基于MR的水电站专项应急预案演练平台

郭兴远 薛艳敏 闫雯 程博文

收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.001

摘  要：為解决水电站特种环境应急演练中存在的事故情景难以模拟、不安全、组织成本高等问题，构建一种基于混合现实（Mixed Reality， MR）技术进行险情可视化的应急演练仿真平台。针对电站地下厂房发电机组着火事故，采用Unity3D引擎结合情景构建与向导设计方法进行MR仿真平台的设计开发。测试结果表明，所设计的平台可实现在现实场景下进行虚拟操作的应急演练，平台模块设置得科学合理。该平台不仅拓宽了应急演练实训模式的边界，还可为水电站特种环境下应急演练提供新的参考依据。

关键词：混合现实；专项应急预案；模拟演练；Unity3D

中图分类号：TP391.9；TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）01-0001-06

MR-based Special Emergency Plan Exercise Platform for Hydropower Stations

GUO Xingyuan1， XUE Yanmin1， YAN Wen1， CHENG Bowen2

（1.School of Art and Design， Xi'an University of Technology， Xi'an  710054， China; 2.Xi'an Key Laboratory of Clean Energy Digital Technology， Northwest Survey and Design Institute of Power China， Xi'an  710065， China）

Abstract： To solve the problems such as have difficult in simulating accident scenarios， unsafe， and high organizational costs in special environmental emergency drills for hydropower stations， a simulation platform for emergency drills based on Mixed Reality （MR） technology for danger visualization is constructed. In response to the fire accident of the generator unit in the underground powerhouse of the power station， the Unity3D engine combined with scenario construction and guided design methods are used to design and develop the MR simulation platform. The test results indicate that the designed platform can perform virtual emergency drills in real scenarios， and the platform modules are set up scientifically and reasonably. This platform not only broadens the boundaries of emergency drill training modes， but also provides new reference basis for emergency drills in special environments of hydropower stations.

Keywords： Mixed Reality; Special Emergency Plan; simulation drill; Unity3D

0  引  言

随着抽水蓄能电站规模的扩大，其安全生产问题也逐渐增多。应急管理是企业预防生产事故的重要手段[1，2]，为避免水电站事故带来的经济损失，生产经营单位每年都会对应急预案进行修订，按月和季度组织应急演练，在实战中不断提高应急救援水平，从而有效减轻事故危害。在企业应急管理中，按照演练形式将应急演练划分为桌面演练与实战演练[3]。实战演练能够真实展现设定的生产安全事故情景，完成应急响应的全过程。然而，实战演练往往因其可能严重影响正常的生产经营活动而造成演出事故，在实际生产装置区一般不采用。为此，对不适宜实战演练的场景和设备进行模拟演练刻不容缓。

近年来，基于虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术的应急演练，因其具有成本低、沉浸感好、不受空间限制以及可重复使用等优点而得到广泛的关注。如何将VR技术成功用于应急管理之中，相关领域的专家学者做了诸多研究。朱新平等[4]针对机场实地消防应急演练中人力物资消耗多、演练组织协调难，以及桌面演练中情景感不强等缺陷，提出基于Unity3D搭建机场消防应急救援虚拟演练平台。于辉等[5]针对如何解决电站运行事故演练中存在的低效高成本、受设备时空限制等问题，提出一种基于Unity3D的抽水蓄能电站事故应急处理仿真系统。潘卫军等[6]提出一种基于VR技术的机场应急救援虚拟演练平台，针对因实景模型数据量大而影响平台运行效率的问题进行了模型轻量化处理，采取分细节度的场景构建方法。王健等[7]对VR技术在应急演练中的应用进行了探讨，介绍4种引入VR技术的演练场景及其作用，同时分析了应急演练中应用VR技术的优缺点。

上述研究大多引入了VR技术进行应急演练仿真平台的开发，但在运用VR设备进行应急演练时，因其是在完全封闭的虚拟环境下进行的，与现实情景中灾害事故的实战演练还存在一定的差距。在开发过程中，不仅需要构建大量模型来还原事故现场，还会在使用设备过程中因本体感觉与视觉系统不同步而产生眩晕感，因视距差造成大脑认知负担而引起视觉疲劳等问题。MR技术恰好可以解决上述问题，它是虚拟现实技术的升级，包括增强现实和增强虚拟，是指合并现实和虚拟世界而产生新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，实时互动。MR技术能够很好地解决情景构建在应急演练中实战化不足的问题[8-10]，但目前MR技术应用于水电站应急演练的相关研究较少，缺乏指导MR仿真平台设计的资料。

为此，本文对基于MR的水电站专项应急预案演练平台的构建进行研究，在梳理电站发电机组专项事故处置措施和相关应急演练知识的基础上，采用Unity3D引擎构建基于MR的水电站专项应急预案演练仿真平台，并在平台构建过程中结合向导设计方法与情景构建理论增强仿真平台的合理性和易用性，从而有效解决应急演练实战化问题。

1  MR仿真平台的特征

抽水蓄能电站地下厂房发电机组匝间短路是水电站典型的火灾类专项应急预案事件，在应急演练中具有难以模拟与机组设备不便启停等特点。MR仿真平台因具有虚实融合的特征，将仿真模拟水电站地下厂房特种环境下发电机组匝间短路火灾的事故现场，通过虚拟界面的人机交互操作，使应急人员得到系统的培训和指导，可模拟现实环境条件下无法实现的实战演练，从而有效提升电站运维人员的应急救援水平和能力。水电站发电机组着火事故专项应急预案MR仿真平台具有以下特点：

1）真实性。真实模拟需要培训演练事故地点（危险源）的安全隐患，对真实事件进行仿真复刻演练。

2）便捷性。运维人员仅需佩戴单一设备即可进行事故演练。

3）实时性。在整个仿真模拟过程中，运维人员通过虚拟界面人机交互的各种指令得到实时响应。

4）安全性。模拟事故可保证演练过程中人员不会受到伤害。

5）针对性。针对具体情景进行灾情事故的构建模拟。

2  MR仿真平台的构建方法

混合现实应急预案模拟演练依托Unity3D仿真平台，对假想事故情景及响应行动等事项进行总体设计。情景构建是仿真平台的核心部分，在情景设计中[11]，按照应急预案的实施方法，将假想事故的发生过程设计成客观真实的情景事件，融合到现实场景进行仿真模拟，对救援行动的危险因素及注意事项进行分解，便于运维人员对应急行动的理解学习。

MR仿真平台的研发过程遵循游戏开发的一般流程，包括策划、设计、程序：

1）策划部分。依据企业开展应急演练过程的准备、实施和总结三个阶段，结合情景构建理论策划仿真平台的具体内容，设计平台的四大应用模块。

2）设计部分。依据向导式设计方法对平台交互界面流程进行设计，设计平台的虚拟操作界面。

3）程序部分。利用可视化编程插件PlayMaker进行平台的程序实现。通过将代码封装成组件，以调用组件的形式实现代码功能，调节组件的参数，实现平台功能。根据电站发电机组着火事故专项应急预案的具体流程进行实战演练仿真设计。以抽水蓄能电站地下厂房集电环室匝间短路引起的机组着火事故应急救援为例，进行事故场景实战演练仿真平台的设计开发。

2.1  平台架构设计

仿真平台研发流程包含设计和开发两个环节，其中信息架构图是从交互设计视角进行仿真平台的需求分析后将演练方案具象到原型设计中。信息架构图表达程序的逻辑流程、信息之间的相互关系以及运维人员在平台中的使用路径，用于仿真平台的交互设计，指导研发阶段的设计思路，助力应急人员更好地达到模拟演练的目的。平台信息架构图如图1所示。

其中功能架构图是以开发视角构建的逻辑开发产品流程图，将收集到的需求以模块的形式展示，表达平台所包含的功能及其相互关系。二者共同构成了仿真平台的产品架构。平台功能架构图如图2所示。

2.2  平台模块设计

仿真平台四大模块依据应急预案的应急行动而设计，对应急行动的程序和要求进行细致分析，结合情景构建与模块化设计思维，采用自顶向下的方法将救援行动划分为基础知识、应急处置措施、数据日志和考核评估四个模块，构成仿真平台的基本程序和框架，如图3所示。

2.2.1  基础知识

基础知识模块是对发电机组匝间短路着火事故进行知识要素分解，将仿真演练要素的内容进行分类管理，根据场景类别管理展示。根据仿真演练要点内容进行预览学习以及水电站建筑、消防设备布置及设施、应急救援撤离路线的学习。采用灵活多样的三维模型虚拟展示方法进行事故场景救援的学习，夯实和提高参演人员的基础知识及应急意识，如图4所示。

2.2.2  應急处置措施

应急处置措施模块的主要功能包括对发电机组启停、消防设施启停、紧急撤离等应急救援过程的模拟演练，使参演人员在具体的情景演练过程中，通过虚拟场景中的任务提示与步骤信息，引导运维人员快速熟悉预案，明确自身在事件中的工作流程，辅助演练人员完成应急处置流程的训练，从而有效锻炼演练人员的心理素质与实操能力，如图5所示。

2.2.3  数据日志

数据日志模块主要功能是对整个演练过程的视频数据进行回放，方便演练人员与评估人员的查询和观看。在佩戴全息眼镜进行仿真演练过程中，仿真平台通过调用设备的前置摄像头，实时记录演练人员第一视角的全息画面，待演练结束后生成本次应急演练全过程流程数据，为训练总结、处置预案生成等提供数据支持，如图6所示。

2.2.4  考核评估

考核评估模块主要功能是检验参演人员对事故应急处理流程的掌握程度，全面评价应急演练的效果。在演练结束后通过回放演练全过程的流程数据，结合预案考核要点进行综合评估。现场处置效率和效果是应急救援能力的重要表征[12]，通过将现场实操中演练人员的所有行为动作及完成时间等相关信息与正确操作方法进行比对分析，针对演练人员的实操情况给出一个客观且科学的综合分析评价，最终得出考核结论和改进建议，如图7所示。

以上四个模块共同构成了应急演练仿真平台，模拟实战演练是该仿真平台的主要功能，包括基础知识、应急响应、日志数据与考核评估，这些功能的实现依赖于全息眼镜设备的数据可视化、数据采集和人机交互，为用户提供完整的实战模拟演练过程。

2.3  平台实施流程

经过前期的调研和分析，确定专项应急预案的具体救援流程，依据专项应急预案演练特点进行分析，本文选择向导设计方法进行应急演练仿真平台的设计。向导设计常被用于流程设计，用来指导用户循序渐进地完成某一任务，是一种着眼于帮助人们处理复杂任务或不常见任务的交互策略。本文基于向导设计理论将救援任务分解成更细小的步骤，用于简化应急演練中的流程任务，将应急演练流程这种一系列复杂的条件转化为可理解的步骤。具体流程如下：

1）梳理某抽水蓄能电站地下厂房发电机组着火事故专项应急预案演练的救援流程，生成应急演练操作规程，如图8所示。

2）提炼事故救援场景的主要环境信息并进行预案演练的情景构建，利用相机与Reality Capture软件通过对现实场景的图像采集与扫描生成应急演练所需的三维模型，与Model Target Generator、Vuforia相结合，通过三维模型进行场景物体识别并融合到现实环境进行灾害情景模拟，实现与现实可能发生事故的场景进行关联。根据事故情景构建需求，设定场景特效，对应急演练中寻路导航、场景火警提示、禁止通行、开启关闭消防设施，手动启停设备等操作进行动画制作。

3）利用Unity3D引擎开发应急演练仿真平台。首先，配置PC端与Unity3D的开发环境，使用开源的跨平台开发工具包MRTK（Mixed Reality Toolkit）来加速开发。将已制作的贴图、模型、动画导入Unity3D资产并设置场景。然后，依据应急演练的操作规程与任务需求，分场景进行四个功能模块的制作，设置虚拟场景效果。例如在感温感烟火灾报警系统发出动作后，应急人员赶往现场时有红色灯光闪烁的警示效果与寻路导航标识，赶到现场后发现集电环室有着火冒烟势头，还有撤离的路标导航，以及火灾时禁止乘坐电梯的标识、手动启停机组消防系统的操作动效。最后，向虚拟情景中添加特效与用户界面（User Interface， UI）交互设计的制作，使用UI元素和按钮界面与全息影像交互，进行操作流程的模拟，并利用PlayMaker实现程序原型交互与平台周期管理。

4）借助Microsoft的HoloLens2全息眼镜设备实现仿真平台的人机交互操作。配置Unity3D以进行全息远程处理，将已开发的仿真平台应用程序结合HoloLens2全息远端呈现工具进行开发的测试迭代，通过Visual Studio进行仿真平台的调试、测试和部署。在确保所设计工作无误后，使用Visual Studio生成应用程序并将其部署至HoloLens2全息眼镜设备，即可使用仿真平台进行应急演练实战模拟，如图9所示。

3  MR仿真平台的实现及效果

3.1  平台开发环境

平台开发环境分为硬件与软件两个部分，选用较高的配置作为仿真系统开发的硬件环境，可以最大程度避免软件开发过程中出现的卡顿、程序闪退、死机等情况，从而加速平台的开发进程；软件上选用了较新且稳定的版本作为平台的开发环境，将以下组件作为特定功能的开发配置，使用Unity3D快速实现程序的设计并部署到HoloLens2混合现实设备进行系统程序的应用。硬件配置如表1所示，软件配置如表2所示。

3.2  用户界面设计与交互实现

平台的UI负责提示任务及步骤信息，引导参演人员完成训练。依据仿真平台的功能需求，将用户界面分为虚拟操作界面和虚拟场景界面。虚拟操作界面包括功能模块选择界面、任务流程界面与交互按钮界面；虚拟场景界面包括流程指引动画、路线导航标识、禁止通行标识等。平台的UI都是采用Photoshop进行各模块的纹理贴图，利用Unity3D内置的UGUI技术实现层次化的UI设计。平台的UI设计实现了应急处置操作流程交互界面的相应功能及其显示，保证平台具有良好的交互性与实用性。平台周期管理是针对平台的UI按钮触发、下一步、返回等状态进行管理，使用PlayMaker对仿真平台项目周期进行统一管理，实现UI人机交互程序控制与动画效果的呈现，如图10所示。

3.3  模型设计与三维识别

平台内使用的三维模型包括抽水蓄能电站地下厂房模型与发电机组消防设备模型，二者因大小不同，采取不同的建模方法。其中电站厂房模型较大不便于图像采集，采用3ds Max精细化建模及优化处理进行三维效果的呈现，如图11所示。发电机组消防设备模型较小适合图像采集建模，采用相机进行现场图像扫描建模，将采集到的照片导入倾斜三维建模软件Reality Capture进行扫描，等比例生成的现实场景模型用于实操演练。其优势是可对复杂的机组消防设备模型进行重构，实现自动化批量重建，免去烦琐的手工建模操作，也因其复刻还原度提高了三维识别的准确性。三维识别是实现混合现实虚实融合的重要手段，将Reality Capture生成的模型导入Model Target Generator转换为适用的模型数据格式，上传至Vuforia平台中的引擎数据库，Vuforia可以使用该数据库对模型目标进行追踪，实现CAD目标物体识别，为混合现实提供真实场景还原。

3.4  事故情景特效与动画实现

为了模拟事故现场的灾害情景，需要在真实环境中添加虚拟动态效果来呈现灾害情景。虚拟动态效果如集电环室着火冒烟、场景警报闪红提示、警戒围栏、疏散撤离路线导航、消防设备的操作流程演示动画等，其中烟雾效果通过Unity粒子系统进行设计实现，通过为物体对象添加Particle System组件，调节其参数设置。警戒围栏禁止通行警示效果，利用Photoshop制作贴图导入Unity3D实现；导航标识提示与交互动画制作，使用Unity3D内置动画系统实现，如图12所示。

4  结  论

本文根据企业实际需求，以水电站发电机组着火事故专项应急预案MR仿真平台的构建为例，综合考虑水电站运行特点及特种环境下应急演练的真实情况，对平台构建的内容与方法進行分析，形成如下结论：

1）依据电站发电机组着火事故专项应急预案处置流程，结合情景构建与向导设计方法，开发设计MR仿真平台的相应功能与虚拟界面操作流程，分为四个模块对仿真平台的组成进行设计，并着重分析平台的实施流程与实现方式。通过仿真平台模拟发电机组着火事故专项预案的实施流程，将虚拟事故情景融合到现实场景进行模拟演练，再现事故场地的安全隐患，并借助微软的全息眼镜设备，实现在现实场景下进行虚拟演练的交互操作，弥补事故情景构建在应急演练中的不足。

2）通过对平台的模拟测试，验证了平台事故处置程序的科学合理性。平台所提供的功能可进一步提升运维人员对危险的认识，使得应急演练培训更加到位，有效提升预案演练的效果，提高运维人员的实训效率。

该平台是对特种环境下不便进行实战演练的一种有利补充，一定程度上弥补了水电站实战演练现有研究的不足，同时还为MR专项应急演练仿真平台的设计开发提供了必要的参考依据。考虑到仿真平台对实战演练结果的影响，虽然可为其他专项应急演练MR仿真平台方案的制订提供理论支撑，但是开发过程中没有充分考虑实操时的用户体验，对应急演练产生一定的影响，还需对影响用户体验的虚拟界面效果等进行进一步的研究。

参考文献：

[1] 杨华，陈子辉.水电厂运行期综合管理内容和方式探究 [J].西北水电，2013（6）：82-85.

[2] 李玉芹，黎静，王新栋，等.水电工程安全应急云平台构建研究 [J].西北水电，2018（3）：104-107+110.

[3] 赵正宏.应急救援预案编制与演练 [M].北京：中国石化出版社，2019.

[4] 朱新平，徐海瑶，万健.基于虚拟现实的机场消防救援虚拟演练平台 [J].计算机仿真，2020，37（2）：102-105.

[5] 于辉，王书华，刘立军，等.基于Unity3D的抽水蓄能电站运行事故应急处理仿真系统研究 [J].水利水电技术：中英文，2022，53（S1）：407-411.

[6] 潘卫军，徐海瑶，朱新平.基于VR技术的机场应急救援虚拟演练平台 [J].中国安全生产科学技术，2020，16（2）：136-141.

[7] 王健，黄凯，李振.虚拟现实技术在应急演练中的应用 [J].现代职业安全，2020（10）：78-80.

[8] 李景虎.混合现实技术在轨道交通全自动线路运营中的应用探讨 [J].隧道与轨道交通，2021（S1）：66-69.

[9] 矫恒超.基于混合现实技术的应急处置交互式系统研究 [J].安全、健康和环境，2021，21（6）：22-27.

[10] 吴程程，吕毅，袁新浩，等.民机飞行机组应急逃生设计混合现实仿真系统 [J].图学学报，2022，43（2）：306-315.

[11] 李国和，张家坤，李少春，等.基于混合现实技术的情景构建应急演练仿真系统应用浅析——以抽水蓄能电站边坡垮塌应急演练为例 [J].中国新通信，2022，24（2）：88-89.

[12] 张英菊.应急预案辅助设计及评价问题研究 [M] 长春：吉林人民出版社，2016.

作者简介：郭兴远（1992—），男，汉族，陕西榆林人，硕士研究生在读，研究方向：三维可视化。