探索VR技術(shù)在防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)中的運(yùn)用

趙志文，李 飛，陳 鵬，陳 哲，余 穎

（江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇 南京 211500）

加強(qiáng)信息化建設(shè)，督促指導(dǎo)水利生產(chǎn)經(jīng)營單位開展風(fēng)險(xiǎn)管控工作是水利運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化管理的重要內(nèi)容，進(jìn)一步完善預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，需納入數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程災(zāi)害處置，積極運(yùn)用信息化手段提升風(fēng)險(xiǎn)管控水平。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)防災(zāi)減災(zāi)日益重視，對(duì)防汛搶險(xiǎn)成效也日益關(guān)注，各地都加強(qiáng)了對(duì)防汛搶險(xiǎn)人員的技能培訓(xùn)。平原、丘陵、山區(qū)等多種地形地貌所面臨的險(xiǎn)情側(cè)重點(diǎn)也不一樣，為有效預(yù)防、及時(shí)控制和消除水旱災(zāi)害，最大限度地減少損失，探索運(yùn)用VR虛擬仿真技術(shù)建立專業(yè)防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)平臺(tái)。

1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)中的優(yōu)勢

防汛搶險(xiǎn)是一件專業(yè)性較強(qiáng)的工作，參與人員必須進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，才能辨識(shí)險(xiǎn)情、及時(shí)處置險(xiǎn)情。目前，各地開展的防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)項(xiàng)目仍然以傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式，即教師用課件上課和場地實(shí)操，內(nèi)容是教師向受訓(xùn)人員單向傳遞，效果反饋不及時(shí)，缺乏互動(dòng)性和趣味性。VR 技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)場景的技術(shù)，將VR 技術(shù)應(yīng)用于防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)中，具有較為明顯的優(yōu)勢。

1.1 加強(qiáng)培訓(xùn)安全性

搶險(xiǎn)培訓(xùn)現(xiàn)場往往機(jī)械、水電、土石料混雜，存在一定安全隱患，易發(fā)生傷害事故。通過VR技術(shù)，可以在不同的環(huán)境中進(jìn)行模擬操作，能夠?qū)⒏唢L(fēng)險(xiǎn)或潛在危險(xiǎn)的情況轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩h(huán)境中的沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)。

1.2 增加培訓(xùn)吸引力

VR 培訓(xùn)能夠?yàn)槭苡?xùn)者帶來更高的專注度和臨場感，從而讓受訓(xùn)者在應(yīng)急培訓(xùn)中更加認(rèn)真。強(qiáng)烈的臨場感也能讓受訓(xùn)者更加習(xí)慣緊急的場景，從而在突發(fā)事件來臨時(shí)更加冷靜［1］。

1.3 降低培訓(xùn)成本

防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)往往需要場地大的水域環(huán)境，并進(jìn)行場地布置和機(jī)械物料準(zhǔn)備，往往投入大、工作量大、培訓(xùn)復(fù)雜、不可重復(fù)。VR技術(shù)不需要重復(fù)構(gòu)建現(xiàn)實(shí)場地，大大降低了不必要的成本，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)通用，不受地域、人員限制。

1.4 增強(qiáng)培訓(xùn)靈活性

搶險(xiǎn)人員可以根據(jù)自己的工作生活實(shí)際情況，在合適的時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練、培訓(xùn)，控制學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度，不受時(shí)間或地域的限制，具有較強(qiáng)的靈活性［2］。

2 防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)要求

2.1 瞄準(zhǔn)實(shí)操，注重實(shí)效

以確保學(xué)員有效掌握水利應(yīng)急搶險(xiǎn)技能為核心，以切實(shí)提高學(xué)員實(shí)操水平為落腳點(diǎn)，為學(xué)員提供貼近實(shí)際工作的訓(xùn)練環(huán)境，整體提高不同層次人員實(shí)際解決問題的能力，力爭做到實(shí)用、管用。

2.2 立足現(xiàn)實(shí)，放眼長遠(yuǎn)

以常規(guī)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)為支撐，以基礎(chǔ)設(shè)施為平臺(tái)，充分利用現(xiàn)有訓(xùn)練成果，深入總結(jié)險(xiǎn)情處置實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)。不僅考慮現(xiàn)有人員設(shè)施基礎(chǔ)上的實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練，還要著眼設(shè)施升級(jí)發(fā)展和人員長期培養(yǎng)條件下的實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練，放眼長遠(yuǎn)構(gòu)建科學(xué)規(guī)范的訓(xùn)練體系。

2.3 任務(wù)牽引，訓(xùn)管結(jié)合

以水利應(yīng)急搶險(xiǎn)為任務(wù)引導(dǎo)，突出水旱災(zāi)害場景環(huán)境、天氣狀況、裝備應(yīng)用、突發(fā)狀況處置等日常實(shí)訓(xùn)任務(wù)重點(diǎn)，以訓(xùn)練、提升為主線，充實(shí)訓(xùn)練科目，突破實(shí)裝限制，拓展訓(xùn)練內(nèi)容，努力實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練內(nèi)容可控、訓(xùn)練過程可管、訓(xùn)練效果可測。

2.4 整體規(guī)劃，合理分工

在整體考慮訓(xùn)練各系統(tǒng)構(gòu)成、專業(yè)分工、訓(xùn)練需求、現(xiàn)有訓(xùn)練資源的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)操，真實(shí)還原訓(xùn)練場景和各實(shí)操分系統(tǒng)崗位的任務(wù)，整體規(guī)劃模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成。加強(qiáng)專業(yè)協(xié)作和任務(wù)分工，細(xì)化需求對(duì)接，為系統(tǒng)研制提供業(yè)務(wù)和信息支持。

3 防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

3.1 先進(jìn)易用，逼近真實(shí)

吸收國內(nèi)外已有的成熟技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，合理應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、組件化建模等技術(shù)的新成果，采用數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)、AI數(shù)據(jù)分析、空間定位等易用的交互技術(shù)。構(gòu)建友好的交互界面，逼真再現(xiàn)訓(xùn)練環(huán)境及設(shè)施形態(tài)、功能原理、操作反饋，水利災(zāi)害事故現(xiàn)象，提高訓(xùn)練效率，豐富訓(xùn)練手段。

3.2 架構(gòu)開放，支持?jǐn)U展

設(shè)施與環(huán)境的不斷更替擴(kuò)容，要求訓(xùn)練系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性和可自定義性。因此需采用開放擴(kuò)展架構(gòu)和組件化應(yīng)急模型框架，使用統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則和協(xié)議，配套完備的開發(fā)指導(dǎo)規(guī)范體系，充分預(yù)留擴(kuò)展接口，為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)擴(kuò)展提供支撐。

3.3 應(yīng)急可靠，便于維護(hù)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以應(yīng)急，運(yùn)行可靠，單點(diǎn)故障不影響系統(tǒng)功能，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部信息的流動(dòng)受到嚴(yán)格控制，能保證信息的完整性、可用性和可控性，并具備防病毒能力。系統(tǒng)具備簡易清晰的管理維護(hù)界面和規(guī)范、齊全的技術(shù)文檔，方便維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

4 防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)功能設(shè)置

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水利應(yīng)急搶險(xiǎn)訓(xùn)練系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)滲水、管涌、漏洞、漫溢、滑坡、裂縫、決口、泥石流、堰塞湖等險(xiǎn)情處置業(yè)務(wù)訓(xùn)練。通過建設(shè)實(shí)訓(xùn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，達(dá)到如下功能。

（1）構(gòu)建典型河流堤防三維模型，通過加入堤防環(huán)境、天氣環(huán)境、晝夜環(huán)境、水文環(huán)境等，實(shí)現(xiàn)逼真虛擬環(huán)境的實(shí)操訓(xùn)練。此外，可針對(duì)重大影響的洪水災(zāi)害，進(jìn)行情景復(fù)現(xiàn)，提高各參與人員的代入感，達(dá)到訓(xùn)練、科普作用。

（2）實(shí)現(xiàn)洪水、降雨、險(xiǎn)情等水利搶險(xiǎn)知識(shí)課程，具有水力學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)水力學(xué)模擬、漂浮物模擬、淹沒模擬、潰堤模擬、封堵模擬、管涌模擬等各類險(xiǎn)情模擬。提供防汛指揮長、處置專家、巡堤查險(xiǎn)人員、搶險(xiǎn)隊(duì)伍等多種角色訓(xùn)練，提高教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的覆蓋性和實(shí)效性［3］。

（3）提供定制化的VR搶險(xiǎn)道具，切實(shí)提高實(shí)訓(xùn)人員的實(shí)操水平。

（4）提供個(gè)人檔案存儲(chǔ)，方便考核人員對(duì)人員訓(xùn)練內(nèi)容和時(shí)長審核。同時(shí)，讓學(xué)員對(duì)自己學(xué)習(xí)的內(nèi)容和進(jìn)度自行進(jìn)行把控。

（5）具有教學(xué)模式和演練模式，教學(xué)模式提供學(xué)員學(xué)習(xí)理論知識(shí)的功能，對(duì)險(xiǎn)情發(fā)生的原因、過程，以及搶護(hù)方式、原理等進(jìn)行沉浸式演示。演練模式提供學(xué)員對(duì)險(xiǎn)情識(shí)別、判斷、處置的場景環(huán)境，并對(duì)處置結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判別。

（6）可以針對(duì)不同知識(shí)掌握程度人員進(jìn)行難易分級(jí)學(xué)習(xí)，使其更易于掌握。

（7）在多人協(xié)同訓(xùn)練中，系統(tǒng)可以設(shè)置多種視角展示各個(gè)訓(xùn)練者的訓(xùn)練情況，例如全局總覽視角和學(xué)員的第一視角?？疾煺呖梢酝ㄟ^總覽視角觀察總體狀況，對(duì)狀況處置結(jié)果做出評(píng)價(jià)，也可以通過對(duì)某一學(xué)員的第一視角進(jìn)行查看，了解當(dāng)前學(xué)員具體情況，更深入地對(duì)學(xué)員個(gè)體狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

5 防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)可以基于以上功能模塊實(shí)現(xiàn)單人自主訓(xùn)練、多人協(xié)同訓(xùn)練2種教學(xué)訓(xùn)練形式。同時(shí)，按照防汛搶險(xiǎn)中發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、制定方案、指揮搶險(xiǎn)、實(shí)施搶險(xiǎn)、善后處置5 個(gè)流程，學(xué)習(xí)險(xiǎn)情基礎(chǔ)知識(shí)，尋找場景內(nèi)險(xiǎn)情，判斷險(xiǎn)情，處理險(xiǎn)情。根據(jù)隨機(jī)險(xiǎn)情發(fā)生，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)選擇處理流，對(duì)應(yīng)設(shè)備、工具，進(jìn)行險(xiǎn)情處理，完成后結(jié)束學(xué)習(xí)并積學(xué)分，即可對(duì)學(xué)員處置流程、學(xué)習(xí)時(shí)長、操作規(guī)范進(jìn)行記錄，并考核評(píng)分，對(duì)處置結(jié)果進(jìn)行分析回放。此外，通過接入顯示屏幕，可以支持應(yīng)急訓(xùn)練教學(xué)、訪客觀摩講解等各種教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)用場景。

系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，即應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層提供用戶界面，通過訓(xùn)練人員選擇相應(yīng)的功能；業(yè)務(wù)層主要是處理訓(xùn)練人員的請(qǐng)求，并將請(qǐng)求向應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層交互；數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總處理，是平臺(tái)數(shù)據(jù)的管理核心［4］。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、分布式交互應(yīng)急技術(shù)等，模擬水利工程設(shè)施的部件形態(tài)、功能結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、水利災(zāi)害處置，建立集教學(xué)、訓(xùn)練、考核、演練于一體的綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。架構(gòu)可分為空間定位系統(tǒng)、道具系統(tǒng)、服務(wù)器、學(xué)習(xí)端、教師端、展示端。

防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 防汛搶險(xiǎn)VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)拓?fù)鋱D

與此同時(shí)，還需加強(qiáng)數(shù)據(jù)算法研究。多人交互需要將每個(gè)人的訓(xùn)練數(shù)據(jù)同步到其他所有人，隨著參訓(xùn)人數(shù)的提升，數(shù)據(jù)量迅速擴(kuò)大。系統(tǒng)首先利用數(shù)據(jù)差分壓縮算法，壓縮后的姿態(tài)數(shù)據(jù)大小不超過原來10%，并通過可視條件，中央服務(wù)器統(tǒng)一同步等技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)吞吐壓力由原來的參訓(xùn)人數(shù)平方關(guān)系減少到線性相關(guān)，擴(kuò)大了多人交互的使用范圍。

6 結(jié) 語

綜上所述，模擬防汛險(xiǎn)情處理的穩(wěn)定性，為VR虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)提供了較好的條件。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪裕梢詫?shí)現(xiàn)多地部署，有效降低培訓(xùn)成本。VR 虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)可構(gòu)建現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)、訓(xùn)練內(nèi)容可控、訓(xùn)練結(jié)果可預(yù)測的水利應(yīng)急實(shí)訓(xùn)模擬訓(xùn)練環(huán)境，突破日常教學(xué)的場景限制，大大縮減訓(xùn)練時(shí)間，提高訓(xùn)練效率。VR 虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)具有的獨(dú)特優(yōu)勢，將在防汛搶險(xiǎn)培訓(xùn)工作中發(fā)揮更大的作用。