基于VR的左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情應(yīng)急演練培訓(xùn)系統(tǒng)

謝歌 仝曉陽 杜江岳

摘? 要：左排渡槽洪水漫溢是一種因持續(xù)降雨而導(dǎo)致的水災(zāi)害現(xiàn)象，發(fā)生時(shí)可能會影響南水北調(diào)中線工程總干渠正常輸水，對建筑物和渠道造成一定程度的損害，危及下游村莊企業(yè)人員的人身安全。為了在災(zāi)害形成初期進(jìn)行相應(yīng)的處置，降低災(zāi)害進(jìn)一步演變的可能性，使用Unity3D引擎開發(fā)左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情應(yīng)急搶險(xiǎn)虛擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)，通過劇情演繹將搶險(xiǎn)流程展現(xiàn)給用戶，使用戶能夠沉浸式地體驗(yàn)險(xiǎn)情并能夠知曉在當(dāng)時(shí)情況下應(yīng)采取何種舉措。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于VR的演練培訓(xùn)系統(tǒng)能夠提高巡檢人員應(yīng)對突發(fā)事件的能力，對洪水漫槽入渠災(zāi)害的預(yù)警防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：Unity3D；虛擬應(yīng)急演練；虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0156-04

VR-based Emergency Drill Training System for Flood Overflow of Left Aqueduct

XIE Ge， TONG Xiaoyang， DU Jiangyue

（School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou? 450046， China）

Abstract： The flood overflow of the left aqueduct is a kind of water disaster phenomenon caused by continuous rainfall. When it happens， it may affect the normal water delivery of the main canal of the South-to-North Water Transfer Project， cause some damage to the buildings and channels， and endanger the personal safety of enterprises in the downstream villages. In order to deal with the disaster at the early stage of its formation and reduce the possibility of its further evolution， the Unity3D engine is used to develop a virtual emergency drill training system for the flood overflow of the left aqueduct， and the rescue process is presented to users through scenario interpretation， so that users can experience dangerous situations immersively and know what measures to take under the current situation. The experimental results show that the VR-based drill training system can improve the ability of patrol inspectors to deal with emergencies， and is of great significance for the early warning and prevention of the disaster of flood overflowing into the channel.

Keywords： Unity3D; virtual emergency drill; virtual reality

0? 引? 言

南水北調(diào)中線工程沿線城市眾多，沿線人口密集，已成為其沿線城市生活用水及農(nóng)業(yè)用水的重要來源。南水北調(diào)中線工程是國家水網(wǎng)的重要組成部分，是保障沿線居民生活及工農(nóng)業(yè)用水、修復(fù)和改善周邊生態(tài)環(huán)境、推動城市生態(tài)文明發(fā)展、支撐沿線經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要支柱。因此，一旦工程運(yùn)行時(shí)發(fā)生滑坡失穩(wěn)、洪水等自然災(zāi)害，或設(shè)備損壞等硬件破壞情況，會影響工程的輸水工作，甚至?xí)＜叭嗣裆?cái)產(chǎn)安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會危害[1]。

在工程日常運(yùn)行中，工作人員主要通過安全監(jiān)測系統(tǒng)、中線工程巡檢APP系統(tǒng)等軟件對其運(yùn)行狀況做常規(guī)檢測，但中線工程沿線環(huán)境復(fù)雜，建筑物種類與構(gòu)造多種多樣，檢測系統(tǒng)難以完全覆蓋工程區(qū)域，一些工程地段仍需巡檢人員到現(xiàn)場檢測，但由于風(fēng)險(xiǎn)事件種類眾多，巡檢人員難以對不同的工程運(yùn)行環(huán)境做出正確的判斷。適時(shí)開展演練培訓(xùn)活動，是提升南水北調(diào)中線工程應(yīng)急保障能力的有效途徑之一。

然而，目前的演練培訓(xùn)形式單一，主要有桌面演練、沙盤演練、全面演練等方式[2]，這些培訓(xùn)方法缺乏真實(shí)度、內(nèi)容單一，并且實(shí)現(xiàn)困難，難以控制成本，無法讓參與培訓(xùn)人員切身體驗(yàn)到災(zāi)害現(xiàn)場的真實(shí)狀況。近年來，虛擬應(yīng)急演練發(fā)展迅速，用戶借助VR頭盔、手柄等配件置身于虛擬場景中，身體發(fā)出的動作能夠在場景中得到回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了人體和虛擬仿真系統(tǒng)的結(jié)合，可以使用戶沉浸式融入虛擬災(zāi)害場景中。Unity3D平臺作為一款能夠帶來虛擬可視化體驗(yàn)的工具，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于虛擬應(yīng)急演練培訓(xùn)中。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外已有多個(gè)對虛擬應(yīng)急演練應(yīng)用的開發(fā)案例，這些案例覆蓋多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，并能夠達(dá)到節(jié)約時(shí)間、可重復(fù)使用、培訓(xùn)過程安全、培訓(xùn)效果良好的目標(biāo)，比如，地鐵基坑施工安全教育演練[3]；火災(zāi)消防事故應(yīng)急演練[4]；地鐵車站緊急情況應(yīng)急演練[5]；建筑安全培訓(xùn)[6]等。這些系統(tǒng)使用三維建模軟件建立三維模型，再把模型集成到Unity3D引擎或虛幻引擎中開發(fā)出可交互的培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行培訓(xùn)均能達(dá)到預(yù)期效果。

本文在Unity3D引擎上進(jìn)行開發(fā)，使用三維建模技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情的發(fā)生環(huán)境及險(xiǎn)情真實(shí)特征，還原了從險(xiǎn)情發(fā)生到險(xiǎn)情結(jié)束的一系列預(yù)案流程。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出沉浸式演練培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了左排渡槽洪水漫溢典型險(xiǎn)情應(yīng)急方案的預(yù)演，能夠有效解決傳統(tǒng)演練培訓(xùn)形式的弊端，達(dá)到良好的培訓(xùn)效果。

1? 左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情應(yīng)急演練系統(tǒng)仿真方法

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)分析

本系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)玩家通過物理設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、手柄）輸入信號到物理設(shè)備層，實(shí)現(xiàn)信號到腳本的轉(zhuǎn)變，在Windows、VR等多平臺進(jìn)行應(yīng)用。事件層將用戶輸入信號轉(zhuǎn)換成事件碼，系統(tǒng)在視圖層顯示用戶可見的場景內(nèi)容，其中視圖層包括地物模型、天空盒、人物角色模型、搶險(xiǎn)物資模型、主要險(xiǎn)情等內(nèi)容。業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯信息調(diào)度。如圖1所示。

1.2? 應(yīng)急演練系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案文本的要求，系統(tǒng)按照發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情—險(xiǎn)情確認(rèn)—險(xiǎn)情上報(bào)—應(yīng)急搶險(xiǎn)—險(xiǎn)情結(jié)束的流程開發(fā)。以用戶漫游場景時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)變險(xiǎn)情作為引導(dǎo)，使用戶主動發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，在對險(xiǎn)情進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)之后做出正確的處置工作。確認(rèn)險(xiǎn)情后應(yīng)按照此次災(zāi)變的工程安全事故等級向上級匯報(bào)險(xiǎn)情，在上級單位救援之前做出先行處置工作。系統(tǒng)使用一系列前后相關(guān)事件引導(dǎo)用戶對險(xiǎn)情的處置方法主動思考，做出規(guī)范的應(yīng)急搶險(xiǎn)措施。具體流程如圖2所示。

發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情階段：強(qiáng)降雨天氣，中控室值班人員在調(diào)用攝像頭時(shí)發(fā)現(xiàn)深挖方渠段左排渡槽入水口水位不斷抬升，逼近水尺的警戒水位。安排工程巡檢員對排水渡槽易發(fā)生險(xiǎn)情的部位進(jìn)行工程巡檢，包括：排水渡槽、渡槽周圍的馬道、渠道、邊坡等。

險(xiǎn)情確認(rèn)和上報(bào)階段：工巡人員在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)挖方渠段左排渡槽入水口水位已經(jīng)到達(dá)臨界水位、右岸襯砌板發(fā)生滑塌破壞、排水渡槽發(fā)生洪水漫溢現(xiàn)象。通過電話聯(lián)系的方式上報(bào)險(xiǎn)情，并請求相關(guān)工作人員到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行險(xiǎn)情搶險(xiǎn)。

應(yīng)急搶險(xiǎn)階段：根據(jù)《防汛搶險(xiǎn)技術(shù)手冊》，此類型的險(xiǎn)情有如下?lián)岆U(xiǎn)方式：

（1）對渡槽進(jìn)出口兩側(cè)頂部進(jìn)行碎石編織袋堆砌加高，長度為延伸至渠道水面線內(nèi)側(cè)。

（2）左岸襯砌板水面以下進(jìn)行壓重，壓重自下而上進(jìn)行，水面以下壓重3層編織袋碎石壓重，水面以上2層編織袋碎石壓重。

險(xiǎn)情結(jié)束階段：在險(xiǎn)情處置完成之后，水質(zhì)監(jiān)測員對渠水水質(zhì)進(jìn)行檢測，監(jiān)測結(jié)果說明渠水水質(zhì)合格，險(xiǎn)情結(jié)束。

2? 虛擬演練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

左排渡槽洪水漫溢災(zāi)害場景的可視化信息包括地物地形信息、搶險(xiǎn)物資、主要災(zāi)變信息等內(nèi)容展示，在Unity3D中創(chuàng)建C#腳本把整個(gè)流程聯(lián)系在一起，形成整個(gè)虛擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)。

2.1? 場景地物地形構(gòu)建

左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情地形以河南省輝縣市某深挖方渠段作為參考，根據(jù)渠道的AutoCAD圖紙數(shù)據(jù)，使用Blender三維建模軟件對挖方渠道以及左排渡槽進(jìn)行1：1精細(xì)建模，渠道模型包括渠坡、襯砌板、路緣石、馬道、土質(zhì)邊坡等內(nèi)容。為了對渠道三維模型的紋理進(jìn)行貼圖，需要通過圖像處理軟件對現(xiàn)場采集到的圖像進(jìn)行平鋪無縫處理。采用物理光照方式對場景內(nèi)容添加光照信息，包括反射光、折射光以及環(huán)境光照。

深挖方渠段的山脈環(huán)境、出水口、入水口使用Unity3D引擎的Terrain三維地形工具繪制。首先創(chuàng)建Terrain游戲?qū)ο?，依?jù)場景的真實(shí)景象，在游戲?qū)ο笊厦枥L出地勢的高低起伏、平滑度。為了豐富地形內(nèi)容，可以在地形上使用Paint Trees工具種出不同形態(tài)的樹木。在基本的地形地勢上對山地表面的白膜進(jìn)行貼圖處理，達(dá)到真實(shí)繪制效果。實(shí)驗(yàn)表明，相比于手動建立三維地形的方式，使用Unity3D軟件大大提高了建模效率與真實(shí)度，渲染效果如圖3所示。

2.2? 搶險(xiǎn)物資構(gòu)建

根據(jù)1.2節(jié)的應(yīng)急演練流程，設(shè)計(jì)應(yīng)急決策交互進(jìn)行培訓(xùn)，提高用戶的應(yīng)急決策能力。在交互時(shí)應(yīng)顯示出可能用到的搶險(xiǎn)物資，因此需要對應(yīng)急搶險(xiǎn)階段使用到物資、工具做出直觀展示。這些物資主要包含土工膜、沙袋、填充密封膠、水質(zhì)監(jiān)測車等，在系統(tǒng)開發(fā)之前使用三維建模軟件對這些搶險(xiǎn)物資進(jìn)行三維建模，然后集成到Unity3D引擎中，設(shè)計(jì)腳本實(shí)現(xiàn)劇情的流程。三維模型在場景中的應(yīng)用效果如圖4所示。

2.3? 虛擬角色構(gòu)建

為了給用戶帶來沉浸式體驗(yàn)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多個(gè)虛擬角色，這些角色能夠在演練時(shí)和用戶語音對話，在用戶丟失下一行為時(shí)提示用戶進(jìn)展方向，推動劇情發(fā)展。虛擬角色包括巡檢人員（第一人稱）、應(yīng)急保障員、搶險(xiǎn)隊(duì)員、水質(zhì)監(jiān)測員等。在場景中，用戶作為巡檢人員例行檢查渡槽周圍安全狀況時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)上報(bào)異常。應(yīng)急保障員協(xié)助巡檢人員向上級管理處上報(bào)異常情況、操作正確的險(xiǎn)情處置措施。搶險(xiǎn)隊(duì)員按照上級的要求做出應(yīng)急搶險(xiǎn)行動，水質(zhì)監(jiān)測員判斷渠水是否被污染。

Unity3D把人物的一段動作的動畫當(dāng)作一個(gè)狀態(tài)，多個(gè)狀態(tài)組成一個(gè)動作狀態(tài)機(jī)，動作狀態(tài)機(jī)存儲了角色的多種不同狀態(tài)以及狀態(tài)之間的切換規(guī)則。以應(yīng)急保障隊(duì)員為例，根據(jù)劇情主要有如表1所示的動作，人物行為切換需要特定的條件，通過判斷參數(shù)的變換進(jìn)行動作的切換。

2.4? 降雨及左排渡槽洪水漫溢效果實(shí)現(xiàn)

由于應(yīng)急演練系統(tǒng)的背景是強(qiáng)降雨天氣，因此需要對降雨效果仿真，包括雨滴以及水波紋擴(kuò)散效果的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)需要模擬左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情。由于粒子系統(tǒng)具有可操作性強(qiáng)、表現(xiàn)效果真實(shí)的特點(diǎn)，經(jīng)常被用來模擬煙、霧、雪、火等物體特效。場景中使用粒子系統(tǒng)來模擬降雨特效以及洪水漫溢特效。

使用粒子系統(tǒng)通常有如下操作步驟：

（1）創(chuàng)建Particle System游戲?qū)ο蟆?/p>

（2）在游戲?qū)ο笊仙闪Ｗ?，設(shè)置粒子的生命周期、大小、運(yùn)動方式等基本屬性。

（3）設(shè)置粒子發(fā)射器的屬性，包括每秒發(fā)射的粒子數(shù)量、發(fā)射器形狀、發(fā)射器大小等。

（4）粒子渲染。

構(gòu)建水波紋所使用到的粒子系統(tǒng)，各參數(shù)如表2所示。

使用粒子系統(tǒng)模擬的水波紋擴(kuò)散效果以及洪水漫槽入渠，效果如圖5所示。

2.5? 虛擬交互仿真

系統(tǒng)場景中設(shè)計(jì)有三種交互方式：被動視角交互、漫游交互、選擇決策交互。

2.5.1? 被動視角交互

在劇情內(nèi)容開始的引導(dǎo)階段，為了使用戶融入劇情中，播放工巡人員跑到災(zāi)害現(xiàn)場的一段動畫。動畫播放時(shí)，視角內(nèi)的場景不再隨用戶轉(zhuǎn)動頭盔而變化，此時(shí)的用戶界面如圖6所示。

2.5.2? 漫游交互

為了推動劇情發(fā)展，使用箭頭提示、語音提示、高亮提示來引導(dǎo)用戶的下一階段行為。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多段語音，在用戶丟失方向時(shí)，箭頭以及語音的提示能幫助用戶快速找回方向，同時(shí)提高場景的真實(shí)感。高亮的提示幫助用戶發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、對險(xiǎn)情做出正確的處置措施，如圖7所示。

2.5.3? 選擇決策交互

在進(jìn)行險(xiǎn)情上報(bào)以及應(yīng)急處置時(shí)，系統(tǒng)通過彈窗出選擇題的方式供用戶進(jìn)行應(yīng)急決策過程。為了提升UI面板的創(chuàng)建效率，創(chuàng)能一套夠自動適應(yīng)不同題目的腳本，依據(jù)設(shè)置的題干和選項(xiàng)，自動把題目匹配到面板中，在用戶指向某一選項(xiàng)時(shí)，會在場景內(nèi)預(yù)覽這種做法，顯示在用戶視角內(nèi)。以滑塌襯砌板的處置為例，選擇面板如圖8所示。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了基于VR的左排渡槽洪水漫溢險(xiǎn)情的應(yīng)急演練方案，通過研究虛擬應(yīng)急演練的實(shí)現(xiàn)方法，對南水北調(diào)中線工程深挖方渠段的場景以及演練涉及的虛擬人物進(jìn)行三維建模；使用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)場景真實(shí)感的降雨特效以及洪水漫槽入渠特效；實(shí)現(xiàn)了三種不同交互方式的仿真，增強(qiáng)了用戶在搶險(xiǎn)演練時(shí)的參與感。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)、視覺效果顯著、培訓(xùn)效果明顯，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的價(jià)值。

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作者簡介：謝歌（1998—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、水利信息化；仝曉陽（1999—），男，漢族，河南洛陽人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；杜江岳（1998—），男，漢族，河南安陽人，碩士研究生在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、水利信息化。

收稿日期：2022-10-25