基于Unity 3D的燃气应急预案实景演练系统设计

姜少伟

（江苏远望神州软件有限公司 江苏省江阴市 214400）

1 引言

近年来，全国城镇燃气相关事故多发频发，燃气安全形势严峻。从管道天然气到瓶装液化石油气，从供气端到用气端，从居民用户到工商用户，均发生了不同程度的燃气安全事故，造成了人民生命及财产的极大损失。剖析燃气安全事故的原因，可以发现大多数是软管、燃气具、灶具、燃气表及管道等燃气专用设备设施不合格或日常检查不到位等原因引发的，一般是由物的不安全状态引起的。从本质安全出发，物的不安全状态最终是需要人来发现和处置的，但是很多情况下，当物的不安全状态处于萌芽状态时，由于燃气从业人员及用户群体缺少足够的安全认识、缺乏相应的应急预案培训、未采取有效的应急处置措施，导致物的不安全状态不断放大，最终演变成燃气安全事故。国务院安全生产委员会印发的安委〔2021〕9号文件《全国城镇燃气安全专项整治工作方案》中的第九项工作任务明确要求：严厉整治燃气经营企业应急预案不落实问题。所以，落实燃气应急预案的培训与演练，有效纠正人的不安全意识和行为，建立一套基于燃气应急预案面向燃气从业人员和用户群体的沉浸式实景模拟演练系统就显得迫切而重要。

2 现状分析

2.1 燃气安全事故分析

中国城市燃气协会安全管理工作委员会出具的《全国燃气事故分析报告：2021年第四季度暨全年综述》显示，2021年国内（不含港澳台）燃气事故1140起，造成106人死亡，763人受伤。按照事故气源统计：2021年发生天然气事故455起，死亡59人，受伤316人；液化石油气事故639起，死亡47人，受伤388人；气源待核实事故46起，受伤59人。根据事故类型统计：2021年居民用户事故610起，死亡48人，受伤390人；工商用户事故185起，死亡19人，受伤187人；管网事故339起，死亡37人，受伤186人；厂站事故6起，死亡2人。

通过2021年度燃气安全事故数据对比分析可以发现：

（1）液化石油气事故占比相对天然气高，说明在瓶装液化石油气的灌装、运输及使用各个环节仍存在较大问题。

（2）燃气事故近七成分布在用户端，说明用户端的监管仍需要加强，用户层面的安全意识仍需要不断提升。

（3）工商用户燃气事故死伤率远高于居民用户燃气事故死伤率，说明工商用户因为行业特性，一般处于人员密集区域，一旦发生事故，伤亡率高，后果严重。

（4）管网事故频发，主要是由涉及管网的事故施工不当引起，同时由于管网隐蔽性强，不容易被发现，容易酿成严重事故，需要警惕。

燃气安全不容忽视，一旦发生就会带来极大的伤害，所以需要建立相应的信息化平台和手段，促进燃气各个环节的从业人员进一步落实安全主体责任，提升燃气安全认识，对燃气应急预案有深入的理解掌握，这将有利于燃气事故数量及死伤的大幅度降低。

2.2 燃气安全信息化分析

从燃气安全信息化监管角度，主要涉及物和人两个方面，物的状态监管和人的意识行为监管相辅相成，缺一不可。

（1）物的状态监管方面：长期以来，各级地方政府在物的安全方面投入了大量资源，针对软管、灶具、气瓶等进行了大力的检查更新，针对物的安全监管也通过先进的信息技术建立了监管平台。主要采用的信息化手段如图1所示。

图1：目前主要的信息化手段

对物的状态监管涉及到了燃气生产、运输、使用及监管的各个环节，主要通过视频监控、物联监测、传感报警等技术手段，并建立厂站企业、从业人员、用户群体的信息台帐，建立针对物的监测指标体系，有效减少了过去因为物的状态无法精确监测以及不安全状态无法快速定位导致的安全事故。

（2）人的安全意识和行为监管方面：相较于物的状态监管，对于人的不安全意识和行为的监管相对比较薄弱。在燃气生产、运输及使用的各个环节都制定了应急预案，并要求定期组织演练。但是在现实中，往往会出现各种情况，如应急预案的制定浮于表面，脱离生产生活实际，只是为了应对监管部门的检查；受行业特性及成本因素影响，应急预案束之高阁，缺少相应的培训和演练；应急预案由于缺少必要的培训和演练，其中不合理和不完善的部分就无法发现和迭代优化。同时，异常情况的处置和应急预案的培训演练缺乏行之有效的信息化平台和手段，由此因为人的安全意识不强及行为处置不当导致的燃气安全事故呈现抬头趋势。所以，针对各类人员开展燃气应急预案演练，提升各类人员的专业知识和能力具有重要的研究意义。

3 系统设计

3.1 系统设计思路

应急预案演练在燃气安全中有着不可或缺的作用，对于降低成灾率有着重要意义。传统燃气应急演练形式主要分为实际演练和桌面演练两种。实际演练是在生产或生活的实际环境中运用具体的设备实施，提前筹划组织特定的人员，模拟真实的事故发生，按照应急预案既定的流程开展真实演练；桌面演练是针对特定的应急事故或异常状态，召集相应岗位的人员，结合书面图纸资料开展的研讨式的演练活动。实际演练需要编制演练方案、演练脚本，需要花费大量的时间和人力物力进行准备，成本较高，通常一年或半年才可进行一次，参加演练的只是特定从业人员，很难实现燃气用户端参与。桌面演练操作简单、成本低，是日常进行应急预案演练的普遍形式，只是目前桌面演练手段比较原始，参与桌面演练的人员都是靠口述、想象来讨论、回答应急预案的流程和要求，即使通过计算机或视频来模拟事故情景，也只能是观看和学习，缺乏真实感和临境感，无法真实体验事故发生时的状况和实际动手处置应急事故。

燃气应急预案实景演练系统可以有效解决传统演练方式存在的问题，在实现物的量化监管的基础上，基于计算机模拟仿真、软件交互、流媒体等技术，采用Unity 3D实景仿真引擎，将耗时耗力的燃气厂站供气端、燃气送气端、燃气用户端的典型事故场景搬到计算机和移动设备平台，全量实景建模，编辑事故状态和处置规程，基于应急预案开展实景演练，大幅降低组织应急预案演练各项资源的支出，可以有效纠正不安全的意识和行为，大力提升燃气从业人员和用户群体对于燃气应急预案的熟知程度，促进掌握遇到突然事件或异常状态采取的正确处置规程，提升消除安全事故于萌芽状态的能力，降低事故成灾率。同时保存演练历史数据，支持政府监管部门获取各类型人员的演练记录及演练结果，改变政府迫切监管与企业浮于应付的状态，创新工作考核的机制，为政府监管提供抓手。

3.2 面向用户分析

燃气应急预案实景演练系统主要面向的用户单位包括：

（1）城镇燃气安全生产专业委员会：各行政区域内负责具体燃气管理工作的各政府监管部门，如公用事业、应急管理、资源规划、市场监督等职能部门。

（2）燃气厂站：厂指管道燃气经营企业、瓶装液化石油气经营企业等；站指调压站、储配站、加气站等。

（3）居民家庭：指居民家庭厨房、商贸厨房等。

（4）工商单位：指餐饮场所、企事业食堂、工业生产单位等。

系统面向燃气用户单位的各岗位从业人员及用户群体提供燃气应急预案的演练和监管服务。系统面向的用户及单位如图2所示。

图2：目标用户及单位

3.3 系统架构设计

燃气应急预案实景演练系统以“真实模拟”为建设核心，支撑各方面的需求，充分汲取先进理念，采用Unity 3D实景仿真引擎等先进信息化技术，打造全真的模拟演练体系结构，实现演练要素的全面整合和按需定制。系统架构设计如图3所示。

图3：系统架构设计

综合考虑资源消耗及响应速度等因素，系统设计采用C/S架构（客户机/服务器），这种架构可以充分利用客户端和服务端的资源，合理分配任务，提升系统性能。服务端依托成熟的云服务平台部署，实现资源动态调整，架设数据集群、应用、安全、通信、文件、仿真引擎等各类信息服务，数据库采用读写分离与负载均衡机制，实现各类燃气物监管数据的集成汇聚。服务端采用异步-单线程/协程模型，降低系统的耦合性，真实模拟事故场景和效果，通过互联网发布实景演练服务，引入演练所需的各岗位角色，完成预设的各种操作流程。客户端保证性能的同时灵活适配各类应用终端，为用户及单位提供多层级的演练培训，为燃气监管部门的工作考核提供支撑。

3.4 实景仿真引擎

燃气应急预案实景演练系统采用Unity 3D实景仿真引擎，重点突出实景模拟的效果，让用户获得沉浸式的演练培训效果。Unity 3D实景仿真引擎不但可以用于游戏开发，也可以支持行业可视化仿真应用开发，可以轻松创建实景三维数字空间，是一个可以轻松搭建可视化场景、仿真模拟物理特效、实现多方式互动的综合开发平台。

Unity 3D实景仿真引擎主要的特色包括：

（1）跨平台:Unity 3D可以灵活支持市场主流操作系统，支持 C#、JavaScript 和 Boo 等脚本语言,实现各类架构的应用开发，可以一键完成应用的多平台开发和部署。

（2）视觉动态效果：Unity 3D针对三维模型提供多种形式的属性参数设置及特效预览 ，使用户可以直观便捷地享受三维效果的盛宴。

（3）模型资源导入：Unity 3D支持主流三维格式数据资源的自动导入，并支持模型数据根据场景自动更新适配，使用户可以更为方便地创建各类型的建筑外部及内部场景，并能和主流应用程序协调工作。

（4）强大的仿真效果：Unity 3D 内置强大的地形编辑系统，可以实现各类复杂的地形，支持地形地貌特殊效果的创建。同时，Unity 3D 仿真引擎可以实现逼真生动的物理效果。

（5）丰富的渲染效果：Unity 3D 具有高度完善和丰富多样的色彩及光影渲染功能。

4 系统功能构建

结合城市燃气发展、应用与管理的实际情况，面向政府监管部门、燃气从业人员、燃气用户群体建设综合性燃气应急演练线上培训空间，构建涵盖安全意识、安全知识、安全技能的实景演练安全教育体系，打造燃气应急预案实景演练系统，为燃气安全管理与培训做出贡献。系统功能构架如图4所示。

图4：系统功能构建

4.1 实名认证

燃气应急预案实景演练系统的建设目的是为了提升燃气从业人员和用户群体的安全意识，通过实景模拟演练的方式使应急预案得到宣贯和掌握。为了确保参与演练人员的准确性，系统设计采用帐号口令、指纹验证、人脸识别等多重认证相结合的方式，避免出现各种虚假参与演练的情况，以保障相应人员切实参与演练。

4.2 想定编辑

根据单位不同、人员不同、场景不同燃气应急预案划分不同的类型和层次，每种应急预案所涉及的场景、事故、处置规程、复杂度也各不相同，目前主要分为综合预案、专项预案、现场处置预案三大类。面对众多的燃气应急预案，想定编辑通过统一的数据模型和数据集合，建立相对独立的业务逻辑模块，便于组合关联，提高系统通用性和灵活性。

想定编辑基于Unity 3D实景三维数字空间设计，实现预案仿真场景的灵活创建，支持定义正确处置措施的规则，最终实现各类应急预案场景及流程的创建、发布及演练。想定编辑主要划分为三个部分，分别为模型编辑、规则编辑、预案编辑。

模型编辑是搭建如场站类、建筑类、管网类、交通类、设施类、家居类等各种高精度3D模型供用户随意搭建，同时提供便捷的快速三维模型搭建工具，可以进行自定义搭建及二次编辑等应用；规则编辑是将研究各种不同的应急预案，将应急预案中所涉及的种种操作规程颗粒化，定义每一细小颗粒的正确操作、规则得分、异常操作及异常操作引发的后果，以支持演练过程的颗粒化记载，支撑演练结果的评估和复盘；预案编辑是在基于模型编辑和规则编辑，选择多种类模型灵活定义搭建所需要的实景三维数字空间，模拟场景形态及环境变化，形成完整的应急预案场景，并按照预案分解选取相应的规则嵌入三维数据空间中，为用户提供面向应急预案的高精度三维空间实景服务，最终实现全要素实景服务的发布。应急预案选择界面如图5所示。

图5：应急预案选择界面

4.3 预案学习模式

预案学习模式为单人操作，人员实名登录之后选择演练的应急预案，仿真环境下展示预案设定的突发事故和异常状态。学习模式下个人按照积累的处置经验进行演练操作，演练过程中可以看到应急预案正确的操作规程提示，演练过程中如有错误，系统会提示正确的步骤和操作，必须按照正确的步骤才能完成预案的演练。在这种模式下边演练边学习，突出身临其境的效果，加深行为记忆，持续完善个人面对事故的处置经验，不断纠正过去不安全的行为和意识。应急预案实景演练如图6所示。

图6：应急预案实景演练

4.4 预案演练模式

预案演练模式是对学习模式的验证，在无法获知应急预案正确操作规程的前提下，演练人员进行突发事故和异常状态处置，系统会记录每一步演练操作。演练中的具体行为可能导致多种不同的后果，如导致燃爆等灾难结果，则本次演练结束；如导致发生微小异常，则演练在相应异常下继续进行；如行为符合规程，则演练正常进行。按照想定编辑中的规则，演练结束形成演练结果。预案演练支持单人演练模式或多人演练模式，单人演练模式即为一个人承担应急预案所涉及的各项处置操作，多人演练模式是由多人参与分别承担相应岗位角色，必须所有角色到齐后方可进行演练。

4.5 演练评估

每一次开展的应急预案演练，系统都有如实记录预案演练中的每一步操作，依据想定编辑中的规则形成针对参与演练人员的得分评估结果，作为相应人员是否掌握应急预案，符合岗位要求的判断依据。

4.6 演练复盘

设计支持历史每一场演练在三维场景下的回溯复盘，演练结束根据演练结果复盘演练中每一步的操作，可以查看其中不规范或不安全的操作，改变了过去实物演练和桌面演练无法精准定位问题和明确责任的弊端。同时根据演练复盘可以对现有应急预案中不合理的部分进行完善，有利于预案的持续优化，贴近生产生活实际。

4.7 监督考核

为燃气场站内部管理部门和政府监管部门提供考核功能。燃气场站内部管理部门可以查看单位内部各从业人员参与演练的频次和结果，用于内部加强安全教育管理。政府监管部门可以制定考核机制，要求区域内燃气从业人员和用户群体定期参与演练，对演练的参与率和结果进行统计考核，也可以不定期抽查开展演练，对不参与演练或演练不达标的用户及单位进行重点监管，切实提高监管效率。

5 系统特点

在燃气物的信息化监管的基础上，设计面向人的意识和行为的应急预案实景演练系统。

（1）基于Unity 3D设计实景仿真三维数字空间，改变传统应急预案演练存在的各类问题，使各层次用户身临其境，通过自身演练加深记忆，提升安全认知。

（2）实景模拟演练基于燃气应急预案，涵盖安全意识提升、安全知识学习、操作技能、故障处置能力、应急处置等各个方面，切实改善燃气场站安全主体责任落实不到位的现状，立足解决燃气场站从业人员的能力不足、素质不高的问题。

（3）面向居民用户和工商用户提供演练平台，让用户端可以既可以通过传单、标语、视频等方式接受教育，也可以通过实景仿真环境进行应急演练，有效避免了因为用户违规操作、盲目施救导致的伤亡事故。

（4）促进燃气场站安全管理制度、操作规程、应急预案不断优化改进，贴近企业生产实际，填补企业安全管理中存在的空白。

（5）为政府部门监管工作创新思路、调整方法，从燃气本质安全控制出发，重视燃气从业人员和用户群体的安全教育，采取有效措施加强风险管控力度。

6 结束语

燃气应急预案实景演练系统立足于人的安全意识和行为培养，灵活搭建和配置演练场景和演练流程，为各用户和单位提供演练教育平台，同时可以将用户和单位的演练次数、人员参与率、演练效果、演练结果等数据集中汇聚挖掘分析，便于政府监管部门了解和掌握燃气应急预案实际演练情况，重点整治不合规不安全现象，提升应急处置能力，减少燃气伤亡事故的发生。