虛擬現實技術在核應急響應訓練中的應用研究

李榮君，李 希，張 皓，陳 明

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 核應急響應的常見訓練形式

核應急響應對于在發生核事故后緩解事故造成的后果，減輕事故對環境和公眾健康造成的影響具有重要意義，也關乎將來核電事業發展的大局。自1997年國家發布第一部《國家核應急計劃(預案)》以來，經過多次修訂，于2013年發布了新版《國家核應急預案》，此舉標志著我國核應急管理工作的體系化、專業化、規范化、科學化水平的全面提升。

自2009年至今，我國已經舉行過2次國家級核事故應急演習。2009年11月10日舉行的首次國家核事故應急聯合演習“神盾-2009”，采取了三級聯動、異地同步、軍地聯合的方式進行。國家核事故應急協調委員會及其專家咨詢組、軍隊、江蘇省各級核應急組織、專業隊伍和部分公眾、江蘇核電有限公司等參加演習，演練了應急啟動與報告、事故分析研判、指揮決策及輻射監測、去污洗消、醫療救助、撤離與安置等各項應急行動[1]。

2015年6月26日，我國再次舉行“神盾-2015”國家級核應急演習。這次演習是在習近平總書記提出“總體國家安全觀”，將核安全納入國家安全體系、新《國家安全法》出臺、新版《國家核應急預案》發布的背景下舉行的。演習借鑒了福島核事故的經驗教訓，既假設了系統故障，也假設了自然災害(地震)和內部事件(火災)的疊加，同時還設想了多機組事故。各參演單位據此制訂各自的演習方案，認真開展了事故應對演練[1]。

此外，據不完全統計，2010年以來，在國內有核電的省份進行了十多次省級演習，貼近實戰“以演促訓”，展現出了注重細節、響應行動貼近實戰的特點。

2 虛擬現實技術在核應急響應訓練中的必要性與可行性

2.1 傳統核應急響應訓練的局限性

核應急響應工作最顯著的特點是專業性強，其次是協調面廣、協同能力要求高。核應急響應訓練的目的是突發事故時迅速高效應對，將事故引起的各項損失降至最低。核應急演習能夠起到較好的訓練作用，但也存在應急演習場地有限、時間短和成本高的局限性問題。

目前，核應急演習大多時間較短，且受制于演習場地和成本，很多響應行動只能以沙盤演練方式進行，演練深度不足，核應急響應的訓練效果有限。

2.2 核事故的特點對應急響應訓練效果提出更高要求

核應急有著不同于常規應急的特殊性和要求，核輻射防護的要求是核應急響應策略、訓練腳本編制、應急響應措施的首要考慮因素。傳統應急響應通常采用模擬輻射數據，實時性較差，很多響應行動只能以事先制定的腳本模擬方式進行，訓練深度不足，且無法實時模擬事故的演變過程，場景的真實性、完整性不足?！百N近實戰、以演促訓”的應急演習要求仍存在進一步落實的空間。

2.3 虛擬現實技術的發展為核應急救援領域發展提供技術支撐

虛擬現實(VR)技術是通過軟件進行三維建模，來創造出一個虛擬的三維空間，從視覺、聽覺、動作感知上實現操作者與虛擬世界的交互，可以讓操作者有身臨其境的體驗。通過操作者的手勢等肢體語言，計算機迅速展開運算，把精確的3D場景展現在操作者眼前。

隨著VR技術的發展，其應用于核應急救援領域的培訓和應急管理成為現實。VR技術將扁平化的數據還原為核事故真實的場景，將各類假想的核事故/事件的場景變成虛擬現實，并有助于解決某些具有危險性的訓練場所不可視、不可摸、不可入的問題。使用者能夠沉浸式地感受核事故場景，模擬實時輻射擴散情況，并進行應急響應演練。

3 虛擬現實技術在核應急響應訓練中的實現方式與內容

中核武漢核電運行技術有限公司針對核應急搶險場景，運用VR技術開發了一套虛擬仿真訓練系統，該系統包含了若干典型核事故場景以及對應的救援流程，并將外設VR互動設備與訓練實操模塊相結合，將VR技術應用到核應急響應訓練中進行了積極探索。

3.1 搭建核電廠場景模型

以國內某核電廠為參考對象搭建三維模型，以高精度要求進行三維建模，采用模型貼圖和燈光烘焙，與實物場景盡量相符體現真實感，如圖1所示。可以使不同類型的受訓者根據訓練目的，有針對性地了解整個核電廠包括場區和場外的地形結構和建筑位置，更重要的是可以了解建筑內部的結構和布局，熟悉核電廠內的各類通道和路徑，應急物資的存放位置等。

受訓者可使用VR頭盔和手柄等設備以第一人稱視角在場景中進行漫游。漫游過程中可選擇不同行進方式，改變行進速度，在行走到設備、器具或重要地點時，可拿起物資設備和器具進行詳細查看。系統內置各類物資、設備、場景和工器具的說明資料，受訓者也可查看相關的圖文或視頻說明。漫游場景提供導航功能，在導航圖的熱點位置區域進行快速定位，能夠迅速切換到核電廠的不同區域，同時還可以通過“上帝視角”觀看整個核電廠的布局。

3.2 3D場景構建與訓練流程編輯

3D場景構建與訓練流程編輯是本系統的開發重點，以核電廠三維模型為基礎進行靈活改造和編輯，將核應急響應策略、訓練腳本和應急響應措施融入系統中，同時引入輻射劑量參數，實時模擬事故的演變過程，響應行動貼近實戰，開發不同假定事故的核應急響應訓練流程，以彌補傳統核應急響應訓練的不足，提升訓練效果。

為實現上述目標，本系統基于國際通用的UE4引擎改造開發了一套3D場景編輯器，可運行于PC端，具備3D模型資源導入、環境設置、動畫編輯、流程配置、分析推演等功能。具體功能包括：

1)具備3D模型資源導入、環境設置功能，可生成支撐事故仿真、實操訓練及演示培訓應用的各類場景，采取場景文件的方式存儲，方便管理和調用；

2)可進行動畫編輯，在場景中插入編輯好的動畫，用于演示學習、增強效果、細節補充等；

3)可實現事故發展流程配置，靈活設置事故類型、修改事故流程場景；

4)具備分析推演功能，設置訓練考題，對救援方案推演與驗證等。

場景編輯器主界面功能設計上參考主流的三維設計開發軟件場景界面編輯器設計。系統主界面布局如圖2所示。

圖2 場景編輯器主界面示意圖Fig.2 The schematic of the main interface of the scene editor

3.3 實現場景模擬的人機交互功能

利用空間定位、環境變化和三維行為的交互完成場景交互、角色及人員之間的協同交互，逐步形成一個完整的交互式核應急虛擬世界。假定各種事故場景，通過專業仿真軟件模擬出核事故演變過程，計算輻射擴展范圍、速度及劑量值，以此為依據制定核應急響應腳本，在虛擬世界中模擬核事故應急響應流程，涵蓋各種狀態下的應急響應行動訓練。

受訓者通過第一人稱模式，通過VR交互外設進入到虛擬場景中，利用數據手套或手柄等對VR場景展開互動，用數據手套等設備進行操作，根據腳本完成一系列指定動作，包括行進路線、事項報告、防護裝備穿戴、設備/工具操作等，從而完成一個個核應急響應操作，虛擬訓練模塊架構如圖3所示。

圖3 訓練模塊架構Fig.3 The training module architecture

要注意的是，模擬操作中人機交互模式非常繁瑣，因此還需要分析受訓者在操作工具、與VR場景的互動以及位置移動過程中所形成的效果反饋等多種現象。開發者收集到反饋信息，對核應急虛擬現實場景以及響應腳本進行不斷優化。

3.4 實現多臺虛擬現實設備協同與多角色協同

系統支持多人聯機訓練，根據不同級別組織的定位和分工，在虛擬場景中設定多個角色，操作者根據培訓目的和需要，進行多臺虛擬現實設備協同與多角色協同。允許不同工種、不同權限的人員在同一個搶修事件場景下，各司其職，協作完成訓練操作。多人協同訓練基于網絡協議實現，多臺操作終端打開同一個搶修場景后，選擇需扮演的角色，登錄服務器后，即可在場景中看到接入的其他人的虛擬角色。一個學員的所有操作以及語音信息，均通過VR設備采集，上傳到服務器，然后分發到其他學員端，使多個畫面中角色的動作、語音同步，系統畫面如圖4所示。

3.5 實現培訓教學與實操訓練的雙重作用

通過開發教員站，對實操模擬訓練過程進行控制，從而實現培訓教學的目標。教員站是一套獨立的工具軟件，運行于PC機上，教員站監視窗口以第三人稱全局視角，查看當前救援訓練場景中各訓練人員虛擬角色的操作，并顯示當前救援訓練進程，同時可向訓練人員發送控制指令，如圖5所示。

實操模擬訓練模塊是在救援訓練場景的基礎上，利用VR交互外設實現人機互動，在場景瀏覽器中完成場景中指定的VR交互訓練操作。目前國內外VR交互外設市場較為成熟，包含頭盔、手套、定位器、位移裝置等，通過開發實操模擬訓練模塊，可實現人員沉浸式瀏覽、行走移動、姿態捕捉、手勢識別、語音、多人交互等功能。

實操訓練模塊主要功能如下：

1)支持佩戴VR眼鏡實現360°沉浸式漫游；

2)支持手勢交互，采用VR手套捕捉關節活動，實現雙手模擬工具拾取、閥門轉動、設備拆卸等操作；

3)支持區域移動，采用位移裝置如萬向跑步機等，受訓人員通過在小面積區域內的移動，實現在虛擬場景中的大范圍、多種方式的位移；

4)支持多人聯機訓練，允許5人在同一場景下協作完成訓練操作；

5)支持與教員站聯動，實現在教員監控下開展訓練過程，教員可發送指令并收到受訓人員反饋；

6)支持向人機分析模塊提供身體姿態數據，采用多個定位器固定在身體不同部位，如頭部、四肢、軀干等，捕捉身體姿態數據，用于數據分析等。

4 結論

VR技術具有多感知性、臨場感、交互性等特點，可以在各類培訓過程中形成一個與實際工作環境相同的虛擬環境，并可與虛擬世界產生交互，在虛擬環境中進行實踐操作和技能培訓。將VR技術與核應急響應的要求和目標結合起來，開發核應急響應的虛擬培訓平臺，能有效增強核應急響應教學與演習的效果，提高培訓與實際工作的一致性。下一步,將針對具體的核應急響應訓練目的，開發功能性的虛擬現實訓練平臺，并通過訓練和演習實踐，不斷對核應急響應體系進行補充和完善。