核事故医学应急救援模拟训练系统设计

李珂娴，王海军，陈 伟，罗 群，何 颖

近年来，我国核能源事业发展迅猛，在造福人民的同时也增加了事故的隐患。核事故是指大型核设施，如核燃料生产厂、核反应堆、核电厂、核动力舰船等发生的意外事件，可能造成现场人员受到放射损伤和放射性污染。严重时，放射性物质泄漏并污染周围环境，对公众健康造成危害。及时有效的组织现场急救和后援支持，可最大限度的减轻核事故造成的影响和后果，保障公民的健康和安全。然而核事故现场难模拟，医学救援训练组织实施困难。近年来，基于虚拟现实和增强现实等技术的模拟训练系统方兴未艾，为现场环境无法还原、实战化训练难以实施的各种演练情况，提供了新的训练评估手段[1-8]。

1 需求分析

核事故情况下，伤员伤情复杂，救援流程复杂，技术要求高，过量的内外照射对人体危害严重[9-12]。因此，相关人员只有在平时进行充分有效的训练准备，才能在核事故时迅速、高效、圆满的完成医学应急救援任务，最大限度地减少事故对人员造成的危害。然而，目前在核事故医学应急救援训练存在一些不足：一是核事故现场环境难模拟，二是训练组织实施困难，三是伤情模拟不逼真。基于上述问题，进行了核事故现场医学应急救援模拟训练系统的开发。

2 系统设计

2.1 整体架构系统应用于不同核事故等级下的医学应急救援流程训练，通过建模仿真、虚拟现实、预案要素定制等技术手段推演预案情景，演练应急过程，进行救援训练和效果评估，以提高各级医学应急人员的应急响应与处置能力。医学应急救援模拟训练可分为三个阶段：训练准备阶段、训练实施阶段和训练评估阶段，具体如图1所示。

图1 功能组成

图 3 基础设置

2.2 使用人员系统可模拟两种情况下的核应急医学救援，第一种情况是：核设施发生故障核辐射剂量升高，相邻场所正常，指挥人员下达抢修命令，核防护人员监测核设施剂量，抢修人员进入故障场所进行抢修，受到照射出现伤员。第二种情况是核设施发生故障，相邻场所或全部场所核辐射剂量均升高，并由于核设施故障，引起起火、爆炸等情况，出现烧烫伤、炸伤、放射性损伤以及复合伤等伤员。系统使用对象主要为涉核工作人员，包括核与辐射安全工程技术人员、核与辐射监测工程技术人员、核医学科医生等。系统可参与训练的人员角色包括导调员1名、指挥员1名、医护人员1～2名、兼职卫生员1～2名、剂量人员1～2名、普通人员2～4名，人员可以分批次参与训练。

2.3 使用模式系统训练客户端提供三种使用模式：学习模式、训练模式和考核模式。

2.4 开发工具Unity3d游戏引擎目前以智能化界面设计、可视化编程、高效脚本编辑、跨平台性等优势被广泛的应用于虚拟实现项目开发，是VR、AR最主流的开发引擎。Visual Studio编程工具在脚本编辑方面有着显著优势，比如便捷直观的代码编写环境、跨平台、可扩展插件丰富、运行速度快等，因此，本系统开发采用Visual Studio进行代码编程。系统考虑处理速度、安全性等需求，故使用Oracle进行数据库开发。

2.5 流程设计核事故医学应急救援模拟训练系统对核事故医学救援典型过程，如核事故应急待命、核事故应急以及核事故伤员搜救、检伤分类、现场医学救治、伤员洗消去污等进行建模，按训练流程分为以下阶段：

2.5.1 训练准备阶段训练准备阶段主要完成模型装配、基础设置、场景部署和指标设计等工作，这是模拟训练的基础，通过此操作可将训练数据初始化，并设定训练情景。

2.5.2 训练实施阶段训练实施阶段是模拟训练的核心部分，救援流程分系统主要完成核事故发生模拟，伤员生成模拟，受训人员交互操作模拟，指挥员下达指令、卫生防护部门主任下发指令模拟，救护组、急救组、去污组、搬运组分别开展搜救伤员、检伤分类、现场救治、人员剂量检测、洗消去污、救治后送等流程模拟。

2.5.3 训练评估阶段训练评估阶段是模拟训练的重要组成部分，系统通过对全过程数据的记录与分析，生成考评结果，给出评估结论，辅助决策人员和受训人员发现问题，优化 预案。

2.5.4 按业务流程分（1）应急待命。出现可能危及核设施安全的工况或事件的状态。①最高指挥员下达应急待命命令。②医生按预案做好抢救伤员的药品、器材等准备工作，迅速采取措施缓解事故可能对人员的影响，并开展潜在影响评估；组织全员服用碘化钾片；做好个人防护，包括穿戴个人防护装具（防护服，戴防护面具或口罩、手套），佩带个人剂量报警装置和（或）热释光剂量计等。③卫生处根据核事故应急指挥部命令，通知医院和二级救治机构做好相关医学救援和应急卫生防护准备。（2）场所内应急。放射性物质已经或者可能即将释放，但实际或预期的辐射后果仅限于场所内的状态。①最高指挥员下达场所内应急命令。②医生迅速采取行动保护现场人员，执行救护任务组织并指导受照人员服用抗辐射药物；按预案开设临时救护所；组织全员开展自救互救，搜寻伤员，并将伤员转移到相对安全的场所；对伤员进行检伤分类，实施紧急救治；获取和估算人员受照剂量；对放射性核污染伤员进行洗消去污。③通知医院和二级救治力量做好场外采取医学应急行动准备。

2.6 硬件组成系统硬件主要包括模型装配与导调类设备、沉浸式训练类设备、观摩讲评类设备。（1）模型装配导调设备：处理器I7 6700，显卡GtX1080（4G），8 G内存，240 G固态硬盘，43寸以上多点红外触控。（2）沉浸式训练设备：包括空间定位设备、背负式计算机和数据手套。（3）空间定位设备：定位精度：1 mm；支持节点数：>10；扩展范围：>10 m核10 m。（4）背负式计算机：因特尔处理器i76700HQ；独显960英伟达GTX；内存：16 G；硬盘：SSD 256G；重量：4 kg。（5）数据手套：黑色合成弹力纤维、基于纤维光学、共14 个传感器、每个手指2个传感器，一个测量、指节另一个测量第一个关节。（6）观摩讲评设备：高于800 nit，视角160度，P1.6间距，8 m×2 m，三通道输入。

2.7 系统功能总体建设思路是：采用可扩展流程架构和组件化仿真模型框架，配套相应的模型、数据、开发指导规范等体系，结合建模仿真技术、虚拟现实技术、模拟器技术，为核事故医学应急救援模拟训练系统运行、扩展提供优秀的支撑。

2.7.1 训练准备（1）核事故三维环境建模：利用三维可视化技术，结合核事故常发生场所特点，构建逼真的三维训练环境，包括地形地貌、工事建筑、设备仪器、伤员以及天气气候等，为训练人员提供高沉浸、高逼真的可视化战场环境，提高训练人员的在核事故险地环境的真实感和融入感，系统险地环境可模拟核相关设施如核电站等。（2）模型装配：实现训练模型的设置功能，包括训练涉及到的环境模型、特效模型、环境模型、设备模型、伤员模型、扩散模型、人物模型等。如图2所示。（3）基础设置：提供训练基础设置功能，包括作业环境设置、作业时间设置、作业区域选择等。如图3所示。（4）场景部署：将实体模型部署到所选场景中，通过拖拽的方式精确部署到指定位置，并实现对模型参数的二次维护。如图4所示。（5）指标设计：实现对训练过程中评估指标的设计，包括响应时间设置、操作选项设置、提示信息设置、考核权重设置等。

图2 模型装配

图4 场景部署

2.7.2 训练实施（1）桌面式训练：①桌面学习：通过触摸互动的方式，对核事故医学救援流程进行系统学习。包括流程学习、设备互动、帮助提示等功能。②交互训练：针对典型流程，通过触摸交互的方式进行操作训练，为沉浸式训练提供准备。功能包括器材使用、流程选择等。③考核评估：通过触摸交互的方式进行考核评估。功能有答卷设置、类型选择、难易选择、操作提示等。如图5所示。（2）沉浸式训练：①导调控制：导调控制由导调人员完成对训练全过程的控制工作。包括训练的启动、暂停和结束，训练中的过程干预，以及训练过程中的消息传输等。②救援训练：针对典型流程，进行沉浸式操作训练。功能包括器材使用、流程选择等。③场外观摩：将实体模型部署到所选场景中，通过LED显示屏将救援训练过程实时显示，供场外人员观摩及学习。④实时监控：实现对训练过程中对参训者全数据的实时显示，包括训练时长、道具选择、操作步骤、数据指标等。如图6所示： （3）场外观摩：将实体模型部署到所选场景中，通过LED大屏将救治训练过程实时显示，供场外人员现场观摩和学习。（4）实时监控：实现对训练过程中对参训者全数据的实时显示，包括训练时长、道具选择、操作步骤、数据指标等。

图5 桌面式训练

图6 沉浸式训练

2.7.3 训练评估（1）演练回放：现训练过程复盘和回放功 能，具体包括加载回放文件、播放、暂停功能，以及实现过程中辅助信息的显示隐藏功能。如图7所示。（2）分析评估：将训练过程数据进行整合分析，并用直观的界面呈现，辅助指挥决策人员和参训者进行总结分析。分析评估模块包括救援流程是否正确、伤情救治方法是否正确、涉核伤员洗消方式方法是否正确等功能。如图8所示。

图7 演练回放

图8 分析评估

2.7.4 综合管理（1）资源管理：资源管理包括对模拟训练的过程资源进行管理操作，包括模型管理、任务管理和数据管理。（2）角色管理：对系统使用角色进行管理，包括角色维护、权限管理等功能，如图9所示。

图9 角色管理

3 应用效果

第三方权威测试机构中国电子科技集团公司第三十二研究所依据项目技术要求，对本系统的功能、性能等做了详细的测试，系统同时在涉核单位进行了推广应用。系统测试应用结果为：系统通过组件化建模模拟流程训练、救治训练和洗消训练中的仿真实体，同一时间段内可支持不少于10人，不同岗位人员的核事故救援流程，伤员搬运、诊断分类后送、应急洗消、现场医学救治等模拟操作训练；训练场景可灵活编辑，情景可供导调人员自由设置；系统训练环境安全可靠，能够模拟战场环境和训练过程，实战感强；用户可以快速搭建虚拟作战场景，系统可扩展性强、应用范围广；系统对场地要求不高，维护简单，推广应用方便。

核事故医学应急救援模拟训练系统目前已试用于某涉核单位，组织了约40名相关人员试用，通过问卷调查显示，99%的使用人员认为该系统具有场景模拟逼真、训练要素全面、组织实施方便、训练效果好等优点，有效解决了现实训练中核事故环境难模拟、训练手段单一，训练不全面不逼真等问题，受到使用单位好评。

4 结 语

本系统不同于其他三防VR训练系统，在传统的VR基础上，构建数字化核事故三维场景，并将环境通过VR头盔传给受训人员，营造逼真的沉浸式事故环境。再通过全身动作捕捉设备将受训人员动作进行采集合成，一比一映射到场景中，实现虚实交互。同时通过导调席位，临机设置突发情况，训练了队员的环境感知能力、队组协同能力和应急处置能力。

系统的实现进一步拓展了受训者对于核事故医学应急救援的教学及训练手段，解决了核事故医学应急救援训练中现场环境模拟度不高、训练组织难、流程要素不齐全、训练效益不高等问题，缩短了训练组织时间，减少了训练器材的消耗，提高了受训者的训练效益。本系统在三维训练环境构建、全身动作捕捉、岗位流程模拟、基础伤情库等建设方面还需进一步的完善，在下一步的工作中将增加三维训练环境，扩充事故发生场所；增加动作捕捉的点位，提高姿态模拟的精准度；增加伤情种类，后续将结合用户的使用需求进行不断改进。