張 盈，張仁貢，吳欽華

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310009；3.蒼南縣橋墩水庫(kù)管理處，浙江 蒼南 325806)

0 引 言

按照《中華人民共和國(guó)水法》、《水庫(kù)大壩安全管理?xiàng)l例》以及國(guó)家防洪應(yīng)急救援相關(guān)法律法規(guī)，每年大中型水庫(kù)都要開(kāi)展防洪應(yīng)急演練，傳統(tǒng)的防洪應(yīng)急演練的缺陷主要在于：①時(shí)間長(zhǎng)。防洪應(yīng)急演練前期需要做長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備，需要實(shí)際準(zhǔn)備防洪應(yīng)急演練所需的各種物資、材料、場(chǎng)地等。②成本高。很多防汛物資一次性消耗，同時(shí)需要組織相應(yīng)的人力物力，耗費(fèi)相當(dāng)多的經(jīng)濟(jì)成本。③效果差。由于防洪應(yīng)急演練缺少趣味性、互動(dòng)性、競(jìng)賽性等科目，以應(yīng)付為主，達(dá)不到預(yù)期的效果。④現(xiàn)代化缺乏。未采用一些現(xiàn)地技術(shù)的融合，達(dá)不到防洪應(yīng)急演練先進(jìn)性、現(xiàn)代化的要求。為了解決上述問(wèn)題，在應(yīng)急演練領(lǐng)域，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在這方面有了諸多的研究。河南大學(xué)李森[1]2015年在碩士畢業(yè)論文《虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)ViWo中的數(shù)據(jù)可視化和應(yīng)急演練》中，論述了一種在ViWo系統(tǒng)中利用外部大規(guī)模數(shù)據(jù)嵌入式開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急演練的可視化展現(xiàn)和交互，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、APP互交及后期升級(jí)方面存在困難。燕山大學(xué)劉鵬博[2]在其2016年碩士論文《基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)急演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》中研究了基于遮擋剔除算法的k-d樹(shù)遮擋查詢優(yōu)化算法的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急演練系統(tǒng)，但屬于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段，項(xiàng)目設(shè)計(jì)和案例應(yīng)用存在諸多不足。同時(shí)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在交通、軍事、電力等領(lǐng)域，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，如北京交通大學(xué)的馬駿博士[3]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到應(yīng)災(zāi)導(dǎo)航。燕莉等[4]學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入的軍事領(lǐng)域的作戰(zhàn)演練中；霍聞軍[5]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到電力應(yīng)急搶修演練, 中國(guó)海洋大學(xué)程強(qiáng)偉[6]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于石化消防等。蔡蘇等[7]則將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急類教學(xué)。這些研究為筆者開(kāi)展水利領(lǐng)域的防洪應(yīng)急演練提供了很好的參考借鑒價(jià)值。目前專門將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究應(yīng)用到水利工程防洪應(yīng)急演練的學(xué)者很少，筆者團(tuán)隊(duì)依托教育部和浙江省水利廳科技課題，結(jié)合目前的NFC技術(shù)、VR技術(shù)、APP技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、云技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)工作，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使水利水電工程防洪演練的成本大大降低，且更具有趣味性、互動(dòng)性、競(jìng)賽性、先進(jìn)性等。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)主要分為3大部分，由NFC型防洪演練團(tuán)建裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急演練系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)組成，最后由防汛應(yīng)急演練云協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架原理圖Fig.1 Overall framework schematic diagram

(1)NFC型防洪演練團(tuán)建裝置。該系統(tǒng)要求手持終端必須具有NFC感應(yīng)功能[9]，參加防洪演練的團(tuán)隊(duì)成員到達(dá)某一個(gè)場(chǎng)景時(shí)，必須在該處通過(guò)手持終端NFC感應(yīng)，在彈出的對(duì)話框中完成填表、拍照(語(yǔ)音或小視頻)、上傳等功能。完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)路徑節(jié)點(diǎn)，并將剛才完成的任務(wù)上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)保存。該功能有效地防止團(tuán)建團(tuán)隊(duì)跳躍或遺漏了某一個(gè)防洪演練設(shè)計(jì)場(chǎng)景關(guān)口，記錄的到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)間可以用以后續(xù)成績(jī)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和自動(dòng)排名。

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)防洪演練系統(tǒng)。手持終端安裝AR場(chǎng)景APP程序，防洪演練團(tuán)建團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)可以打開(kāi)APP程序，按照設(shè)定的路徑提示，開(kāi)展活動(dòng)。一個(gè)AR場(chǎng)景通過(guò)APP提示來(lái)掃描，通過(guò)掃描關(guān)口進(jìn)入后，將在APP中自動(dòng)獲取后臺(tái)云數(shù)據(jù)庫(kù)中的防洪演練試題庫(kù)，按某種特定的方式出現(xiàn)在界面中，防洪演練團(tuán)隊(duì)人員將按照必須完成項(xiàng)目后通關(guān)，才能進(jìn)入下一個(gè)防洪演練場(chǎng)景。

(3)大數(shù)據(jù)管理及自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該功能將每次演練及防汛物資數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)積累，進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理，并具有自學(xué)習(xí)的功能。電腦端有客戶端程序，通過(guò)界面可以設(shè)置云數(shù)據(jù)庫(kù)用戶、密碼及用戶權(quán)限；生產(chǎn)AR感應(yīng)碼，用以增加、修改或刪除AR感應(yīng)卡的數(shù)目；生產(chǎn)NFC感應(yīng)碼，用以增加、修改或刪除NFC感應(yīng)卡的數(shù)目[10]；后臺(tái)管理功能還包括試題庫(kù)管理、AR點(diǎn)位配置及AR場(chǎng)景內(nèi)容管理、AR路徑管理、防洪演練人員的名單管理、每次活動(dòng)的成績(jī)管理、自動(dòng)排名及打印等。通過(guò)數(shù)據(jù)積累，進(jìn)行自學(xué)習(xí)，為下次防洪演練的改進(jìn)提供決策。

(4)防洪應(yīng)急演練云協(xié)同平臺(tái)。該平臺(tái)主要將以上三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同。當(dāng)防洪演練團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)NFC掃描記錄后，通過(guò)APP程序完成通關(guān)，關(guān)口通關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)各個(gè)人員就可以通過(guò)現(xiàn)地控制單元(LCU)的觸摸屏[11]，用自己分配好的用戶名和密碼登錄現(xiàn)地平臺(tái)，現(xiàn)地平臺(tái)與單片機(jī)鏈接，平臺(tái)中將出現(xiàn)該場(chǎng)景的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，必須充分觀察和了解現(xiàn)場(chǎng)的知識(shí)后，才能準(zhǔn)確無(wú)誤地完成平臺(tái)界面出現(xiàn)的提問(wèn)。完成防洪演練提問(wèn)后，每個(gè)人可以提交自己的答案。每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員登錄后出現(xiàn)在平臺(tái)上的防洪演練試題將不相同，需要獨(dú)立完成后或團(tuán)隊(duì)其他成員協(xié)助完成。團(tuán)隊(duì)成員所完成的所有試題及答案將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)，直至后臺(tái)[12]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

作為一個(gè)綜合諸多高端技術(shù)為一體的實(shí)用型防洪演練云系統(tǒng)，它所涉及的技術(shù)很多，一些通用技術(shù)如基于云服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)、基于現(xiàn)地LCU的流程化開(kāi)發(fā)技術(shù)、基于Android的APP開(kāi)發(fā)技術(shù)等本文不作詳細(xì)介紹。本文著重介紹NFC型防洪演練團(tuán)建裝置研發(fā)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)防洪演練系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)、大數(shù)據(jù)管理的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)算法技術(shù)、防洪應(yīng)急演練云協(xié)同路徑優(yōu)化決策路徑技術(shù)[13]等。

2.1 NFC型防洪演練團(tuán)建裝置研發(fā)

NFC型防洪演練團(tuán)建裝置(專利號(hào)：201821906021.X)由VR感應(yīng)碼、NFC感應(yīng)芯片扣、單片機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置、觸摸屏裝置、微型變壓器、電源接口、塑膠盒、橡皮吸附盤，手持終端等組成，可以很方便吸附在某一場(chǎng)景內(nèi)，通電即可使用，原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 NFC型防洪演練團(tuán)建裝置原理圖Fig.2 Overall framework schematic diagram

外部配合系統(tǒng)包括臺(tái)式電腦管理機(jī)、激光打印機(jī)和云服務(wù)器組成。臺(tái)式電腦管理機(jī)和激光打印機(jī)采用并行接口數(shù)據(jù)線鏈接，臺(tái)式電腦管理機(jī)與云服務(wù)器采用無(wú)線通信鏈接。激光打印機(jī)可以打印VR感應(yīng)碼。

NFC型防洪演練團(tuán)建裝置的外殼采用了長(zhǎng)50 cm、寬35 cm、高10 cm的正方形塑膠盒，盒子中央靠下方，挖出一個(gè)長(zhǎng)30 cm、寬30 cm的口，剛好可以嵌入觸摸屏裝置。具有NFC感應(yīng)功能的圓形小芯扣(在電子市場(chǎng)上可以買到，半徑1 cm左右，具有感應(yīng)碼)，在塑膠盒正面中央上方挖出一個(gè)小孔，用膠水將NFC感應(yīng)芯片扣貼在盒子內(nèi)側(cè)，芯片中央對(duì)準(zhǔn)小孔，便于手持終端靠近感應(yīng)。手持終端必須是具有NFC感應(yīng)功能的APP程序化手機(jī)，可以在10 cm距離范圍內(nèi)靠近感應(yīng)NFC感應(yīng)芯片，手持終端通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)通信與外部配合系統(tǒng)的云服務(wù)器通信鏈接。裝置內(nèi)部的NFC感應(yīng)芯片扣通過(guò)數(shù)據(jù)線與單片機(jī)RS485接口鏈接，單片機(jī)與觸摸屏裝置采用VG線通信接口鏈接，單片機(jī)與無(wú)線發(fā)送裝置采用網(wǎng)線鏈接。單片機(jī)可以通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置與外部配合系統(tǒng)中的云服務(wù)器進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信。無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置上插有移動(dòng)數(shù)據(jù)卡，可以通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。觸摸屏裝置和單片機(jī)都與微型變壓器采用普通雙絞導(dǎo)線鏈接，微型變壓器與電源接口采用普通雙絞導(dǎo)線鏈接。NFC感應(yīng)芯片扣、單片機(jī)、觸摸屏裝置，微型變壓器、電源接口都安裝在塑膠盒內(nèi)，采用螺絲固定并采用萬(wàn)能膠加固。各種線路，包括數(shù)據(jù)線、VG通信線、RS485串行線、普通雙絞導(dǎo)線、網(wǎng)線等都整齊布置在塑膠盒內(nèi)部，電源接口布置在塑膠盒右下方開(kāi)口處，并部分突出到外部，便于電源線鏈接到電源插座。本系統(tǒng)利用NFC技術(shù)，結(jié)合基于Android的APP開(kāi)發(fā)技術(shù)，采用了基于SaaS互聯(lián)網(wǎng)+架構(gòu)的新型軟件架構(gòu)模式[14]，在移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)APP，實(shí)現(xiàn)了靠近NFC卡感應(yīng)即觸發(fā)，通過(guò)讀取現(xiàn)場(chǎng)NFC的感應(yīng)代碼，觸發(fā)3個(gè)觸發(fā)器[15]，其工作流程如圖3所示。

圖3 NFC感應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)Fig.3 NFC induction internet of things technology

從圖3可知，觸發(fā)器1將觸發(fā)登錄界面，啟動(dòng)APP應(yīng)用程序，以便登錄人員完成任務(wù)，并將完成任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)；觸發(fā)器2將觸發(fā)GPS定位，記錄定位，自動(dòng)繪制路徑，傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)；觸發(fā)器3將觸發(fā)時(shí)鐘，將時(shí)間信息進(jìn)記錄并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)中；所有數(shù)據(jù)將可以到達(dá)后臺(tái)電腦程序進(jìn)行處理。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)防洪演練系統(tǒng)研發(fā)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。本系統(tǒng)采用AR技術(shù)，結(jié)合場(chǎng)景現(xiàn)實(shí)照片及其他特色素材，預(yù)先利用后臺(tái)程序，導(dǎo)入到云數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)流圖如圖4所示。

從圖4可知，后臺(tái)程序生產(chǎn)AR感應(yīng)碼，AR感應(yīng)碼與數(shù)據(jù)庫(kù)素材一對(duì)多關(guān)聯(lián)，由打印機(jī)打印AR感應(yīng)碼， 貼在裝置外殼特定的位置。每個(gè)AR感應(yīng)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)多個(gè)素材，每個(gè)素材對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)云數(shù)據(jù)庫(kù)中的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)抽取功能。場(chǎng)景信息保存在云數(shù)據(jù)庫(kù)的云場(chǎng)景庫(kù)中，素材存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)的云素材庫(kù)中，問(wèn)題庫(kù)則存在云問(wèn)題庫(kù)中，所有的云數(shù)據(jù)庫(kù)皆由后臺(tái)計(jì)算機(jī)程序統(tǒng)一調(diào)度[16]。

圖4 AR技術(shù)數(shù)據(jù)流圖Fig.4 AR technical data flow diagram

2.3 大數(shù)據(jù)管理的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)算法

研究和實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的防汛演練自學(xué)習(xí)算法。首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)(防洪演練的人數(shù)、成績(jī)、通關(guān)頻次、天氣特征等)，擬采用深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有監(jiān)督的特征提取，有效提取不同區(qū)域，不同環(huán)境下發(fā)生汛情對(duì)應(yīng)的防汛物資消耗的歷史數(shù)據(jù)特征和汛情特征。深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中卷積、池化、非線性激活操作，提高了其非線性、抽象描述能力，并且通過(guò)“跳躍連接”避免網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)恒等映射[17]，使得更深層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在訓(xùn)練時(shí)不產(chǎn)生額外的參數(shù)。在提取出底層特征后，需要采用標(biāo)記分布進(jìn)行逼近學(xué)習(xí)，項(xiàng)目所面臨的更多是多個(gè)變量的標(biāo)記分布問(wèn)題，先用多變量標(biāo)記分布方法給出樣本汛情對(duì)應(yīng)的底層特征標(biāo)簽分布，再采用JS度量衡量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記分布和模型的預(yù)測(cè)標(biāo)記分布之間相似程度來(lái)構(gòu)建分布式學(xué)習(xí)模型，JS度量值可表示為：

(1)

式中：P和Q為兩組離散的概率分布，P(p1,p2,p3,…,pn) ，Q(q1,q2,q3,…,qn)。再通過(guò)對(duì)回歸結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擬合[18]，以擬合誤差作為防洪演練終止的約束條件。

把防洪演練樣本通過(guò)訓(xùn)練好的模型來(lái)預(yù)測(cè)它們對(duì)應(yīng)的標(biāo)記分布，根據(jù)預(yù)測(cè)標(biāo)記分布的結(jié)果，按照以一定的條件，選出可用樣本。對(duì)選定的樣本，根據(jù)其對(duì)應(yīng)的汛情把它們劃分到不同的子集合中。然后，對(duì)每一個(gè)劃分好的子集，根據(jù)該子集中樣本所對(duì)應(yīng)的標(biāo)記分布，采用JS散度作為度量標(biāo)準(zhǔn)，用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差擬合，由此獲得不同子集上樣本標(biāo)記分布的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)獲得的標(biāo)準(zhǔn)差為樣本進(jìn)行對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽重新生成標(biāo)記分布，并由此更新訓(xùn)練集。不斷重復(fù)迭代上述多變量標(biāo)記分布學(xué)習(xí)和標(biāo)準(zhǔn)差擬合兩個(gè)過(guò)程，直到滿足終止條件為止，則完成回歸模型的建立。根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)和建立好的回歸模型，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果并進(jìn)行報(bào)警結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的防汛物資儲(chǔ)備。

2.4 防洪應(yīng)急演練云協(xié)同路徑優(yōu)化決策路徑

令Rik表示大中型水利工程的防汛物資倉(cāng)庫(kù)編號(hào)為i的防汛物資k的存儲(chǔ)量，Wijkv表示在防汛車輛v上防汛物資倉(cāng)庫(kù)i分配到防洪應(yīng)急救援點(diǎn)j的防汛物資k的數(shù)量?？紤]到物資倉(cāng)庫(kù)i分配到所有防洪應(yīng)急救援點(diǎn)的防汛物資k數(shù)量不超過(guò)防汛物資倉(cāng)庫(kù)i的防汛物資k的存儲(chǔ)量，則防汛倉(cāng)庫(kù)物資存儲(chǔ)量約束為：

(2)

為了避免浪費(fèi)和有效利用防汛物資，則要求所有倉(cāng)庫(kù)到救援點(diǎn)j的防汛物資k的數(shù)量不超過(guò)防汛應(yīng)急救援點(diǎn)j對(duì)防汛物資k的需求量，則物資需求約束為：

(3)

由于每一輛防汛車輛的運(yùn)輸能力有限，即車輛的防汛物資運(yùn)輸容量不超過(guò)其最大運(yùn)載能力，且為了快速充分利用車輛進(jìn)行運(yùn)輸，車輛的防汛物資運(yùn)輸容量應(yīng)大于一定的閾值，則車輛運(yùn)輸約束為：

(4)

根據(jù) GIS 系統(tǒng)和洪災(zāi)分布情況，可確定兩個(gè)位置之間能避開(kāi)洪災(zāi)淹沒(méi)道路的最短路徑。根據(jù)同一個(gè)車輛上各種防汛物資需要到達(dá)的各個(gè)救援點(diǎn)位置，采用最近鄰算法計(jì)算遍歷所需要到達(dá)救援點(diǎn)的移動(dòng)路徑，從而獲得該車輛到達(dá)各個(gè)救援點(diǎn)的移動(dòng)路程Pijkv和到達(dá)時(shí)間tijkv=Pijkv/v，其中v表示防汛車輛行駛數(shù)量。由于應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)防汛物資的送達(dá)時(shí)間要求不一致，因此運(yùn)輸時(shí)間約束為：

max(tijkv, ?i,v)≤Tjk, ?j,k

(5)

式中：T表示應(yīng)急救援點(diǎn)j對(duì)防汛物資k的需求時(shí)間。則防汛物資滿足率模型是盡可能滿足救援點(diǎn)對(duì)防汛物資的需求，即：

(6)

式中：Bkj表示救援點(diǎn)j對(duì)防汛物資k的需求量。同時(shí)，考慮公平的分配防汛物資，則需要盡可能使每一個(gè)救援點(diǎn)的物資滿足率方差最小。

(7)

式中：Ratj表示救援點(diǎn)j的物資滿足率，則需要：

(8)

式中：NJ表示救援點(diǎn)j的個(gè)數(shù)。

由于防汛搶險(xiǎn)資源的調(diào)度是實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情快速準(zhǔn)確處置的前提條件，如果防汛物資不能在第一時(shí)間抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，將導(dǎo)致?lián)岆U(xiǎn)方案實(shí)施困難。因此需要讓防汛物資的平均調(diào)度時(shí)間盡可能小。

(9)

式中：NI表示儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)i的個(gè)數(shù)；NK表示防汛物資的個(gè)數(shù)；NV表示車輛的個(gè)數(shù)。

則根據(jù)多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)每一個(gè)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行歸一化，并采用引入 3 個(gè)因子x1,x2,x3，確定3個(gè)因子的取值。最終建立車輛數(shù)量充足的調(diào)度優(yōu)化模型：

(10)

式中：Byu表示防汛物資需求歸一化閾值；Ryu表示物資滿足率方差歸一化閾值；tyu表示平均調(diào)度時(shí)間歸一化閾值。

雖然標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法可求解優(yōu)化模型(10)，但是隨著迭代次數(shù)的不斷增加，有可能收斂到局部最優(yōu)解?；旌狭Ｗ尤核惴ㄞ饤壛藗鹘y(tǒng)粒子群算法中的通過(guò)跟蹤極值更新粒子群的方法，而是引入遺傳算法的交叉和變異操作，可較好的搜索最優(yōu)解。因此采用修正的混合粒子群算法求解優(yōu)化模型，即針對(duì)模型，研究個(gè)體編碼、適應(yīng)度值計(jì)算、交叉操作、變異操作、粒子修正等步驟，獲得車輛數(shù)量充足下的防汛物資調(diào)度方案，指導(dǎo)存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)準(zhǔn)備防洪防汛物資數(shù)量，并將上述計(jì)算嵌入到虛擬防汛系統(tǒng)平臺(tái)中，用以協(xié)同管理各個(gè)子系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

橋墩水庫(kù)矗立在美麗的溫州地區(qū)蒼南縣，是一個(gè)大中型水庫(kù)綜合管理單位，有水庫(kù)、水電站、灌區(qū)、飲水水源地等，每年都要開(kāi)展防洪演練。橋墩水庫(kù)建設(shè)有溫州市蒼南縣水電科普基地，利用該場(chǎng)地安裝AR_NFC型防洪演練團(tuán)建型裝置，可以很好地開(kāi)展虛擬防洪演練工作，設(shè)本次水庫(kù)管理單位共有40個(gè)員工參加虛擬防洪演練，一位指導(dǎo)教官。員工通過(guò)分組，8人一組，為5組，分別取名為鐵骨隊(duì)、汛安隊(duì)、滅洪隊(duì)、先鋒隊(duì)和平安隊(duì)。每組盡量男女比例均勻，將安裝有APP的NFC手持機(jī)分給每個(gè)小組1臺(tái)。指導(dǎo)教官備課時(shí)，將該裝置提前到室外場(chǎng)景，本次場(chǎng)景為水電科普基地的防洪教育區(qū)，選擇了6個(gè)場(chǎng)景，在館中安裝好6個(gè)NFC型防洪演練團(tuán)建裝置，因?yàn)椴捎帽銛y式裝置，安裝非常容易，將裝置吸附在場(chǎng)景的離電源近的地方，插上插頭通電即可。

可以開(kāi)啟辦公室臺(tái)式電腦管理機(jī)，臺(tái)式電腦管理機(jī)安裝有后臺(tái)防洪演練管理程序軟件，該軟件由發(fā)明人采用ASP.net語(yǔ)言的Microsoft.NET ADO.NET Framework 3.5組件[19]開(kāi)發(fā)而成，主要用來(lái)管理云數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)AR感應(yīng)碼等后臺(tái)管理功能?？梢匀〔煌淖帧坝怼?、“舜”、“堯”或者大禹治水不同時(shí)期的照片，上傳到臺(tái)式電腦，臺(tái)式電腦客戶端程序采用visual basic.NET可視化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[20]，作為AR感應(yīng)碼的一部分，AR感應(yīng)碼保存在云數(shù)據(jù)庫(kù)中。云服務(wù)器中安裝有防洪演練云數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)由發(fā)明人設(shè)計(jì)，可以通過(guò)臺(tái)式電腦的后臺(tái)防洪演練管理程序進(jìn)行修改或刪除。通過(guò)云數(shù)據(jù)庫(kù)中的防洪演練數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置不同場(chǎng)景所要完成的任務(wù)，這些任務(wù)將遠(yuǎn)程派發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)電腦觸摸屏裝置。員工進(jìn)入后，按照手持機(jī)APP中預(yù)設(shè)的團(tuán)隊(duì)任務(wù)，到達(dá)每個(gè)場(chǎng)景時(shí)，先要到裝置上感應(yīng)NFC芯片，記錄到達(dá)的時(shí)間、GPS路徑等信息，再通過(guò)掃一掃AR感應(yīng)碼，認(rèn)證通過(guò)后，進(jìn)入APP登錄界面，然后完成團(tuán)隊(duì)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)鏈路及數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用原理如圖5所示。

每年汛期開(kāi)始時(shí)間為4月15日，一般選擇3月份開(kāi)展防洪演練工作，案例水庫(kù)3月份共開(kāi)展了12次，在管理系統(tǒng)中，可以統(tǒng)計(jì)參與人員總數(shù)、任務(wù)數(shù)、平均錯(cuò)誤率、未完成任務(wù)等，由大數(shù)據(jù)模型分析統(tǒng)計(jì)排名，同時(shí)系統(tǒng)將提醒隊(duì)伍下次的優(yōu)化路徑，經(jīng)過(guò)演練人員的素質(zhì)逐步提升，錯(cuò)誤率明顯降低，總體來(lái)看，鐵骨隊(duì)成績(jī)最優(yōu)，平安隊(duì)成績(jī)最差。如圖6所示的界面。

圖6 防洪演練虛擬現(xiàn)實(shí)團(tuán)建管信息系統(tǒng)界面Fig.6 Flood control practice virtual reality group construction management information system interface

在APP中根據(jù)提示完成任務(wù)，這些任務(wù)都是這堂課所要掌握的一些知識(shí)點(diǎn)，完成后提交，正確后才可以通關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)手機(jī)GPS定位記錄完成任務(wù)的路徑，通過(guò)觸摸屏完成相對(duì)應(yīng)的任務(wù)。觸摸屏鏈接的單片機(jī)中安裝有防洪演練的任務(wù)程序，便于參加團(tuán)建的各位員工完成防洪演練任務(wù)，并可以將完成的任務(wù)提交到云服務(wù)器。這樣一來(lái)，各個(gè)團(tuán)隊(duì)從科普基地入口到達(dá)出口的時(shí)間將會(huì)不一樣。同時(shí)云數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)完成錯(cuò)誤次數(shù)，錯(cuò)誤率等，形成綜合評(píng)分，最終得出團(tuán)隊(duì)的名次。

4 結(jié) 論

實(shí)踐應(yīng)用表明，該NFC型防洪演練團(tuán)建型教學(xué)系統(tǒng)能夠有效地完成防洪演練任務(wù)，得出如下結(jié)論。

(1)節(jié)約成本。通過(guò)虛擬模擬技術(shù)，將存儲(chǔ)物資通過(guò)場(chǎng)景模擬，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了成本的節(jié)約。

(2)效果好。通過(guò)闖關(guān)的形式實(shí)現(xiàn)了防洪演練的競(jìng)賽、競(jìng)爭(zhēng)、積分、獎(jiǎng)勵(lì)等環(huán)節(jié)，再結(jié)合實(shí)際演練操作，激發(fā)員工的積極性，增加了防洪演練的趣味性，效果比傳統(tǒng)好很多。

(3)先進(jìn)性高。該系統(tǒng)將先進(jìn)的NFC技術(shù)、VR技術(shù)、APP技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、云技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等結(jié)合在一起，使該系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性。

目前，該系統(tǒng)還沒(méi)有對(duì)接視頻、對(duì)講、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景采集等功能，這些將作為下一步升級(jí)和研發(fā)的任務(wù)。