基于虚拟现实的危险品道路运输事故应急处置推演技术研究

刘宇航

（中国物流信息中心，北京 100045）

0 前言

随着我国社会经济的迅猛发展，带来了公路通车里程和机动车保有量的快速增长，重特大道路运输安全生产事故时有发生。近年来，我国先后发生的陕西包茂高速“8.26”、山西晋济高速 “3.1”及浙江温岭“6.13”等多起危险品重特大道路运输安全事故，给国家相关管理部门应急处置带来了巨大的挑战。事故深度调查分析发现，道路运输驾驶员应急处置能力不强是导致事故发生、蔓延的直接原因之一。

截至2020年底，我国危险品道路运输从业人员数量已达160余万人，当前我国危险品道路运输从业人员培训基本停留在传统书本教材、文件学习和教师面授层面，部分企业内部培训流于形式，造成培训模式单一、层次缺失、参与度低、培训间隙长等问题，从业人员知识与能力难以固化。各地由于安全、场地、成本等因素的限制，危险品道路运输从业人员应急处置培训无法覆盖每位从业人员，且实操技能训练难以贴近实战。

随着虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）、模拟仿真等新技术发展，运用事故情景模拟再现、实景互动体验等方式，逐渐构建起多层次、多模式、内容丰富的危险品道路运输从业人员培训体系，强化安全意识、巩固安全知识，提升危险品道路运输从业人员紧急情况下的应急处置能力成为可能。

1 虚拟现实仿真推演技术

虚拟现实是依托计算机、多媒体、网络、人机交互等技术，融合视、听等多源信息，构建并生成与真实环境高度近似的数字化系统仿真，用户可通过与虚拟世界的交互，体验相对应的现实世界[1]。在实际应用中，虚拟现实技术按照体验感与交互程度可分为四类，如表1所示。

表1 虚拟现实技术分类与特点Tab.1 Systematic characters of virtual reality

仿真推演是利用计算机系统建模仿真等技术方法，针对事先假定的演练背景，结合传统推演的组织形式，模拟事件应急决策及现场处置的过程[2]。虚拟现实推演技术将二者进行有效结合，利用模拟构建的还原场景和事件处置过程，结合嵌入的知识体系，评估发现问题、优化方法流程、促进用户掌握应急方法和技能，提高用户研判和解决问题的能力。

由于虚拟现实仿真推演技术可构建灾害事故发生实际场景，可大幅降低研究、培训等过程中的安全风险，国内外普遍利用该技术对高危或复杂作业进行相关的技术研究与论证。潘卫军等研发基于VR技术的机场应急处置虚拟演练平台，通过定义平台操作流程支持虚拟演练操作[3]。陈超等利用VR技术对地铁火灾场景进行推演模拟，研究人群在此类事故中的逃生情况，以便为应急前置提供优化方案[4]。汤华清基于VR技术开发了面向消防领域的应急救援指挥训练系统，可实现对事故场景视、听、味多感官沉浸式仿真，为受训者提供训练和考核的新模式[5]。基于VR的仿真推演训练系统平台在上述领域已有应用，但在危险品道路运输应急处置领域的有关研究及成果仍十分缺乏。

2 应急处置推演技术方法

2.1 知识体系搭建

以典型危险品道路运输安全事故情景演化过程为主线，按照“问题特征-知识节点”逻辑关系，面向事故节点刻画应急处置问题特征。将事故蔓延发展过程可划分为n个事故重要节点，每个事故节点具有典型问题特征，可对典型事故特征进行知识表示，结合应急预案、专项指南及历史经验的应急处置技术，提出面向事故节点的涵盖背景、应急措施与措施实施效果等多要素的应急救援方案，从而建立形成“事故节点-应急知识”的应急处置知识基础库，“事故节点-应急知识”映射框架如图1所示。

图1 “事故节点-应急知识”映射框架Fig.1 Mapping framework of incident node-emergency disposal knowledge

以各典型场景应急知识库为基础，深入分析、总结、凝练应急知识要点，基于事故损害蔓延逻辑模型划分知识节点方法，明确针对各类事故类型的应急救援技术方案要素，并对框架中应急处置问题特征进行细化。背景应明确事故场景、装备情况、人员职责等；应急处置措施则强调技术操作方案，涵盖初始响应、应急处置、控制、清理等具体工作过程、所需工具和操作要求；方案措施效果包括上述每种方案的实施效果与影响，具体表现为操作适用性、实施次序等。

2.2 虚拟仿真场景构建

仿真虚拟场景是典型危险品道路运输事故应急推演的重要载体，可通过高度还原虚拟环境理解事故场景特征，对场景中相关的各类对象进行静动态属性定义，使得应急推演仿真技术达到较为逼真的效果。虚拟场景构建框架见图2。

图2 虚拟场景构建框架Fig.2 Systematic characters of virtual reality

2.2.1 三维场景静态建模

构建面向典型事故特征的静态仿真场景需对地域环境、道路条件、涉事车辆、人员及应急工具等要素进行三维静态建模，通过调研、地理信息系统等方式，获取地形地貌、交通基础设施等在内的各类场景对象特征与真实建模数据，并基于计算机三维建模与渲染技术对虚拟场景中对象进行静态建模，构建场景对象模型库。针对场景中“人、车辆、应急工具”等对象应急处置的特点，对重要对象采用特征化网格表面模型、网格实体模型等方法，针对可交互的应急工具进行骨骼分割，可满足场景动态应用。再通过对所属各对象的要素特征模型进行编辑与整合，并对危险品车辆各部分材质等对象细节特征属性进行定义，最终建立搭建虚拟场景所需的全部对象的独立三维静态模型。

2.2.2 场景特征动态仿真

事故虚拟场景中人、车辆、应急工具等对象，以及烟雾浓度、火焰效果等灾害表现特征经常呈现时空动态变化的特点，在虚拟场景构建中需对此类对象赋予动态属性。本文以应急处置过程为主线，基于Unity3D虚拟场景开发系统构建面向典型危险品道路运输事故蔓延的动态虚拟场景，利用系统资源包及导入的对象三维静态模型，构建场景，编辑天气、灯光等环境要素，通过粒子系统定义烟、水、雾等灾害特征参数，实现对事故进展的真实反映。根据系统特点，基于C#语言编制添加对象脚本，将其定义至对象并设置初始参数，经过调试优化，最终构建典型事故虚拟视听动态场景。

2.3 场景-知识匹配集成

基于图示训练法，以应急救援过程为主线，在Unity3D系统中将应急知识库以计算机语言进行表达解析，并与虚拟仿真场景中相应对象进行匹配，实现面向应急处置过程的问题特征要素对各节点的知识属性嵌入，形成了科学、规范、完整、高度精炼化、体系化的虚拟仿真场景应急知识结构。

3 危险品道路运输事故应急推演模拟

3.1 典型危险场景应急知识库构建

基于行业相关统计数据，梳理危险品道路运输典型事故类型。针对危险品道路运输最常出现的起火、爆炸、碰撞、泄漏、坠落、爆胎、侧翻及车辆故障等典型事故特点[6]，如图3所示，建立以环境条件、现场施救措施、损害情况等多维度的事故损害蔓延逻辑模型，通过建立对象泄漏扩散、起火燃烧等数学模型，厘清事故特征发展规律，结合危险品道路运输安全事故的专项应急预案的处置措施，总结面向各类典型事故的驾驶员、押运员、应急处置方法技术，形成面向危险品道路运输典型事故场景的应急知识要点。系统在8类场景基础上，基于事故特征与应急处置特点对部分场景进行了细化，并对虚拟仿真场景与应急知识库进行了针对性地开发与设计，面向培训与演练实际需求，将安全知识、安全习惯、安全意识、安全技能、安全生理及安全心理组合成完整的训练方法。

图3 危险品道路运输典型事故场景Fig.3 Conclusive scenario of dangerous goods highway transportation

3.2 危险品泄漏事故全过程推演系统平台

以危险品罐车泄漏事故为例，按照危险品泄漏扩散事故损伤蔓延逻辑模型将核心应急处置过程划分为5个重要节点，基于人、车、路、环境等要素对每个节点属性进行定义，并将应急知识库中对应的知识作为考核或培训内容予以嵌入，形成基于过程的“事故节点-应急知识”应急知识库，见图4。

图4 危险品泄漏事故过程节点划分Fig.4 Node dividing of process for dangerous goods leakage

基于前述系统平台构建方法，平台针对运输过程中危险品泄漏事故，首先基于对象特征数据，构建了道路、车辆、人员等对象静态模型，在系统中进行正确排列，并对车道标线、车身涂装等对象细节予以还原刻画。其次，通过编制系统脚本语言，对场景中对象移动、人员操作、液体泄漏等动态特征进行属性参数设定，嵌入各节点知识，实现事故推演与内容表达精准匹配。最后，系统对泄漏引发的起火后果进行了粒子特征编辑，通过定义火焰变化，直观再现火灾等事故灾害特征，方便理解事故演化规律。综上，完成了危险品泄漏场景的虚拟仿真场景构建，效果如图5所示。

图5 系统平台危险品泄漏事故场景Fig.5 Scenario for dangerous goods leakage in emergency disposal education system

系统平台涵盖车辆安全检查、车辆停驶处置、现场应急处置、逃生脱险方法、事故报告与协助等5个重点科目，全面、系统地引导从业人员学习，综合评价学员应急知识与处置能力水平。

借助该系统平台可实现应急知识体系由文字化到移动化、平台化、可视化、智慧化和可跟踪化的转变。针对各类事故应急救援知识节点，形成要点解析内容，制定属性、量化相结合的评价指标，综合提出了规范处置各种突发事件与从业人员心智技能的测试方法与评价指标体系。同时，系统平台对交互功能与各类外界装备留有接口，具备沉浸式、增强式虚拟现实仿真环境构建能力。

4 结语

加强危险品道路运输从业人员应急处置技术培训，可提升从业人员安全意识与应急技能。基于此，结合虚拟现实仿真模拟新技术，以8类典型危险品道路运输安全事故情景演化过程为主线，研究提出“事故节点-应急知识”的应急处置推演知识体系，构建基于虚拟现实的危险品道路运输事故静动态情景库，形成一套危险品道路运输应急处置推演技术方法。以危险品泄漏事故为例，利用Unity3D系统匹配集成知识体系与应急情景库构建了危险品泄漏事故场景应急推演技术全过程，可实现道路运输从业人员沉浸式的事故应急处置培训、考核与演练，提升危险品道路运输从业人员事故应急处置能力，有效遏制事故态势扩大，最大程度减少事故损失。