港口災(zāi)害事件虛擬現(xiàn)實應(yīng)急演練研究

呂潔印 吳兵 汪洋 劉少博 周受欽

摘要：針對港口災(zāi)害事件應(yīng)急管控的需求和我國在災(zāi)害處置應(yīng)急模擬仿真演練能力偏弱的問題，本文指出高水平應(yīng)急模擬仿真演練能力是港口災(zāi)害事件應(yīng)急管控的重要保障，并對應(yīng)急模擬仿真演練存在的技術(shù)挑戰(zhàn)和港口災(zāi)害應(yīng)急模擬仿真演練能力提升的關(guān)鍵技術(shù)及策略進行了闡述，旨在改善港口災(zāi)害事件的應(yīng)急管控能力。

關(guān)鍵詞：港口;災(zāi)害事件;應(yīng)急演練;虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：X951? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0039-04

港口安全是城市公共安全的重要組成部分，提高安全生產(chǎn)水平和完善應(yīng)急管理能力是國家發(fā)展的內(nèi)在需求。隨著全球經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展，港口的地位顯著提升，港口集裝箱吞吐量決定著世界貿(mào)易量。港口貨物的集疏運活動覆蓋了從城市腹地經(jīng)到海洋近岸的廣闊區(qū)域，也使得港口集疏運企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)安全與城市的公共安全休戚與共。港口是裝卸各類大型貨物、石油化工原料、各類?；穬薜容^多的高風險區(qū)域，如天津812集裝箱爆炸、8.4貝魯特港口大爆炸等，均造成了不可彌補的重要損失。針對港口重大災(zāi)害事件構(gòu)建應(yīng)急管理救援協(xié)同聯(lián)動指揮系統(tǒng)至關(guān)重要。

應(yīng)急演練是應(yīng)急管理的一種重要形式，是政府和企事業(yè)單位檢驗并提高應(yīng)急準備能力的重要環(huán)節(jié)，成功的應(yīng)急演練活動可提供預防安全事故的思路，其中通過數(shù)字仿真技術(shù)實現(xiàn)的演練日益在應(yīng)急演練活動中顯示出難以替代的作用。應(yīng)急演練/訓練系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)為用戶（參訓人員）提供人-機交互環(huán)境（如模擬實物的操作硬件），從而使得用戶在虛擬環(huán)境中感受自身的操作行為及其操作效果，達到低成本、無害、可重復訓練的目的。

1港口應(yīng)急管控能力尚需提升，應(yīng)急演練模擬仿真是關(guān)鍵

港口災(zāi)害事件應(yīng)急管理與救援處置流程非常復雜，是一項涉及到各級政府部門、企事業(yè)單位以及人民群眾的系統(tǒng)工作。加強應(yīng)急管理體系信息化和智能化建設(shè)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整、功能全面、反應(yīng)靈敏、運轉(zhuǎn)高效的港口災(zāi)害事件監(jiān)測預警和協(xié)同聯(lián)動應(yīng)急指揮體系，從而提高港口應(yīng)急管理和救援指揮的系統(tǒng)性、科學性和時效性比較迫切。

目前國內(nèi)外針對港口區(qū)域內(nèi)集裝箱、危化品罐箱的裝載/卸載、堆場存放、到港/離港和港區(qū)運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的應(yīng)急管理和災(zāi)害處置研究還比較欠缺，對于港口所面臨災(zāi)害事件風險的應(yīng)急管理與救援以及發(fā)生事故災(zāi)害后的協(xié)同聯(lián)動處置研究還不成熟。

我國在災(zāi)害發(fā)生后的中后期處置能力缺乏對現(xiàn)場救援的應(yīng)急模擬仿真演練能力，不清楚應(yīng)急處置力量如何充分配置、是否科學合理，導致事故發(fā)生后出現(xiàn)被動應(yīng)急和盲目救援。隨著應(yīng)急管理工作扎實推進，應(yīng)急演練相關(guān)問題研究也逐漸受到專家學者的重視。

傳統(tǒng)應(yīng)急救援模擬演練系統(tǒng)多為基于既定預案的程式化推演，設(shè)置好條件參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置配合參演人員完成技術(shù)培訓和模擬演練，而港口災(zāi)害中引起災(zāi)害的介質(zhì)、情景、環(huán)境、位置具有特殊性，傳統(tǒng)應(yīng)急救援方案和策略難以有效應(yīng)用。

應(yīng)急模擬仿真演練系統(tǒng)旨在以港口物流各個階段生產(chǎn)活動涉及的貨物裝卸、運輸和存放為線索，重構(gòu)此過程中事故端倪、事故干預和應(yīng)急救援等場景，為不同職能部門對各類事件的聯(lián)合處置提供互操作的平臺。當前，應(yīng)急模擬仿真演練系統(tǒng)的特征包括：具有多人、多角色、多任務(wù)的人-機交互環(huán)境，系統(tǒng)中的人員需要通過協(xié)同工作共同完成設(shè)定的任務(wù);具有預先想定的場景、情節(jié)和任務(wù)前提，參訓人員各自承擔的子任務(wù)更多地體現(xiàn)了個體對即時戰(zhàn)略的理解和判斷;各個人員的協(xié)同操作和決策形成對整體態(tài)勢的作用，并與后臺的智能體（Agent）群體行為、機器決策、情景約束等條件共同決定情節(jié)的發(fā)展直至最終的操作結(jié)果。

所以，應(yīng)急救援仿真演練系統(tǒng)需要具備各類港口災(zāi)害隱患現(xiàn)場的情景數(shù)據(jù)動態(tài)接入能力，系統(tǒng)基于事態(tài)預判、決策優(yōu)化和動態(tài)推演，輸出科學合理的定制化應(yīng)急救援方案;同時系統(tǒng)具備智能化自適應(yīng)能力，支持對沒有既定預案的新災(zāi)害情景的應(yīng)急救援演練，從而通過智能化交互式仿真演練技術(shù)提升港口災(zāi)害應(yīng)急救援中的多角色聯(lián)動協(xié)同指揮和應(yīng)急處置能力。

針對港口災(zāi)害事件處理，如何突破基于單一既定預案程式化推演的傳統(tǒng)應(yīng)急救援模擬演練系統(tǒng)，面向港口災(zāi)害復雜動態(tài)實時變換場景，建立包括不同介質(zhì)特性災(zāi)害源、災(zāi)害態(tài)勢形態(tài)、災(zāi)害場景活動體與基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)急救援裝備與救援力量、應(yīng)急處置手段、應(yīng)急救援物資等多視角智能體模型和交互式聯(lián)動關(guān)系，融合災(zāi)害現(xiàn)場情景動態(tài)感知數(shù)據(jù)、災(zāi)害態(tài)勢推演模型，基于專家知識庫和具備機器學習能力的決策算法，實現(xiàn)基于動態(tài)仿真、虛實融合、優(yōu)化決策、智能交互的應(yīng)急救援仿真演練和效果評價，是應(yīng)急管理能力的重要保障。

2應(yīng)急模擬仿真演練系統(tǒng)存在的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1異構(gòu)對象模型集成

單用戶、單任務(wù)情境下建模對象的類型相對單一，模型接口相對簡單，模型規(guī)模相對較小，系統(tǒng)運行依賴于相同或相似的物理規(guī)律，對模型的理解和定義容易形成一致，因此單一領(lǐng)域仿真模型集成的難度相對較小。但多用戶、多任務(wù)的情形下，往往涉及大規(guī)模的模型體系，仿真模型之間的依賴關(guān)系交互關(guān)系復雜，模型的異構(gòu)特點突出。而且，多用戶之間的協(xié)同行為將產(chǎn)生各種模型間的“自組織”關(guān)聯(lián)形態(tài)，導致集成更困難。

2.2基于角色模型的形式化表達

缺乏對多用戶仿真行為假設(shè)與保證的形式化描述機制，使提高模型的可組合性面臨較大挑戰(zhàn)。虛擬空間中用戶的行為構(gòu)成了角色-協(xié)議-協(xié)作（RPC）的動作描述框架，在多用戶的情形下，這種動作描述框架受到較大制約。機器和自然人共同參與模型組合的交互過程，使得角色與用戶之間形成多對多的映射，從而必須對傳統(tǒng) RPC 進行大幅改造才能適應(yīng)這種動態(tài)關(guān)聯(lián)，多用戶的人機交互在邏輯、時序和行為等價性三方面對組合模型的語義尚缺乏有效性進行驗證。

2.3人機交互環(huán)境下行為與情節(jié)的束定

多用戶的交互式仿真系統(tǒng)中，通過人-機操作而形成在虛擬空間中的“介入式”活動，將會使系統(tǒng)中的情節(jié)發(fā)展出現(xiàn)非常復雜甚至難以估計的結(jié)果。傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中對實體行為或運動的方法包括 DEVS （DiscreteEvent System Specification）、進程代數(shù)等。多用戶和多任務(wù)的復雜環(huán)境下，由于上述這些方法自身并沒有充分考慮用戶操作在時序、空間和邏輯上的約束、沖突或一致性檢驗。因此，必須在仿真訓練系統(tǒng)的引擎中建立相關(guān)的機制來保證事件發(fā)生、情節(jié)走勢的合理性條件/邊界。

2.4用戶并行性與一致性處理

通常虛擬環(huán)境中需要對自然對象（用戶）和程序生成的對象進行一體化處理。在多用戶條件下，用戶行為和程序生成對象之間容易產(chǎn)生資源爭用、沖突對抗、行為糾纏等狀況?，F(xiàn)階段實體組織模型 HLA（High Level Architecture）等并未充分解決多用戶的并行一致性問題，特別是在用戶數(shù)量較多時，通信和同步開銷與用戶數(shù)目的平方成正比，因此用戶行為之間的同步需要額外的機制來實現(xiàn)，以保證整個應(yīng)急指揮訓練多角色、多任務(wù)在運行期的平穩(wěn)性。

3港口災(zāi)害事件應(yīng)急模擬仿真演練能力提升關(guān)鍵技術(shù)

3.1港口災(zāi)害場景的三維動態(tài)虛擬場景建模技術(shù)

為實現(xiàn)災(zāi)害事件作用下災(zāi)害要素作用于承災(zāi)載體的三維可視化，基于關(guān)鍵參數(shù)控制的三維模塊化建模系統(tǒng)是必要的，借助災(zāi)害動力學演化理論研究災(zāi)害全要素動態(tài)三維建模方法和聯(lián)動算法，實現(xiàn)典型災(zāi)害模塊化動態(tài)建模，實現(xiàn)對多層次災(zāi)害場景的動態(tài)三維模型構(gòu)建與可視化;災(zāi)害事件的應(yīng)急處置演練的領(lǐng)域模型來自具體的業(yè)務(wù)對象，需要通過行業(yè)專家知識和公共安全的應(yīng)用導向，建立相應(yīng)的運行期仿真模型和資源的支持體系，包括場景、演化規(guī)則、約束、對象運動的邊界等。按照“水”側(cè)和“岸”側(cè)的劃分，港口集疏運生產(chǎn)經(jīng)營活動研制仿真系統(tǒng)的實例化版本。為實現(xiàn)對災(zāi)害影響下船舶、車輛、人員、設(shè)備、建筑以及基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)害行為演化的三維可視化與虛擬建模，基于其行為特征開發(fā)災(zāi)害環(huán)境自適應(yīng)的動態(tài)行為交互三維模型表達方法。

3.2三維虛擬環(huán)境下災(zāi)害演化與應(yīng)急救援耦合港口災(zāi)害應(yīng)急救援決策仿真與優(yōu)化技術(shù)

通過在虛擬三維環(huán)境對災(zāi)害事件、災(zāi)害要素和承災(zāi)載體進行可視化表達，結(jié)合災(zāi)害演化態(tài)勢和應(yīng)急決策優(yōu)化算法，生成港口集疏運場景交通系統(tǒng)應(yīng)急疏散仿真與疏散方案優(yōu)化方法和受災(zāi)區(qū)域人群疏散仿真與疏散方案優(yōu)化方法;研究多種災(zāi)害場景下不同類型應(yīng)急救援資源的需求預測、配置策略、配置優(yōu)化方法與模型等，并通過基于多智能體的虛擬仿真演練系統(tǒng)進行仿真推演，形成應(yīng)急救援決策和方案的優(yōu)化模型，確定不同情況下應(yīng)急救援決策變量的最優(yōu)，進而構(gòu)建和優(yōu)化應(yīng)急救援知識庫，實現(xiàn)對應(yīng)急預案的智能化管理和對救援人員與指揮人員的科學訓練。

3.3基于多智能體的港口災(zāi)害應(yīng)急救援多視角主體應(yīng)急救援仿真演練與評價技術(shù)

切合實戰(zhàn)的應(yīng)急救援仿真演練需要能夠?qū)崿F(xiàn)演練人員之間的信息實時交互和救援行動協(xié)同。面向仿真演練中真實或虛擬參與主體，設(shè)計多層級的應(yīng)急救援指揮架構(gòu)、行動角色及信息傳導機制，并將不同的參與主體以不同的視角適配相應(yīng)的任務(wù)，構(gòu)建虛實融合的多視角應(yīng)急救援仿真演練模型，實現(xiàn)真實人員與虛擬人員的智能化交互和對應(yīng)急救援指揮過程的智能化仿真演練;基于仿真推演進行應(yīng)急決策知識庫驗證與應(yīng)急演練評價，根據(jù)制定的應(yīng)急演練效果評價指標體系，實現(xiàn)對應(yīng)急救援演練過程中各參與主體的表現(xiàn)進行定性和定量評價，為參訓人員提供智能的自評價分析系統(tǒng)。

3.4虛實融合三維仿真演練系統(tǒng)架構(gòu)及功能模塊開發(fā)技術(shù)

面向港口災(zāi)害事件開展虛實融合的三維仿真演練系統(tǒng)開發(fā)，采用面向異構(gòu)平臺的綜合仿真集成策略形成仿真系統(tǒng)的多服務(wù)器分布式異構(gòu)集成系統(tǒng)，制定仿真系統(tǒng)的標準接口。開發(fā)仿真模型與組件文件的映射和搜索方法，實現(xiàn)仿真演練系統(tǒng)多層次模型的接入與運行和在應(yīng)急指揮管控平臺的對接與集成。開展多視角虛實結(jié)合應(yīng)急救援仿真演練功能模塊開發(fā)，提供人員在環(huán)的仿真，實現(xiàn)人機交互功能，引入實操層面虛擬演練平臺成果，實現(xiàn)交叉場景中應(yīng)急演練數(shù)據(jù)交互和崗位工作流的呈現(xiàn)，構(gòu)建涵蓋應(yīng)急處置、事故阻隔、預案評估的應(yīng)急仿真演練訓練系統(tǒng)，實現(xiàn)多視角、虛實結(jié)合、人員在環(huán)的仿真推演，支持自動記錄演練過程，對演練效果以及其它應(yīng)用在演練中的執(zhí)行情況進行評估，對演練的合理性進行可視化分析并給出結(jié)論。

4港口災(zāi)害事件應(yīng)急模擬仿真演練能力提升策略

以港口-城市的“安全共同體”為視角，從港口集疏運行業(yè)已發(fā)生的安全事故以及尚未最終釀成事故的各類危險事件著手，提取港口在災(zāi)害事件應(yīng)急管理上的需求。同時，將對這些災(zāi)害事件案例的應(yīng)急處置方式作為知識和樣本進行處理，通過統(tǒng)計和學習算法將其結(jié)構(gòu)化地表示為應(yīng)急處置和決策支持案例。針對港口集疏運常見災(zāi)害事件，開展專項實地調(diào)研和問卷調(diào)查，結(jié)合已有應(yīng)急預案和采集到的專家知識，研究災(zāi)害事件和應(yīng)急管理的知識表示方法;在綜合運用多種知識關(guān)聯(lián)識別技術(shù)和系統(tǒng)動力學模型的基礎(chǔ)上，研究系統(tǒng)化的災(zāi)害事件演化軌跡表示與生成技術(shù)，構(gòu)建包含常見災(zāi)害事件動態(tài)演化軌跡的案例庫和知識庫原型;將案例庫和知識原型作為構(gòu)造災(zāi)害事件初始情景的依據(jù)，并將其腳本化加載到開發(fā)的災(zāi)害事件應(yīng)急演練平臺;通過多次仿真演練和評價反饋，不斷迭代更新案例庫和知識庫的內(nèi)容，研究案例庫和知識庫的動態(tài)自我修正技術(shù)，最終形成更接近實際、細節(jié)更豐富、更具有可操作性和指導意義的案例庫和知識庫。

考慮到港口發(fā)生事故的主要地點在港區(qū)（含堆場、碼頭、倉庫等）和水面航道（含錨地、泊位），需要特別為發(fā)生在上述區(qū)域的事故分別研制應(yīng)急模擬仿真演練系統(tǒng)。通過仿真演練系統(tǒng)，重構(gòu)部分歷史事故案例，或者靈活地構(gòu)造更多的假想事故案例，在虛擬/顯示環(huán)境下用于為上述區(qū)域的安監(jiān)人員提供處置能力提升的訓練設(shè)施，同時對有關(guān)安全預案執(zhí)行效能、應(yīng)急資源配置方案測試和驗證。同時，在單個的仿真系統(tǒng)上支持異構(gòu)模型集成，從而在仿真系統(tǒng)之間建立共同的接口規(guī)范及其抽象層，將多個領(lǐng)域仿真模型聯(lián)合起來共同完成單個領(lǐng)域模型難以完成的系統(tǒng)級仿真。為進行系統(tǒng)層次的數(shù)據(jù)采集、信息處理、發(fā)展態(tài)勢預判、決策方案評估與優(yōu)化，進行多單元的協(xié)同仿真，用于表現(xiàn)不同的部門在共同場景空間中的數(shù)據(jù)、指令和工作流。在各個領(lǐng)域都具有本地建模仿真工具的情況下，系統(tǒng)級仿真方法通過底層網(wǎng)絡(luò)將局部仿真環(huán)境互聯(lián)起來構(gòu)筑大規(guī)模仿真。

面向港口集疏運過程，針對可能發(fā)生的船舶進出港交通事故、集裝箱落水、堆場垮塌、?；沸孤⒒馂?zāi)、爆炸、交通癱瘓等災(zāi)害事件，形成集裝箱和?；坟浳镞\輸全過程的狀態(tài)監(jiān)控和災(zāi)害事件監(jiān)測系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中接入現(xiàn)有航運管理、海事監(jiān)管、城市交管、城市市政、消防與應(yīng)急等平臺的相關(guān)數(shù)據(jù);基于采集和接入的數(shù)據(jù)，研究面向港口區(qū)域集裝箱和?；芳柽\過程常見災(zāi)害事件的態(tài)勢推演模型，根據(jù)災(zāi)害事件的初始條件和所處場景，實現(xiàn)對災(zāi)害事件演化過程和趨勢的態(tài)勢預測與風險預警;構(gòu)建不同層級部門和人員應(yīng)采取的應(yīng)急救援決策和方案的多目標優(yōu)化模型，開展對應(yīng)急救援方案、應(yīng)急救援人員與物資調(diào)配、交通與人群疏散方案等方面的應(yīng)急模擬仿真演練決策評估與優(yōu)化，全面支持各相關(guān)部門在應(yīng)對港口集疏運災(zāi)害事件中的應(yīng)急聯(lián)動協(xié)同處置決策。

5總結(jié)

我國是港口大國，港口貨物集疏運決定著世界貿(mào)易的繁榮發(fā)展，也是安全風險較高的行業(yè)，例如港口集裝箱爆炸、進出港船舶泄露等災(zāi)害造成的損失巨大，領(lǐng)先的港口災(zāi)害事件應(yīng)急模擬仿真演練等港口災(zāi)害事故風險防范和應(yīng)急管控技術(shù)與裝備是必要的。本文圍繞港口災(zāi)害事件虛擬現(xiàn)實應(yīng)急演練進行研究，可為港口行業(yè)乃至智慧城市應(yīng)急安全管控特別是應(yīng)急演練能力改善提供創(chuàng)新思路。

參考文獻：

[1] 《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》

[2]鄭登鋒 ， 付明福 ， 龔曉鳳 ， 朱曉曼 ， 譚波.基于情景構(gòu)建的多地多場景應(yīng)急演練[J].中國安全科學學報 ， 2019， 29（6）：

171-176.

[3]張小兵 ， 張然 ， 解玉賓.我國應(yīng)急演練管理研究新進展[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù) ，2016，12（10）：68-73.

[4]王永明.完善與發(fā)展重大突發(fā)事件情景構(gòu)建技術(shù)方法的核心問題[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù) ，2019，15（02）：5-9.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2019YFC1605505）;深圳市科技計劃項目（CJGJZD20200617102602006）;工信部高技術(shù)船舶科研項目（2019360—4）。