基于虚拟现实技术的核安保突发事件响应桌面推演系统构建

陈晨 刘清 张桂欣 韦明智 陆宏

摘要：核设施核安保突发事件响应桌面推演是指核安保事件响应人员利用沙盘、地图、计算机模拟等辅助手段，依据响应预案对事先假定的演练情景进行交互式讨论并进行响应决策及现场处置的过程。本文运用Unity3D为虚拟现实工具，设计并研发了核安保突发事件响应桌面推演系统。该系统可以实现响应预案的场景编辑、方案配置、方案推演、测绘标注、方案日志、方案分析等功能，更好地满足桌面推演的数字化、可视化、可交互等功能要求，为开展核安保突发事件响应预案的验证、优化，以及培训教学提供了一种新的手段。

关键词：虚拟现实核安保突发事件响应桌面推演

Development of Tabletop Exercise System for Nuclear Security

Contingency Response Based on VR Technology

CHEN Chen1LIU Qing2ZHANG Guixin2WEI Mingzhi2LU Hong1

（1.  State Nuclear Security Technology Center，Beijing，102400 China;2.Shenzhen Newcross Technologies Co.， Ltd.，Shenzhen，Guangdong Province，518057China ）

Abstract：Nuclear security contingency response tabletop exercise refers to the process of interactive discussion， response decision making and on-site disposal on hypothetical scenarios based on the contingency plan by nuclear security response force using sandboxes， maps， computer simulations and other tools. This paper provides Unity3D engine as a virtual reality tool to design and develop a tabletop exercise system， which can be used for scenario editing， configuration， derivation， mapping and labeling， logging， analysis of response plan， and meet the requirements of digitalization， visualization， and interactivity of tabletop exercise better. It provides a new tool to carry out verification and optimization of nuclear security contingency plans， as well as training and teaching.

Key Words：Virtual reality; Nuclear security; Contingency response; Tabletop exercise

核安保是防范核恐怖主義的重要手段，主要目的是保护核材料、放射性物质及核设施安全，防止核材料被盗和非法转移，防止核设施遭受蓄意破坏导致放射性物质释放[1]。为检验核设施应对核安保威胁与挑战的实战化水平，我国自2016年以来已先后举行四次“风暴”系列核安保演练，有效提升了核设施应对核安保事件的实战能力。

随着计算机技术与高性能计算、人机交互技术与设备、计算机网络与通信等科学领域的突破和高速发展，以及军事演练、航空航天、复杂设备研制等重要应用领域的巨大需求，虚拟现实（Virtual Reality，以下简称VR）技术发展迅猛[2]，在多个领域得到了广泛应用，也为核安保演练提供了一种全新的实现方式。虚拟现实技术是指利用计算机生成特定虚拟世界的技术，运用该技术可对参与者直接施加视觉、听觉或触觉感受，并允许其交互地观察和操作虚拟世界[3]。通过虚拟现实技术，核安保演练参演人员可对核设施进行全要素建模，在符合各项真实参数的设施模型中预设多种假想场景，包括在实战演练中无法实现的高危险性场景，不受天气、时间、场地等因素的限制，在短时间内取得大量演练数据，既避免实战演练中仿真器械、设施破拆产生的人力、物力、财力成本消耗，也取得了具有统计意义的高置信水平演练结果，可充分、高效地验证演练预案的可行性与有效性，为科学、高效地进行实兵演练奠定坚实基础。

1 虚拟现实技术的概念、应用与工具

1.1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术以计算机为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视觉、听觉、触觉等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响[3]。

其发展经历了以下几个阶段。1965年，计算机图形学奠基人Ivan Sutherland博士[4]发表题为“The Ultimate Display”的论文，论文中提出，可以将显示器作为观察虚拟世界的窗口，并与虚拟世界进行中的对象进行交互，由此开创了研究虚拟现实的先河。由于技术原因，20世纪80年代以前，VR技术发展较为缓慢，直到80年代后期信息处理的飞速发展促进了VR技术的进步。20世纪90年代以来，VR技术开始成为独立研究开发的领域。

1.2 虚拟现实技术的应用

VR技术综合了计算机图形技术、传感器技术、并行实时计算技术、图像处理与模式识别、系统仿真、人工智能、云计算等多种学科的最新技术，是综合性极强的信息科学技术，目前已在训练演练、展示娱乐、规划设计等多个科学技术领域具有广泛应用。其中，训练演练主要应用于多种危险环境（如核设施[5]、水下设施）、作业对象难以获得（如医疗手术[6]、航天器维修），以及耗费巨大（如军事演练）的行业领域的技术业务训练和演练[7]。

核安保突发事件演练作为核工业与军事训练演练的交叉领域，对于VR技术具有较好的适用性。Jorge Carlos等人[8]运用VR技术搭建了虚拟的核设施，在其中模拟入侵者试图盗窃核材料并逃跑，安装虚拟摄像机监测可疑行为，安装虚拟辐射监测器搜寻隐藏的核材料，以帮助响应人员练习与推演核安保突发事件准备措施与响应程序。Marcio Henrique da Silva等人[9]为保障核设施安全，高效、全面地评估设施地形、区域能见度、响应人员数量、辐射探测设备布置等核设施各项参数，运用VR技术建立真实设施的虚拟模型，作为辅助工具以确定安全策略。韩国核不扩散与控制研究院（KINAC）于2016年开发了VR-NET系统[10]（VR-based Nuclear Education and Training system），主要用于开展核工业高风险事件定制化培训，包括核保障监督、战略材料控制、核法政学以及实物保护等领域，并于2017年将该系统试点应用于核安保突发事件演练，与传统的教育或演练方式相比，基于VR-NET的方式可以获得较高的满意度。

1.3 虚拟现实技术工具Unity3D介绍

Unity3D是丹麦Unity Technologies公司研发的一款面向虚拟现实的应用引擎。该引擎与VT、Quest3D、GLUT等其他三维虚拟现实开发软件相比，在跨平台性能、画面质量、操作难度、兼容性、音响效果等具有明显优势[11]，广泛应用于创建实施渲染的三维动画、三维游戏、可视化建筑等互动性较强的领域。

2 核安保事件响应桌面推演系统的设计

2.1 桌面推演系统的实现方式

本系统用Unity3D引擎来实现，根据系统的功能要求，分别是虚拟场景编辑子系统、模型子系统、角色与骨骼子系统、用户子系统、自适应用户交互界面子系统、粒子特效子系统、二进制文件 IO 流子系统、环境音效子系统、时间控制子系统等。基于这9个子系统，本系统完成相对应的需求逻辑。

下面对这 9 个子系统进行简要介绍。

2.1.1 虚拟场景编辑子系统

虚拟场景编辑子系统提供搭建桌面推演所需的虛拟沙盘，包括提供模型与角色可行走的地面识别、建筑楼层识别等模块。虚拟沙盘来源包括现场1∶1虚拟建模、无人机航拍等方式创建。此外，仍需要创建通用地形数据包，包括树木、障碍物、栅栏、掩体等模型。

2.1.2模型子系统

模型子系统提供桌面推演所需的各种模型，其主要包括人物、车辆、枪械、辅助标记等，如图1所示。

2.1.3角色与骨骼子系统

角色与骨骼子系统主要是将角色模型与标准骨骼绑定，使人物模型均具有相同的基本结构，实现动画重定向功能。该骨骼子系统中的节点控制，具有位移约束和旋转约束等功能，可在动画过程中做出相应的物理效果。

2.1.4用户子系统

用户子系统提供客户端登录的角色信息，管理根据不同的角色信息分配用户可下载的虚拟沙盘、参与桌面推演的人物、车辆模型，实现对登录用户的权限控制与资源分配。

2.1.5自适应用户交互界面子系统

自适应用户交互界面子系统指客户端在不同分辨率的显示器、不同操作系统、不同客户端版本都能动态调整系统交互界面的功能。

用户交互界面子系统提供登录界面、运行界面、角色模型视角、摄像机界面、功能菜单项等五大部分。登录界面提供不同角色登录与获取资源的界面。运行界面包括桌面推演的流程展示界面、角色和车辆模型、粒子、笔记与推演时间的联动展示界面。角色模型视角提供当前角色或车辆的第一视角，用户以此观察周围情况，亦可在场景中自由行走。摄像机视角提供一个虚拟摄像机的视角。功能菜单包括地形加载界面、场景文件保存界面、情景管理界面、时间轴操作界面。自适应用户交互界面子系统如图2所示。

2.1.6粒子特效子系统

粒子特效子系统主要提供爆炸、烟雾、枪械射击等粒子效果，使桌面推演更富表现力，更真实。该子系统不仅提供全面的设置界面，与时间轴的联动功能，同时还保障系统运行的效率。

2.1.7二进制文件IO流子系统

二进制文件 IO 流子系统为本系统提供安全、高效、稳定的文件存储、传输的功能。在本推演系统中，提供用户下载地形、保存场景文件、管理情景方案等功能。

2.1.8环境音效子系统

该子系统中，为场景主视角添加AudioListener组件，激活声音功能。AudioSouce组件可设置提供声音或音效的来源、大小，传播与衰减参数。在本推演系统，音效包括粒子爆炸音效、枪械射击音效、角色移动音效、车辆行驶音效等。

2.1.9时间控制子系统

时间控制子系统提供真实时间来源，时间来自于管理员端，时间不受客户端运行影响，使客户端有良好的时间移动。在本推演系统中，在已经绑定时间信息的角色与车辆移动、粒子播放控制、笔记显示控制等情况下，接收来自客户端的时间戳，以毫秒级运算本推演系统。同时，该子系统还提供时间轴播放快进快退、倍速播放等功能。时间控制子系统如图3所示。

2.2 桌面推演系统的功能模块

桌面推演系统的功能模块包括客户端、场景编辑、测绘标注、方案分析、方案配置、方案推演、方案日志等。桌面推演系统的功能模块分析如图4、表1所示。

2.3 桌面推演系统的使用方式与预期效果

基于虚拟现实技术的核安保突发事件响应桌面推演系统，主要通过以下3种方式进行运用。

2.3.1 突发事件响应预案推演

根据核设施设计基准威胁，基于设施实际设备参数进行真实场景建模，针对各种事件场景，对已初步制定的核安保突发事件响应预案进行推演和验证。通过取得大量具有统计意义的推演结果样本，对不合理的响应流程、兵力与设备配置进行优化，最终得到最佳响应预案。

2.3.2 突发事件演练培训

对参与演练预案编写、演练指挥，以及一线响应的各类人员进行培训。通过使用本系统，将已优化预案文本转化为逼真的演练场景和可视化、可交互的数据参数，有助于各级参演人员明确核设施要害部位、熟悉响应任务与路径，磨合部门联动，强化了培训效果，有效降低使用实兵进行推演所花费的时间、经费及安全成本。

2.3.3 突发事件辅助作战指挥

通过使用本系统，将核安保突发事件现场情况快速还原，有助于决策者获得全局观，对突发事件的整体动态具有清晰的感知，从而辅助决策者对兵力部署、应对策略、物资管控等方面做出正确决策。

3 核安保事件响应桌面推演系统的总体流程设计

本项目开发的目标主要是以任意地形或情节为基础，展开红蓝方对抗的方案推演，以检验并完善对抗方案的可行性，对学员培训、预案优化起到重要作用，且对实兵对抗提供参考、辅助作用。

本项目的流程主要分为6个步骤：场景编辑、方案配置、方案推演、方案日志、测绘标注和方案分析。在方案推演的过程中，需要红方、蓝方、中立方指挥员，另外还包括作战士兵、多种常见装载工具以及常规障碍物。桌面推演系统功能实施流程如图5所示，整个推演依据该流程进行。

下面分别描述这6个步骤。

3.1 场景编辑

该功能是编辑本次推演的场景，从现场1∶1虚拟建模、无人机航拍等方式创建地形，进而编辑实体可行走路面及建筑楼层识别，打包封装成二进制流文件，供用户访问。涉及的技术点包括多样化的建模方式、安全高效的文件流加载等。

3.2 方案配置

该功能由红方、蓝方、中立方指挥员设置并验证对应的对抗方案，是指士兵、载具等实体的移动路径、作战信息、载具装载信息、障碍物等多种元素组合而成的对抗方案。其中，实体移动的位点设置不同的作战命令、实体行为动作树等命令参数。涉及的技术点包括位点与位点之间的地形识别、实体行为动作树的自然过渡、实体作战策略等。

3.3 方案推演

红方、蓝方、中立方设置完对应的对抗方案后进入方案推演。该功能将场景中实体、载具、笔记、障碍物、粒子等执行事件与时间绑定，指定时间推演指定行为，且按照一定速度播放，实现播放、暂停、快进、快退等功能。涉及的技术点包括不受客户端性能影响的时间参数、多实体参与推演的性能保障等。

3.4 方案日志

在方案推演的过程中，需要设置推演笔记、位点备注、方案日志等多种方法辅助方案的推演工作，让用户更清晰直观地了解当前方案推演的内容。

3.5 测绘标注

该功能模块提供一个可以设置参数的虚拟摄像机、两点之间测量距离、实体视野、显隐等众多模块，在方案推演或方案配置的过程中起辅助指导作用。涉及的技术点包括设置虚拟摄像机的光感元器件、焦距、水平、竖直视场角、安装高度等模拟参数、测距或视野依据地形或建筑动态计算等。

3.6 方案分析

方案推演结束后进行方案分析。分析的内容包括红方、蓝方对抗的推演结果，中立方在本次推演中起到的职责，针对本次推演中的枪械攻击部分进行射击有效性分析，针对红方或蓝方的薄弱项进行重点分析。生成场景推演报告，决策领导和专家进行评估处理，总结经验，对相关薄弱项进行优化。

4 结语

伴随着我国核能产业持续较快增长，截至2021年9月，我国核能发电总装机容量已位列全球第三位，在运核电机组达52台。同时，随着核材料数量不断增加，我国面临的核安保风险将日益加大，有效防范和积极应对核安保事件的任务将愈加艰巨。近年来，网络、无人机、卫星通信、虚拟现实、增强现实等一批新兴技术对核安保提了新的挑战，也贡献了新的解决方案。虚拟现实技术以其数字化、可视化、可交互等优势，适用于预案推演、演练培训等多种应用场景，为构筑科学、高效的核安保演练与教学体系，不断提升我国有效应对核安保事件的实战化水平，保障核设施与核材料安全提供了强有力的技术支撑。

参考文献

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