基于严肃游戏的管涌险情应急抢险虚拟演练培训系统

杜江岳 谢歌

（华北水利水电大学信息工程学院 河南省郑州市 450018）

严肃游戏不以娱乐为目的，而是以传递知识，教育，专业训练为主要目标的游戏[1,2]。南水北调输水工程总线跨越流域大，沿线地质条件复杂。在工程运行过程中，可能会发生自然灾害、设备失效等多类别风险。通常通过布置监测设施进行日常观测，监测工程运行情况，但监测设备难以完全覆盖工程区域，一些盲区仍然需要工程安全巡检人员进行人工巡查。由于灾害种类多，对巡检人员的风险识别能力培训是保证工程安全运行的重要组成部分。传统灾害预演培训形式分为桌面演练和实战演练[3]。桌面演练又称桌面推演，参演人员通过地图、沙盘等辅助手段，根据预先假定的演练情景，讨论和推演应急决策及现场处置过程[4]。演练情景的设计在提高受培训人员的能力方面起着重要作用。然而，桌面演练的效果受限制于演练情景的设计质量，演练情景的设计过程本身耗时长且容易出错。演练情景在设计时受到设计师主观想象的限制，容易忽视险情的破坏范围和危害程度，所描述事件的发生顺序也可能与现实情况不完全相同。因此，需要通过实战演练使被培训人员熟悉实际抢险救灾流程。实战演练通过设置演习区域，还原灾害发生时的真实情景，训练抢险人员的实际操作能力。实战演练培训效果较好，但实战演练需要花费大量人力和物力，无法做到随时随地演练，并且一次实战演练结束后，通常很难复现演练过程。鉴于传统培训存在上述缺陷，研究者们尝试通过虚拟现实技术构建培训场景，如医学领域中的手术模拟[5]、康复训练[6]；海事领域中的船舶制造仿真与交互[7]；航空航天领域中的航天员培训[8]；水利领域中的水电站应急抢险培训[9]等。当前虚拟培训场景的实体多为单人或多个实际参与者，培训方式以文字或图表罗列知识点为主，驱使参与者进行交互。近期对严肃游戏的研究表明，灾害演练培训与演练脚本的关系不同于电影与电影脚本之间的关系[10]，即场景中最好不出现对培训参与者的直接指示，而是通过在演练脚本中包含被模拟过程的环境，使参与者主动执行观察-确认-决定-行动这一行为循环，以此增强培训效果。

综上所述，通过分析水利应急预案流程，将险情特征、预案流程、应急知识融入演练脚本，不直接指示虚拟培训参与者进行操作，而是使用前后相关的事件组成培训内容；通过虚拟角色行为引导参与者主动思考抢险应急措施；设计并实现了一个管涌险情的抢险培训系统验证引导方法的可靠性。经实验证明，受训人员在虚拟场景中主动思考使得虚拟场景沉浸感更强，培训效果更加显著。

1 系统总体架构与培训流程设计

1.1 系统总架构分析

考虑到培训系统的业务需求，系统整体使用四层架构，分别为物理设备层、视图层、事件层和业务层。其中，物理设备层主要包括物理设备和对不同设备的输入信号进行抽象的脚本，是支持多平台应用的基础；视图层包括用户直接观察到的模型，如地物模型、虚拟角色模型、天空盒等；事件层是系统的核心部分，主要负责将用户的交互输入转换成事件码，通过传输事件码，完成场景中其他元素对用户输入的响应；业务层负责管理场景资源调度、流程控制等业务逻辑。图1为架构示意图。

图1：系统架构示意图

1.2 培训流程设计

根据文件《工程运行期工程安全事故应急预案》，工程安全事故按照性质、可控性、严重程度和影响范围等因素，分为Ⅰ级（特别重大）、Ⅱ级（重大）、Ⅲ级（较大）和Ⅳ级（一般）四个级别。建筑物基础发生管涌，引起建筑物垮塌或渠堤边坡发生管涌引起渠道溃口为Ⅰ级；渠堤边坡发生较大范围集中渗漏、流土导致渠堤部分跨塌、管理道路中断，但渠水未外泄为Ⅱ级；渠堤边坡发生集中渗漏、流土导致渠堤变形开裂为Ⅲ级；局部沉降引起渠堤堤身开裂或建筑物基础接缝渗漏、结构受损为Ⅳ级。

工程安全事故信息一般应按规定逐级上报。南水北调中线干线工程安全事故应急指挥机构由一级运行管理单位（中线建管局）、二级运行管理单位（各分局、北京市南水北调干线管理处）、三级运行管理单位（各现地管理处等）组成。三级运行管理单位的工程安全巡检人员发现或接到突发事件通知后，应立即电话报告负责人和中控室值班人员。负责人接到现场报告后电话报告二级运行管理单位，同时安排人员报分调度中心和二级运行管理单位相关专业职能处室。

三级运行管理单位在上报险情后，应根据所辖渠段特点制定应急处置方案，组织现场人员进行先期处置工作。对于管涌险情，应在涌水口处及周边采用砂砾石填压，等待专业应急抢险队伍运送抢险物资，再进行专业抢险设施搭建。

综合以上应急流程，将预演培训分为发现异常、险情确认、险情上报、应急抢险和抢险结束五个阶段。具体培训流程如图2所示。

图2：培训流程设计图

1.3 系统功能设计

基于1.2节的培训流程需求，系统主要由管涌险情三维场景可视化、应急抢险演练培训、人机交互仿真和培训效果评价四个模块组成，如图3所示。

图3：系统功能设计图

管涌险情三维场景可视化模块主要负责在虚拟场景中复现管涌险情特征，使受训人员在虚拟场景中巡检时发现异常并上报，主要包括构成特征的地形系统与粒子特效、动画等。

应急抢险演练培训模块负责播放等级确认过程中的音频资源、向受训人员展示不同等级险情的上报流程图、展示管涌险情发生原理、提供应急决策待选方案、介绍不同抢险物资的应用场景和抢险物资的搭建方法等。

人机交互仿真模块响应用户在虚拟场景中的交互行为，实现人机交互功能。

培训效果评价模块负责记录培训任务的开始与结束时间，培训任务完成情况，受训人员操作熟练度等信息。

2 流程实施与功能实现

2.1 场景基本地物三维模型

管涌应急抢险预演平台主要以土石坝边坡渗漏这一典型险情展开。虚拟场景中的地物模型选取河南省辉县市某段高填方渠段为参考，将该渠段施工时使用的图纸参考等比缩放，在三维工程建模软件中进行基本地物模型的制作。完成三维模型制作后，通过现场采集贴图素材，经过图片处理软件制作纹理平铺无缝贴图。考虑场景的真实性，地物模型统一使用基于物理的材质。图4为渠道边坡、马道和防浪墙在虚拟场景中的最终渲染效果。

图4：地物模型渲染效果图

2.2 抢险物资三维模型

在水利应急抢险过程中，需要用到许多种防汛物资。根据不同种类的险情或同种险情发展阶段不同，所需抢险物资也不同。针对这一特征，参考《防汛抢险技术手册》，对渗漏险情所需防汛抢险物资进行三维建模。图5为一些抢险物资示例。

图5：抢险物资建模示例图

2.3 虚拟角色行仿真

参考南水北调中线干线工程应急预案相关文件，边坡渗漏险情应急抢险过程涉及多个专业组，不同组担任不同抢险任务，具体功能分组情况如表1所示。

表1：不同角色的职能

用户在场景中进行交互时，其他身份的角色需要对用户的行为做出实时响应。本文通过事件系统驱动虚拟角色行为。用户在与场景中虚拟物体交互时，将产生一个事件码，通过事件系统广播至虚拟角色的行为脚本，虚拟角色收到事件码后，根据设定好的行为函数，对事件进行响应。具体的事件设计如表2所示。

表2

除了事件驱动虚拟角色行为外，为了使虚拟角色更加智能，根据信息感知模型与有限状态机结合方法[11]，使场景中的虚拟角色对环境进行感知，如图6所示。

图6：虚拟角色信息感知模型

其中R1、R2、R3是各自感知区的范围；θ是人体的最大视角；A、B、C是环境中的对象；O为虚拟角色所在位置。

当用户在虚拟场景中丢失下一步的目标时，虚拟角色将根据当前的险情发展进度，以真实合理的动作和语音，提示用户当前的任务，提升场景的真实感，如图7所示。

图7：虚拟角色提示用户下一个目标

2.4 演练场景构建

管涌应急抢险场景由高填方渠道（马道、防浪墙、边坡）、护林带（围网、刺丝和绿植带）、交叉建筑物、出水口抢险物资（防汛沙袋、背水月堤、无滤围井等）、入水口抢险物资（水下机器人、示踪剂、混凝土搅拌车、混凝土输送泵车、隔水围堰）等部分组成，根据流程设计的五个阶段分为五个子场景。为了不破坏流程的整体性，子场景之间不通过场景转跳的方式进行切换。用户在完成上一个子场景的最后一个交互时，场景管理器将收到一个切换场景的事件码，异步加载下一个子场景所需资源。当上一个的场景的所有内容播放完毕后，通过银幕淡入淡出的形式，将已经载入内存的下一阶段资源显示在场景中，同时卸载掉上一阶段资源，如图8所示。

图8：演练场景展示图

3 结论

通过对虚拟演练培训技术研究，本文对高填方渠段进行了三维场景构建。以管涌险情应急预案流程为基础，设计了符合现实应急流程的剧情；以“所见即所得”的方式驱动用户主动对场景进行探索，完成观察-确认-决定-行动循环；设计并实现了以虚拟角色为牵引的人机交互方式，体现了虚拟现实技术在沉浸感方面的优势，为工程安全巡检人员培训教学环节探索了新的表现形式。未来将考虑引入物理仿真技术进一步增强场景的真实感，以及针对当前虚拟演练培训场景开发工作量大的问题，考虑引入程序化建模技术，减少场景模型的制作周期。