曹 歡 胡麗琴 楊子輝 鄭曉磊 王 芳 尚雷明*

1(安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院 安徽 合肥 230601) 2(中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所中子輸運理論與輻射安全重點實驗室 安徽 合肥 230031)

0 引 言

核應(yīng)急被認為是核電安全的最后一道防線，應(yīng)急培訓(xùn)是核應(yīng)急體系中不可缺少的部分[1]?！秶液藨?yīng)急預(yù)案》《核電廠核事故應(yīng)急管理條例》等法律法規(guī)的頒布，充分體現(xiàn)了應(yīng)急救援工作的重要性和緊迫性。救援人員作為救援任務(wù)的直接執(zhí)行者，其應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害處置、傷員救護等專業(yè)能力的水平，是影響救援效果的重要因素。當(dāng)前的應(yīng)急救援培訓(xùn)大多為應(yīng)急演習(xí)，無法重建核事故場景，受訓(xùn)人員難以感知核事故現(xiàn)場及整體態(tài)勢，無法達到多樣化的重復(fù)訓(xùn)練效果，且培訓(xùn)成本較高、安全性低[2-3]，導(dǎo)致應(yīng)急救援人員的能力建設(shè)面臨一定的挑戰(zhàn)。

虛擬現(xiàn)實(VR)是一種將計算機圖形技術(shù)與相關(guān)設(shè)備相結(jié)合，可為人們創(chuàng)造一個具有沉浸感、互動性和想象力的良好虛擬環(huán)境的仿真技術(shù)。近年來，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外核工業(yè)領(lǐng)域，包括設(shè)計方案評估[4]、虛擬維修培訓(xùn)[5-6]、工程仿真[7]和事故仿真[8]等。此外，虛擬現(xiàn)實在一些安全應(yīng)急領(lǐng)域逐漸成為演練培訓(xùn)的重要手段，并已在消防安全[9]、地質(zhì)礦產(chǎn)[10]、事故應(yīng)急[11]等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。從上述研究可知，VR技術(shù)在安全應(yīng)急領(lǐng)域，尤其是核工業(yè)領(lǐng)域的培訓(xùn)方面具有獨特的優(yōu)勢，可創(chuàng)造一個高逼真度的訓(xùn)練環(huán)境，使受訓(xùn)人員沉浸在高風(fēng)險的場景中。核事故應(yīng)急救援涉及核電站場景、事故演變、救援進程等多方面復(fù)雜信息[12]，目前虛擬仿真在核領(lǐng)域的應(yīng)用難以將流程化的救援行動方案與事故演變過程體現(xiàn)在虛擬場景中，且多數(shù)培訓(xùn)平臺在便捷性方面存在不足[13-14]。

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于核事故救援培訓(xùn)環(huán)節(jié)，依托中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·鳳麟團隊[15-16]自主研發(fā)的數(shù)字社會環(huán)境下的虛擬核電站Virtual4DS[17]平臺以及核安全云NCloud等技術(shù)的最新研究成果[18]，搭建了一種核事故救援在線仿真培訓(xùn)平臺，該平臺應(yīng)用3dsMax和Unity3D軟件創(chuàng)建高逼真度的虛擬場景，采用有限狀態(tài)機模型作為模擬救援演練過程的核心算法，圖形用戶界面采用UGUI插件進行設(shè)計，事故仿真采用粒子系統(tǒng)方法實現(xiàn)。該平臺可直觀展現(xiàn)核電站的復(fù)雜環(huán)境與事故仿真場景，能夠?qū)⒘鞒袒木仍袆臃桨阁w現(xiàn)出來，為救援人員提供一種高逼真度的訓(xùn)練環(huán)境，對提升應(yīng)急救援隊伍實戰(zhàn)能力具有參考意義。

1 平臺架構(gòu)與功能

1.1 架構(gòu)設(shè)計

綜合考慮核事故應(yīng)急救援培訓(xùn)的規(guī)范流程與業(yè)務(wù)需求，結(jié)合體系架構(gòu)理論，設(shè)計一種基于客戶端/服務(wù)器(C/S)模式的系統(tǒng)核心架構(gòu)，如圖1所示?？傮w架構(gòu)包括硬件支撐層、數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用層和客戶端層。其中客戶端層應(yīng)用程序采用三維虛擬仿真平臺Unity3D研發(fā)，包括電腦端和手機端，支持用戶通過客戶端登錄系統(tǒng)進行仿真培訓(xùn)。

圖1 核事故救援在線仿真培訓(xùn)平臺架構(gòu)設(shè)計圖

1.2 功能設(shè)計

仿真培訓(xùn)平臺的作用是提升訓(xùn)練人員的能力水平，參考真實情況下的核事故救援環(huán)節(jié)，并結(jié)合虛擬仿真技術(shù)要求，設(shè)計一種平臺功能構(gòu)建方案，包括三維場景可視化、應(yīng)急救援演練、人機交互仿真、在線考核評估4個功能模塊，如圖2所示。三維場景可視化模塊用于創(chuàng)建與展現(xiàn)高逼真度的核電站復(fù)雜環(huán)境、事故仿真場景與人員輻射劑量；應(yīng)急救援演練模塊用于模擬救援人員在虛擬場景下的救援過程，實現(xiàn)虛擬角色的行為仿真；用戶通過人機交互仿真模塊，借助系統(tǒng)界面與交互設(shè)備，實現(xiàn)救援人員在場景中的虛擬漫游；通過在線考核評估模塊對虛擬演練過程以及救援人員進行實時考核與評估。

圖2 核事故救援在線仿真培訓(xùn)平臺功能設(shè)計圖

2 關(guān)鍵方法

2.1 三維場景可視化

三維場景可視化主要實現(xiàn)高真實度的虛擬核電站場景、核事故狀態(tài)下危險場景的動態(tài)模擬仿真與輻射劑量實時顯示，是確保救援仿真培訓(xùn)質(zhì)量的重要前提。

核事故救援場景涉及核電站與救援設(shè)備等復(fù)雜模型，本文以現(xiàn)實中核電站的結(jié)構(gòu)模型與核應(yīng)急救援設(shè)備為依據(jù)，在三維工程建模軟件中進行核電站相關(guān)設(shè)備與救援裝備的制作，并采用二維平面設(shè)計軟件設(shè)計與模型外表相符的紋理貼圖，通過三維模型渲染軟件對模型進行渲染，包括紋理貼圖、材質(zhì)與燈光，以核島內(nèi)部結(jié)構(gòu)與救援車輛為例，渲染后的效果如圖3所示。將渲染過的模型導(dǎo)入虛擬仿真引擎中進行處理，結(jié)合地形地貌系統(tǒng)與天空盒模塊的構(gòu)建，并采用多層次表現(xiàn)技術(shù)與遮擋剔除技術(shù)來優(yōu)化場景資源，最終成功搭建高逼真度的核事故救援三維虛擬場景。

(a) 核島模型 (b) 堆芯模型

當(dāng)核事故發(fā)生時，會伴隨放射性核素擴散、火災(zāi)煙霧等事故性后果，為了達到高逼真度的訓(xùn)練效果，需模擬事故動態(tài)演變過程，為受訓(xùn)人員提供事故狀態(tài)的態(tài)勢感知。目前針對核事故中放射性核素模擬方法多為二維數(shù)值模擬，在真實度方面存在不足，不適合應(yīng)用于三維場景中。粒子系統(tǒng)是目前模擬動態(tài)不規(guī)則物體最有效的一種圖形生成算法[19]，將物體看作由大量帶有不同屬性的粒子組成，包括粒子數(shù)量、大小、速度和生命值等，粒子屬性依據(jù)物體本身的運動狀態(tài)和物理特性，隨時間不斷變化，本文通過粒子系統(tǒng)方法模擬事故性后果動態(tài)過程，結(jié)合事故發(fā)展特性，由粒子運動體現(xiàn)放射性物質(zhì)動態(tài)擴散效果。

救援人員在應(yīng)急救援過程中，因暴露于輻射場導(dǎo)致人體受照劑量上升，危害救援人員身體健康，在救援過程對人員進行劑量實時顯示，能夠有效確保救援工作的順利開展。參考核電站事故下的劑量場數(shù)據(jù)，并將虛擬環(huán)境下的部分空間進行網(wǎng)格化處理，使劑量數(shù)據(jù)儲存于空間網(wǎng)格中，在仿真引擎中使用網(wǎng)格文本組件作為人員劑量數(shù)據(jù)顯示的載體，通過腳本代碼將網(wǎng)格數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇M件的文本中，實現(xiàn)救援人員輻射劑量實時顯示。

2.2 救援行為仿真

參考核應(yīng)急預(yù)案等相關(guān)法律法規(guī)，核電站事故應(yīng)急救援涉及多方面專業(yè)組，包括監(jiān)測評價組、醫(yī)學(xué)救援組、突擊搶險組、安全保衛(wèi)組等，不同救援力量會參與到不同的救援任務(wù)中，各專業(yè)組的人員結(jié)構(gòu)和主要職責(zé)如表1所示[20]。

表1 救援專業(yè)組人員結(jié)構(gòu)與主要職責(zé)

由表1可知，參與核電站事故應(yīng)急救援過程的救援人員包括軍人、醫(yī)療人員、武警、消防員等，不同角色承擔(dān)不同的救援任務(wù)。應(yīng)急救援演練過程需依靠訓(xùn)練人員與角色之間的交互進行動作響應(yīng)，在虛擬環(huán)境中角色的行為是以動畫的形式直觀展現(xiàn)出來，角色的建立、行為動作庫的構(gòu)建、角色與動作庫的有效匹配將直接決定救援工作是否真實高效，行為動作在不同時刻下的狀態(tài)切換效果將決定救援演練工作的真實度。利用三維建模軟件制作不同的角色形體模型，如圖4所示，將模型進行蒙皮處理后綁定骨骼，通過Biped骨骼系統(tǒng)中的關(guān)鍵幀技術(shù)制作需要的行為動作，包括走路、跑步、指揮、滅火、搬運、監(jiān)測、去污、抬傷員、心率復(fù)蘇、道路清障、人員搜救、污染源壓制等多種救援動作。

圖4 角色行為動作構(gòu)建流程

高逼真度的救援人員行為仿真效果是影響在線救援培訓(xùn)的重要因素。針對傳統(tǒng)的虛擬行為仿真系統(tǒng)中存在角色行為動作不夠真實合理的問題，本文發(fā)展了一種信息感知模型[21]與有限狀態(tài)機(FSM)[22]模型相結(jié)合的方法實現(xiàn)高真實度的行為仿真，救援人員在虛擬場景中以救援行動方案為基礎(chǔ)，根據(jù)訓(xùn)練人員指令與周邊的環(huán)境信息進行動作狀態(tài)切換，環(huán)境信息通過信息感知模型進行處理，處理后的環(huán)境信息在有限狀態(tài)機模型的控制下，救援人員以合理真實的動作反饋收到的環(huán)境信息，最終達到高逼真度的行為仿真效果，提高培訓(xùn)質(zhì)量。具體技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 行為仿真流程

環(huán)境信息是虛擬角色行為變化的基礎(chǔ)，基于人體工程學(xué)理論，建立了角色信息感知模型，感知過濾器包括視覺感知區(qū)、聽覺感知區(qū)和觸覺感知區(qū)，如圖6所示，其中：R1、R2、R3是各自感知區(qū)的范圍；θ是人體的最大視角，約200°；A、B、C是環(huán)境中的對象；O為虛擬角色所在位置。視覺感知區(qū)中會存在物體對象繁雜導(dǎo)致辨識不清晰情況，本文引入強度因子kv來表示虛擬角色觀察不同物體的強弱，具體表示如式(1)所示。

(1)

式中：R(R≤R3)為物體與虛擬角色的距離；D為物體的高度。基于多場景模擬后，本文將kv的閾值設(shè)為50，若某物體的kv在閾值上，將不會被感知，同時采用可見性計算方法判斷虛擬角色視線與目標(biāo)物體之間是否存在其他物體遮擋情況。聽覺感知區(qū)為半徑為R2的球形區(qū)域，觸覺感知區(qū)為半徑為R1的圓柱區(qū)域，只有物體與角色接觸才會被感知。

圖6 虛擬角色信息感知模型

FSM是一種表示有限個動作狀態(tài)以及狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)模型，具體表示方式如式(2)所示。

Λ=(Q,q0,Σ,δ,F)

(2)

式中：Λ為角色的有限狀態(tài)機模型；Q表示動作狀態(tài)集；q0為初始狀態(tài)；Σ為字母表，是一種用于輔助狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)運算方式；δ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；F表示最終的狀態(tài)集合。各狀態(tài)之間通過環(huán)境觸發(fā)進行切換響應(yīng)，通過有限狀態(tài)機模型可實現(xiàn)角色行為的有效切換。

以軍人參與核事故救援為例，根據(jù)《核電廠核事故應(yīng)急管理條例》[23]等規(guī)章制度科學(xué)合理地制定救援行動方案，構(gòu)建軍人救援行為的有限狀態(tài)機模型，如圖7所示。其FSM模型中的所有狀態(tài)動作集Q={行走，奔跑，清障，污染源壓制，工程搶險，搶救傷員}；初始狀態(tài)q0={行走}；最終狀態(tài)集合F={行走，停留}；狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ如式(3)所示。

δ=f(R1,R2,R3)

(3)

式(3)表示轉(zhuǎn)移函數(shù)與視覺感知、聽覺感知與觸覺感知的感知范圍有關(guān)，由信息感知模型處理后的信息決定各行為動作的轉(zhuǎn)換?；诜抡嬉嬷械膭赢嫚顟B(tài)機(Animator)系統(tǒng)，每個狀態(tài)用行為動作(Motion)表示，設(shè)計FSMState.cs、FStateMachine.cs兩個類分別控制所有狀態(tài)和狀態(tài)實現(xiàn)，并針對每個狀態(tài)單獨用狀態(tài)類來控制該狀態(tài)發(fā)生和轉(zhuǎn)移的場景，通過C#腳本實現(xiàn)高真實度的救援行為仿真效果。

圖7 軍人救援行為的有限狀態(tài)機模型

為了使救援角色在演練過程不會穿過場景物體，基于物理引擎技術(shù)，將碰撞器屬性添加到場景對象，角色控制器和剛體屬性賦予虛擬角色，并通過腳本代碼進行實時碰撞檢測。

2.3 人機交互仿真

良好的人機交互功能能夠提升訓(xùn)練質(zhì)量、改善實訓(xùn)效果。訓(xùn)練人員通過界面操作與系統(tǒng)之間進行信息傳遞，包括需求指令發(fā)布與仿真培訓(xùn)結(jié)果反饋，以第一和第三視角參與到應(yīng)急救援的虛擬場景中，對整個核電站場景全方位視角漫游，增強訓(xùn)練人員對核電站各模塊與救援環(huán)節(jié)的熟悉度，提升仿真培訓(xùn)過程的沉浸感。采用界面開發(fā)插件UGUI進行交互界面設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計人機交互界面，包括用戶登錄界面、功能模塊界面、仿真操作界面、設(shè)置界面、在線學(xué)習(xí)與考核界面等，界面場景跳轉(zhuǎn)的關(guān)鍵腳本語句為：SceneManager.LoadScene("SceneNumber")，其中“SceneNumber”為場景編號，將按鈕控件與相應(yīng)功能腳本進行綁定，并添加“ButtonClick.Click”方法實現(xiàn)按鈕點擊界面時的切換與響應(yīng)。系統(tǒng)登錄界面與功能模塊界面如圖8所示。

(a) 登錄界面

仿真平臺設(shè)置第一、第三視角兩種漫游模式，第一視角漫游的控制體為三維膠囊體模型，形體骨骼模型作為第三視角的控制體，通過距離插值方法確保攝像機視角隨人物平滑移動，采用對象的父子節(jié)點配置方法結(jié)合腳本代碼，設(shè)計CharacterMotor.cs、MouseLook.cs和IuputController.cs三個控制類，分別表示虛擬對象動作控制類、鼠標(biāo)控制類和監(jiān)聽事件類。關(guān)鍵腳本語句如下：

//攝像機跟隨物體平滑移動

offsetPosition=transform.position-player.position;

Input.GetKey(KeyCode.W);

//獲取W鍵

Input.GetAxis("Horizontal");

//獲取水平鍵

Input.GetMouseButton(0));

//獲取鼠標(biāo)左鍵

Input.GetAxis("Mouse X");

//獲取鼠標(biāo)水平移動

為了實現(xiàn)漫游過程的導(dǎo)航地圖功能，將主攝像機與紋理渲染貼圖(Render Texture)結(jié)合，攝像機渲染的場景作為地圖畫面，并在右上角設(shè)計二維導(dǎo)航地圖，用戶的漫游位置用綠色標(biāo)記于地圖中。

對于演練評估與考核模塊，使用記錄回放插件EZReplay進行二次開發(fā)，實現(xiàn)演練進程的視頻錄制，為演練評估提供分析保障。對于訓(xùn)練人員的在線考核模塊，采用場景動畫插件iTween設(shè)置各種學(xué)習(xí)場景，并通過資源內(nèi)部加載數(shù)據(jù)庫的方式實現(xiàn)在線答題功能，具體是將考題數(shù)據(jù)庫以.json格式保存于場景資源下，創(chuàng)建考題信息類ExamDate.cs，內(nèi)容包括題目、答案選擇、正確選項、答案解析，通過ExamOnline.cs類進行題目問題。關(guān)鍵腳本語句如下：

new List();

//初始化考題信息

//獲取json數(shù)據(jù)信息

Application.streamingAssetsPath+"/Exam.json"；

//解析json數(shù)據(jù)信息

Content=new WWW(url).text;

JsonMapper.ToObject>(Content);

//實例化考題

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

TopicSelect[i].isCorrect==true;

//獲取正確答案

thisScore=(int)Count*10;

//獲取分值

同時采用Application.OpenURL文本加載方法實現(xiàn)本地資料文檔和網(wǎng)頁資料的在線查閱學(xué)習(xí)。

3 應(yīng)用結(jié)果

Unity3D仿真引擎在跨平臺方面功能強大，所開發(fā)的項目支持多種主流平臺發(fā)布，包括PC、Android、WebGl、iOS等，訓(xùn)練人員可通過本地電腦與手機移動端進行培訓(xùn)考核，極大增強了仿真培訓(xùn)的便捷性。本文中核事故救援在線仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)的硬件平臺為PC機(2.83 GHz;2 GB獨立顯卡；4 GB RAM;Windows 7 64位操作系統(tǒng))，軟件工具包括Unity3D5.6.4、CATIA V5、3dsMax2016、Photoshop CS5和Visual Studio 2013。以Android移動端為例，將開發(fā)項目打包加載，并下載安裝Java JDK和Android SDK，搭配好虛擬框架，選擇Android平臺，設(shè)置分辨率、畫面比、圖標(biāo)等屬性，進行產(chǎn)品自定義發(fā)布，發(fā)布到Android移動端的效果如圖9所示，在設(shè)置界面中，用戶可對音量、音效和按鈕操作進行設(shè)置，在考核界面，用戶可通過答題評估專業(yè)知識水平。

(a) 設(shè)置界面

圖10為核電站虛擬漫游功能模塊效果，采用第一、第三視角兩種漫游模式，右上角為二維導(dǎo)航地圖。漫游過程中，可點擊“在線學(xué)習(xí)”實時學(xué)習(xí)本地資料。圖11為核事故救援演練效果，用戶可通過界面選擇救援類別，并可直接參與到救援過程中，通過“視頻紀(jì)錄”按鈕，可實時記錄整個演練過程，并輸出視頻文件。

(a) 第三視角漫游

(a) 搶險救援

4 結(jié) 語

基于虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)，結(jié)合Unity3D虛擬仿真引擎，對核事故救援在線仿真培訓(xùn)的關(guān)鍵技術(shù)進行了探索性研究，發(fā)展了一種高真實度的行為仿真模型，成功搭建了一種核事故救援在線仿真培訓(xùn)平臺，該平臺能夠直觀展現(xiàn)核電站的復(fù)雜環(huán)境與事故仿真場景，為救援人員提供一種高逼真度的訓(xùn)練環(huán)境，支持用戶注冊登錄、虛擬漫游、救援演練、在線考核評估等功能，可發(fā)布到手機電腦客戶端進行隨機隨時考核培訓(xùn)，增強了培訓(xùn)的便捷性。研究成果為高危害性的核領(lǐng)域培訓(xùn)方式提供新的方案，對提升應(yīng)急救援隊伍實戰(zhàn)能力具有重要意義。