟角色的操作，并显示当前救援训练进程，同时可向训练人员发送控制指令，如图5所示。

实操模拟训练模块是在救援训练场景的基础上，利用VR交互外设实现人机互动，在场景浏览器中完成场景中指定的VR交互训练操作。目前国内外VR交互外设市场较为成熟，包含头盔、手套、定位器、位移装置等，通过开发实操模拟训练模块，可实现人员沉浸式浏览、行走移动、姿态捕捉、手势识别、语音、多人交互等功能。

实操训练模块主要功能如下：

1)支持佩戴VR眼镜实现360°沉浸式漫游；

2)支持手势交互，采用VR手套捕捉关节活动，实现双手模拟工具拾取、阀门转动、设备拆卸等操作；

3)支持区域移动，采用位移装置如万向跑步机等，受训人员通过在小面积区域内的移动，实现在虚拟场景中的大范围、多种方式的位移；

4)支持多人联机训练，允许5人在同一场景下协作完成训练操作；

5)支持与教员站联动，实现在教员监控下开展训练过程，教员可发送指令并收到受训人员反馈；

6)支持向人机分析模块提供身体姿态数据，采用多个定位器固定在身体不同部位，如头部、四肢、躯干等，捕捉身体姿态数据，用于数据分析等。

4 结论

VR技术具有多感知性、临场感、交互性等特点，可以在各类培训过程中形成一个与实际工作环境相同的虚拟环境，并可与虚拟世界产生交互，在虚拟环境中进行实践操作和技能培训。将VR技术与核应急响应的要求和目标结合起来，开发核应急响应的虚拟培训平台，能有效增强核应急响应教学与演习的效果，提高培训与实际工作的一致性。下一步,将针对具体的核应急响应训练目的，开发功能性的虚拟现实训练平台，并通过训练和演习实践，不断对核应急响应体系进行补充和完善。