基于虚拟现实的核事故救援在线仿真培训关键技术研究

曹 欢 胡丽琴 杨子辉 郑晓磊 王 芳 尚雷明*

1(安徽大学物质科学与信息技术研究院 安徽 合肥 230601) 2(中国科学院核能安全技术研究所中子输运理论与辐射安全重点实验室 安徽 合肥 230031)

0 引 言

核应急被认为是核电安全的最后一道防线，应急培训是核应急体系中不可缺少的部分[1]。《国家核应急预案》《核电厂核事故应急管理条例》等法律法规的颁布，充分体现了应急救援工作的重要性和紧迫性。救援人员作为救援任务的直接执行者，其应急响应、灾害处置、伤员救护等专业能力的水平，是影响救援效果的重要因素。当前的应急救援培训大多为应急演习，无法重建核事故场景，受训人员难以感知核事故现场及整体态势，无法达到多样化的重复训练效果，且培训成本较高、安全性低[2-3]，导致应急救援人员的能力建设面临一定的挑战。

虚拟现实(VR)是一种将计算机图形技术与相关设备相结合，可为人们创造一个具有沉浸感、互动性和想象力的良好虚拟环境的仿真技术。近年来，VR技术已广泛应用于国内外核工业领域，包括设计方案评估[4]、虚拟维修培训[5-6]、工程仿真[7]和事故仿真[8]等。此外，虚拟现实在一些安全应急领域逐渐成为演练培训的重要手段，并已在消防安全[9]、地质矿产[10]、事故应急[11]等领域得到较为广泛的应用。从上述研究可知，VR技术在安全应急领域，尤其是核工业领域的培训方面具有独特的优势，可创造一个高逼真度的训练环境，使受训人员沉浸在高风险的场景中。核事故应急救援涉及核电站场景、事故演变、救援进程等多方面复杂信息[12]，目前虚拟仿真在核领域的应用难以将流程化的救援行动方案与事故演变过程体现在虚拟场景中，且多数培训平台在便捷性方面存在不足[13-14]。

本文将虚拟现实技术应用于核事故救援培训环节，依托中国科学院核能安全技术研究所·凤麟团队[15-16]自主研发的数字社会环境下的虚拟核电站Virtual4DS[17]平台以及核安全云NCloud等技术的最新研究成果[18]，搭建了一种核事故救援在线仿真培训平台，该平台应用3dsMax和Unity3D软件创建高逼真度的虚拟场景，采用有限状态机模型作为模拟救援演练过程的核心算法，图形用户界面采用UGUI插件进行设计，事故仿真采用粒子系统方法实现。该平台可直观展现核电站的复杂环境与事故仿真场景，能够将流程化的救援行动方案体现出来，为救援人员提供一种高逼真度的训练环境，对提升应急救援队伍实战能力具有参考意义。

1 平台架构与功能

1.1 架构设计

综合考虑核事故应急救援培训的规范流程与业务需求，结合体系架构理论，设计一种基于客户端/服务器(C/S)模式的系统核心架构，如图1所示。总体架构包括硬件支撑层、数据库层、应用层和客户端层。其中客户端层应用程序采用三维虚拟仿真平台Unity3D研发，包括电脑端和手机端，支持用户通过客户端登录系统进行仿真培训。

图1 核事故救援在线仿真培训平台架构设计图

1.2 功能设计

仿真培训平台的作用是提升训练人员的能力水平，参考真实情况下的核事故救援环节，并结合虚拟仿真技术要求，设计一种平台功能构建方案，包括三维场景可视化、应急救援演练、人机交互仿真、在线考核评估4个功能模块，如图2所示。三维场景可视化模块用于创建与展现高逼真度的核电站复杂环境、事故仿真场景与人员辐射剂量；应急救援演练模块用于模拟救援人员在虚拟场景下的救援过程，实现虚拟角色的行为仿真；用户通过人机交互仿真模块，借助系统界面与交互设备，实现救援人员在场景中的虚拟漫游；通过在线考核评估模块对虚拟演练过程以及救援人员进行实时考核与评估。

图2 核事故救援在线仿真培训平台功能设计图

2 关键方法

2.1 三维场景可视化

三维场景可视化主要实现高真实度的虚拟核电站场景、核事故状态下危险场景的动态模拟仿真与辐射剂量实时显示，是确保救援仿真培训质量的重要前提。

核事故救援场景涉及核电站与救援设备等复杂模型，本文以现实中核电站的结构模型与核应急救援设备为依据，在三维工程建模软件中进行核电站相关设备与救援装备的制作，并采用二维平面设计软件设计与模型外表相符的纹理贴图，通过三维模型渲染软件对模型进行渲染，包括纹理贴图、材质与灯光，以核岛内部结构与救援车辆为例，渲染后的效果如图3所示。将渲染过的模型导入虚拟仿真引擎中进行处理，结合地形地貌系统与天空盒模块的构建，并采用多层次表现技术与遮挡剔除技术来优化场景资源，最终成功搭建高逼真度的核事故救援三维虚拟场景。

(a) 核岛模型 (b) 堆芯模型

当核事故发生时，会伴随放射性核素扩散、火灾烟雾等事故性后果，为了达到高逼真度的训练效果，需模拟事故动态演变过程，为受训人员提供事故状态的态势感知。目前针对核事故中放射性核素模拟方法多为二维数值模拟，在真实度方面存在不足，不适合应用于三维场景中。粒子系统是目前模拟动态不规则物体最有效的一种图形生成算法[19]，将物体看作由大量带有不同属性的粒子组成，包括粒子数量、大小、速度和生命值等，粒子属性依据物体本身的运动状态和物理特性，随时间不断变化，本文通过粒子系统方法模拟事故性后果动态过程，结合事故发展特性，由粒子运动体现放射性物质动态扩散效果。

救援人员在应急救援过程中，因暴露于辐射场导致人体受照剂量上升，危害救援人员身体健康，在救援过程对人员进行剂量实时显示，能够有效确保救援工作的顺利开展。参考核电站事故下的剂量场数据，并将虚拟环境下的部分空间进行网格化处理，使剂量数据储存于空间网格中，在仿真引擎中使用网格文本组件作为人员剂量数据显示的载体，通过脚本代码将网格数据实时传输到组件的文本中，实现救援人员辐射剂量实时显示。

2.2 救援行为仿真

参考核应急预案等相关法律法规，核电站事故应急救援涉及多方面专业组，包括监测评价组、医学救援组、突击抢险组、安全保卫组等，不同救援力量会参与到不同的救援任务中，各专业组的人员结构和主要职责如表1所示[20]。

表1 救援专业组人员结构与主要职责

由表1可知，参与核电站事故应急救援过程的救援人员包括军人、医疗人员、武警、消防员等，不同角色承担不同的救援任务。应急救援演练过程需依靠训练人员与角色之间的交互进行动作响应，在虚拟环境中角色的行为是以动画的形式直观展现出来，角色的建立、行为动作库的构建、角色与动作库的有效匹配将直接决定救援工作是否真实高效，行为动作在不同时刻下的状态切换效果将决定救援演练工作的真实度。利用三维建模软件制作不同的角色形体模型，如图4所示，将模型进行蒙皮处理后绑定骨骼，通过Biped骨骼系统中的关键帧技术制作需要的行为动作，包括走路、跑步、指挥、灭火、搬运、监测、去污、抬伤员、心率复苏、道路清障、人员搜救、污染源压制等多种救援动作。

图4 角色行为动作构建流程

高逼真度的救援人员行为仿真效果是影响在线救援培训的重要因素。针对传统的虚拟行为仿真系统中存在角色行为动作不够真实合理的问题，本文发展了一种信息感知模型[21]与有限状态机(FSM)[22]模型相结合的方法实现高真实度的行为仿真，救援人员在虚拟场景中以救援行动方案为基础，根据训练人员指令与周边的环境信息进行动作状态切换，环境信息通过信息感知模型进行处理，处理后的环境信息在有限状态机模型的控制下，救援人员以合理真实的动作反馈收到的环境信息，最终达到高逼真度的行为仿真效果，提高培训质量。具体技术流程如图5所示。

图5 行为仿真流程

环境信息是虚拟角色行为变化的基础，基于人体工程学理论，建立了角色信息感知模型，感知过滤器包括视觉感知区、听觉感知区和触觉感知区，如图6所示，其中：R1、R2、R3是各自感知区的范围；θ是人体的最大视角，约200°；A、B、C是环境中的对象；O为虚拟角色所在位置。视觉感知区中会存在物体对象繁杂导致辨识不清晰情况，本文引入强度因子kv来表示虚拟角色观察不同物体的强弱，具体表示如式(1)所示。

(1)

式中：R(R≤R3)为物体与虚拟角色的距离；D为物体的高度。基于多场景模拟后，本文将kv的阈值设为50，若某物体的kv在阈值上，将不会被感知，同时采用可见性计算方法判断虚拟角色视线与目标物体之间是否存在其他物体遮挡情况。听觉感知区为半径为R2的球形区域，触觉感知区为半径为R1的圆柱区域，只有物体与角色接触才会被感知。

图6 虚拟角色信息感知模型

FSM是一种表示有限个动作状态以及状态之间相互转移的数学模型，具体表示方式如式(2)所示。

Λ=(Q,q0,Σ,δ,F)

(2)

式中：Λ为角色的有限状态机模型；Q表示动作状态集；q0为初始状态；Σ为字母表，是一种用于辅助状态之间转换的数学运算方式；δ为状态转移函数；F表示最终的状态集合。各状态之间通过环境触发进行切换响应，通过有限状态机模型可实现角色行为的有效切换。

以军人参与核事故救援为例，根据《核电厂核事故应急管理条例》[23]等规章制度科学合理地制定救援行动方案，构建军人救援行为的有限状态机模型，如图7所示。其FSM模型中的所有状态动作集Q={行走，奔跑，清障，污染源压制，工程抢险，抢救伤员}；初始状态q0={行走}；最终状态集合F={行走，停留}；状态转移函数δ如式(3)所示。

δ=f(R1,R2,R3)

(3)

式(3)表示转移函数与视觉感知、听觉感知与触觉感知的感知范围有关，由信息感知模型处理后的信息决定各行为动作的转换。基于仿真引擎中的动画状态机(Animator)系统，每个状态用行为动作(Motion)表示，设计FSMState.cs、FStateMachine.cs两个类分别控制所有状态和状态实现，并针对每个状态单独用状态类来控制该状态发生和转移的场景，通过C#脚本实现高真实度的救援行为仿真效果。

图7 军人救援行为的有限状态机模型

为了使救援角色在演练过程不会穿过场景物体，基于物理引擎技术，将碰撞器属性添加到场景对象，角色控制器和刚体属性赋予虚拟角色，并通过脚本代码进行实时碰撞检测。

2.3 人机交互仿真

良好的人机交互功能能够提升训练质量、改善实训效果。训练人员通过界面操作与系统之间进行信息传递，包括需求指令发布与仿真培训结果反馈，以第一和第三视角参与到应急救援的虚拟场景中，对整个核电站场景全方位视角漫游，增强训练人员对核电站各模块与救援环节的熟悉度，提升仿真培训过程的沉浸感。采用界面开发插件UGUI进行交互界面设计，根据系统功能需求，设计人机交互界面，包括用户登录界面、功能模块界面、仿真操作界面、设置界面、在线学习与考核界面等，界面场景跳转的关键脚本语句为：SceneManager.LoadScene("SceneNumber")，其中“SceneNumber”为场景编号，将按钮控件与相应功能脚本进行绑定，并添加“ButtonClick.Click”方法实现按钮点击界面时的切换与响应。系统登录界面与功能模块界面如图8所示。

(a) 登录界面

仿真平台设置第一、第三视角两种漫游模式，第一视角漫游的控制体为三维胶囊体模型，形体骨骼模型作为第三视角的控制体，通过距离插值方法确保摄像机视角随人物平滑移动，采用对象的父子节点配置方法结合脚本代码，设计CharacterMotor.cs、MouseLook.cs和IuputController.cs三个控制类，分别表示虚拟对象动作控制类、鼠标控制类和监听事件类。关键脚本语句如下：

//摄像机跟随物体平滑移动

offsetPosition=transform.position-player.position;

Input.GetKey(KeyCode.W);

//获取W键

Input.GetAxis("Horizontal");

//获取水平键

Input.GetMouseButton(0));

//获取鼠标左键

Input.GetAxis("Mouse X");

//获取鼠标水平移动

为了实现漫游过程的导航地图功能，将主摄像机与纹理渲染贴图(Render Texture)结合，摄像机渲染的场景作为地图画面，并在右上角设计二维导航地图，用户的漫游位置用绿色标记于地图中。

对于演练评估与考核模块，使用记录回放插件EZReplay进行二次开发，实现演练进程的视频录制，为演练评估提供分析保障。对于训练人员的在线考核模块，采用场景动画插件iTween设置各种学习场景，并通过资源内部加载数据库的方式实现在线答题功能，具体是将考题数据库以.json格式保存于场景资源下，创建考题信息类ExamDate.cs，内容包括题目、答案选择、正确选项、答案解析，通过ExamOnline.cs类进行题目问题。关键脚本语句如下：

new List();

//初始化考题信息

//获取json数据信息

Application.streamingAssetsPath+"/Exam.json"；

//解析json数据信息

Content=new WWW(url).text;

JsonMapper.ToObject>(Content);

//实例化考题

UnityEngine.Random.Range(0,examList.Count);

TopicSelect[i].isCorrect==true;

//获取正确答案

thisScore=(int)Count*10;

//获取分值

同时采用Application.OpenURL文本加载方法实现本地资料文档和网页资料的在线查阅学习。

3 应用结果

Unity3D仿真引擎在跨平台方面功能强大，所开发的项目支持多种主流平台发布，包括PC、Android、WebGl、iOS等，训练人员可通过本地电脑与手机移动端进行培训考核，极大增强了仿真培训的便捷性。本文中核事故救援在线仿真培训系统研发的硬件平台为PC机(2.83 GHz;2 GB独立显卡；4 GB RAM;Windows 7 64位操作系统)，软件工具包括Unity3D5.6.4、CATIA V5、3dsMax2016、Photoshop CS5和Visual Studio 2013。以Android移动端为例，将开发项目打包加载，并下载安装Java JDK和Android SDK，搭配好虚拟框架，选择Android平台，设置分辨率、画面比、图标等属性，进行产品自定义发布，发布到Android移动端的效果如图9所示，在设置界面中，用户可对音量、音效和按钮操作进行设置，在考核界面，用户可通过答题评估专业知识水平。

(a) 设置界面

图10为核电站虚拟漫游功能模块效果，采用第一、第三视角两种漫游模式，右上角为二维导航地图。漫游过程中，可点击“在线学习”实时学习本地资料。图11为核事故救援演练效果，用户可通过界面选择救援类别，并可直接参与到救援过程中，通过“视频纪录”按钮，可实时记录整个演练过程，并输出视频文件。

(a) 第三视角漫游

(a) 抢险救援

4 结 语

基于虚拟现实与仿真技术，结合Unity3D虚拟仿真引擎，对核事故救援在线仿真培训的关键技术进行了探索性研究，发展了一种高真实度的行为仿真模型，成功搭建了一种核事故救援在线仿真培训平台，该平台能够直观展现核电站的复杂环境与事故仿真场景，为救援人员提供一种高逼真度的训练环境，支持用户注册登录、虚拟漫游、救援演练、在线考核评估等功能，可发布到手机电脑客户端进行随机随时考核培训，增强了培训的便捷性。研究成果为高危害性的核领域培训方式提供新的方案，对提升应急救援队伍实战能力具有重要意义。