虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

李榮君，李 希，張 皓，陳 明

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 核應(yīng)急響應(yīng)的常見訓(xùn)練形式

核應(yīng)急響應(yīng)對于在發(fā)生核事故后緩解事故造成的后果，減輕事故對環(huán)境和公眾健康造成的影響具有重要意義，也關(guān)乎將來核電事業(yè)發(fā)展的大局。自1997年國家發(fā)布第一部《國家核應(yīng)急計(jì)劃(預(yù)案)》以來，經(jīng)過多次修訂，于2013年發(fā)布了新版《國家核應(yīng)急預(yù)案》，此舉標(biāo)志著我國核應(yīng)急管理工作的體系化、專業(yè)化、規(guī)范化、科學(xué)化水平的全面提升。

自2009年至今，我國已經(jīng)舉行過2次國家級核事故應(yīng)急演習(xí)。2009年11月10日舉行的首次國家核事故應(yīng)急聯(lián)合演習(xí)“神盾-2009”，采取了三級聯(lián)動(dòng)、異地同步、軍地聯(lián)合的方式進(jìn)行。國家核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會(huì)及其專家咨詢組、軍隊(duì)、江蘇省各級核應(yīng)急組織、專業(yè)隊(duì)伍和部分公眾、江蘇核電有限公司等參加演習(xí)，演練了應(yīng)急啟動(dòng)與報(bào)告、事故分析研判、指揮決策及輻射監(jiān)測、去污洗消、醫(yī)療救助、撤離與安置等各項(xiàng)應(yīng)急行動(dòng)[1]。

2015年6月26日，我國再次舉行“神盾-2015”國家級核應(yīng)急演習(xí)。這次演習(xí)是在習(xí)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(tái)、新版《國家核應(yīng)急預(yù)案》發(fā)布的背景下舉行的。演習(xí)借鑒了福島核事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，既假設(shè)了系統(tǒng)故障，也假設(shè)了自然災(zāi)害(地震)和內(nèi)部事件(火災(zāi))的疊加，同時(shí)還設(shè)想了多機(jī)組事故。各參演單位據(jù)此制訂各自的演習(xí)方案，認(rèn)真開展了事故應(yīng)對演練[1]。

此外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010年以來，在國內(nèi)有核電的省份進(jìn)行了十多次省級演習(xí)，貼近實(shí)戰(zhàn)“以演促訓(xùn)”，展現(xiàn)出了注重細(xì)節(jié)、響應(yīng)行動(dòng)貼近實(shí)戰(zhàn)的特點(diǎn)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練中的必要性與可行性

2.1 傳統(tǒng)核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練的局限性

核應(yīng)急響應(yīng)工作最顯著的特點(diǎn)是專業(yè)性強(qiáng)，其次是協(xié)調(diào)面廣、協(xié)同能力要求高。核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練的目的是突發(fā)事故時(shí)迅速高效應(yīng)對，將事故引起的各項(xiàng)損失降至最低。核應(yīng)急演習(xí)能夠起到較好的訓(xùn)練作用，但也存在應(yīng)急演習(xí)場地有限、時(shí)間短和成本高的局限性問題。

目前，核應(yīng)急演習(xí)大多時(shí)間較短，且受制于演習(xí)場地和成本，很多響應(yīng)行動(dòng)只能以沙盤演練方式進(jìn)行，演練深度不足，核應(yīng)急響應(yīng)的訓(xùn)練效果有限。

2.2 核事故的特點(diǎn)對應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練效果提出更高要求

核應(yīng)急有著不同于常規(guī)應(yīng)急的特殊性和要求，核輻射防護(hù)的要求是核應(yīng)急響應(yīng)策略、訓(xùn)練腳本編制、應(yīng)急響應(yīng)措施的首要考慮因素。傳統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)通常采用模擬輻射數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性較差，很多響應(yīng)行動(dòng)只能以事先制定的腳本模擬方式進(jìn)行，訓(xùn)練深度不足，且無法實(shí)時(shí)模擬事故的演變過程，場景的真實(shí)性、完整性不足。“貼近實(shí)戰(zhàn)、以演促訓(xùn)”的應(yīng)急演習(xí)要求仍存在進(jìn)一步落實(shí)的空間。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為核應(yīng)急救援領(lǐng)域發(fā)展提供技術(shù)支撐

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是通過軟件進(jìn)行三維建模，來創(chuàng)造出一個(gè)虛擬的三維空間，從視覺、聽覺、動(dòng)作感知上實(shí)現(xiàn)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(yàn)。通過操作者的手勢等肢體語言，計(jì)算機(jī)迅速展開運(yùn)算，把精確的3D場景展現(xiàn)在操作者眼前。

隨著VR技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用于核應(yīng)急救援領(lǐng)域的培訓(xùn)和應(yīng)急管理成為現(xiàn)實(shí)。VR技術(shù)將扁平化的數(shù)據(jù)還原為核事故真實(shí)的場景，將各類假想的核事故/事件的場景變成虛擬現(xiàn)實(shí)，并有助于解決某些具有危險(xiǎn)性的訓(xùn)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(shí)時(shí)輻射擴(kuò)散情況，并進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)演練。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練中的實(shí)現(xiàn)方式與內(nèi)容

中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)有限公司針對核應(yīng)急搶險(xiǎn)場景，運(yùn)用VR技術(shù)開發(fā)了一套虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了若干典型核事故場景以及對應(yīng)的救援流程，并將外設(shè)VR互動(dòng)設(shè)備與訓(xùn)練實(shí)操模塊相結(jié)合，將VR技術(shù)應(yīng)用到核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練中進(jìn)行了積極探索。

3.1 搭建核電廠場景模型

以國內(nèi)某核電廠為參考對象搭建三維模型，以高精度要求進(jìn)行三維建模，采用模型貼圖和燈光烘焙，與實(shí)物場景盡量相符體現(xiàn)真實(shí)感，如圖1所示。可以使不同類型的受訓(xùn)者根據(jù)訓(xùn)練目的，有針對性地了解整個(gè)核電廠包括場區(qū)和場外的地形結(jié)構(gòu)和建筑位置，更重要的是可以了解建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和布局，熟悉核電廠內(nèi)的各類通道和路徑，應(yīng)急物資的存放位置等。

受訓(xùn)者可使用VR頭盔和手柄等設(shè)備以第一人稱視角在場景中進(jìn)行漫游。漫游過程中可選擇不同行進(jìn)方式，改變行進(jìn)速度，在行走到設(shè)備、器具或重要地點(diǎn)時(shí)，可拿起物資設(shè)備和器具進(jìn)行詳細(xì)查看。系統(tǒng)內(nèi)置各類物資、設(shè)備、場景和工器具的說明資料，受訓(xùn)者也可查看相關(guān)的圖文或視頻說明。漫游場景提供導(dǎo)航功能，在導(dǎo)航圖的熱點(diǎn)位置區(qū)域進(jìn)行快速定位，能夠迅速切換到核電廠的不同區(qū)域，同時(shí)還可以通過“上帝視角”觀看整個(gè)核電廠的布局。

3.2 3D場景構(gòu)建與訓(xùn)練流程編輯

3D場景構(gòu)建與訓(xùn)練流程編輯是本系統(tǒng)的開發(fā)重點(diǎn)，以核電廠三維模型為基礎(chǔ)進(jìn)行靈活改造和編輯，將核應(yīng)急響應(yīng)策略、訓(xùn)練腳本和應(yīng)急響應(yīng)措施融入系統(tǒng)中，同時(shí)引入輻射劑量參數(shù)，實(shí)時(shí)模擬事故的演變過程，響應(yīng)行動(dòng)貼近實(shí)戰(zhàn)，開發(fā)不同假定事故的核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練流程，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練的不足，提升訓(xùn)練效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本系統(tǒng)基于國際通用的UE4引擎改造開發(fā)了一套3D場景編輯器，可運(yùn)行于PC端，具備3D模型資源導(dǎo)入、環(huán)境設(shè)置、動(dòng)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(dǎo)入、環(huán)境設(shè)置功能，可生成支撐事故仿真、實(shí)操訓(xùn)練及演示培訓(xùn)應(yīng)用的各類場景，采取場景文件的方式存儲(chǔ)，方便管理和調(diào)用；

2)可進(jìn)行動(dòng)畫編輯，在場景中插入編輯好的動(dòng)畫，用于演示學(xué)習(xí)、增強(qiáng)效果、細(xì)節(jié)補(bǔ)充等；

3)可實(shí)現(xiàn)事故發(fā)展流程配置，靈活設(shè)置事故類型、修改事故流程場景；

4)具備分析推演功能，設(shè)置訓(xùn)練考題，對救援方案推演與驗(yàn)證等。

場景編輯器主界面功能設(shè)計(jì)上參考主流的三維設(shè)計(jì)開發(fā)軟件場景界面編輯器設(shè)計(jì)。系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)場景模擬的人機(jī)交互功能

利用空間定位、環(huán)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(xié)同交互，逐步形成一個(gè)完整的交互式核應(yīng)急虛擬世界。假定各種事故場景，通過專業(yè)仿真軟件模擬出核事故演變過程，計(jì)算輻射擴(kuò)展范圍、速度及劑量值，以此為依據(jù)制定核應(yīng)急響應(yīng)腳本，在虛擬世界中模擬核事故應(yīng)急響應(yīng)流程，涵蓋各種狀態(tài)下的應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)訓(xùn)練。

受訓(xùn)者通過第一人稱模式，通過VR交互外設(shè)進(jìn)入到虛擬場景中，利用數(shù)據(jù)手套或手柄等對VR場景展開互動(dòng)，用數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進(jìn)行操作，根據(jù)腳本完成一系列指定動(dòng)作，包括行進(jìn)路線、事項(xiàng)報(bào)告、防護(hù)裝備穿戴、設(shè)備/工具操作等，從而完成一個(gè)個(gè)核應(yīng)急響應(yīng)操作，虛擬訓(xùn)練模塊架構(gòu)如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練模塊架構(gòu)Fig.3 The training module architecture

要注意的是，模擬操作中人機(jī)交互模式非常繁瑣，因此還需要分析受訓(xùn)者在操作工具、與VR場景的互動(dòng)以及位置移動(dòng)過程中所形成的效果反饋等多種現(xiàn)象。開發(fā)者收集到反饋信息，對核應(yīng)急虛擬現(xiàn)實(shí)場景以及響應(yīng)腳本進(jìn)行不斷優(yōu)化。

3.4 實(shí)現(xiàn)多臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備協(xié)同與多角色協(xié)同

系統(tǒng)支持多人聯(lián)機(jī)訓(xùn)練，根據(jù)不同級別組織的定位和分工，在虛擬場景中設(shè)定多個(gè)角色，操作者根據(jù)培訓(xùn)目的和需要，進(jìn)行多臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備協(xié)同與多角色協(xié)同。允許不同工種、不同權(quán)限的人員在同一個(gè)搶修事件場景下，各司其職，協(xié)作完成訓(xùn)練操作。多人協(xié)同訓(xùn)練基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，多臺(tái)操作終端打開同一個(gè)搶修場景后，選擇需扮演的角色，登錄服務(wù)器后，即可在場景中看到接入的其他人的虛擬角色。一個(gè)學(xué)員的所有操作以及語音信息，均通過VR設(shè)備采集，上傳到服務(wù)器，然后分發(fā)到其他學(xué)員端，使多個(gè)畫面中角色的動(dòng)作、語音同步，系統(tǒng)畫面如圖4所示。

3.5 實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)教學(xué)與實(shí)操訓(xùn)練的雙重作用

通過開發(fā)教員站，對實(shí)操模擬訓(xùn)練過程進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)教學(xué)的目標(biāo)。教員站是一套獨(dú)立的工具軟件，運(yùn)行于PC機(jī)上，教員站監(jiān)視窗口以第三人稱全局視角，查看當(dāng)前救援訓(xùn)練場景中各訓(xùn)練人員虛擬角色的操作，并顯示當(dāng)前救援訓(xùn)練進(jìn)程，同時(shí)可向訓(xùn)練人員發(fā)送控制指令，如圖5所示。

實(shí)操模擬訓(xùn)練模塊是在救援訓(xùn)練場景的基礎(chǔ)上，利用VR交互外設(shè)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，在場景瀏覽器中完成場景中指定的VR交互訓(xùn)練操作。目前國內(nèi)外VR交互外設(shè)市場較為成熟，包含頭盔、手套、定位器、位移裝置等，通過開發(fā)實(shí)操模擬訓(xùn)練模塊，可實(shí)現(xiàn)人員沉浸式瀏覽、行走移動(dòng)、姿態(tài)捕捉、手勢識別、語音、多人交互等功能。

實(shí)操訓(xùn)練模塊主要功能如下：

1)支持佩戴VR眼鏡實(shí)現(xiàn)360°沉浸式漫游；

2)支持手勢交互，采用VR手套捕捉關(guān)節(jié)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙手模擬工具拾取、閥門轉(zhuǎn)動(dòng)、設(shè)備拆卸等操作；

3)支持區(qū)域移動(dòng)，采用位移裝置如萬向跑步機(jī)等，受訓(xùn)人員通過在小面積區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中的大范圍、多種方式的位移；

4)支持多人聯(lián)機(jī)訓(xùn)練，允許5人在同一場景下協(xié)作完成訓(xùn)練操作；

5)支持與教員站聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在教員監(jiān)控下開展訓(xùn)練過程，教員可發(fā)送指令并收到受訓(xùn)人員反饋；

6)支持向人機(jī)分析模塊提供身體姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用多個(gè)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(tài)數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析等。

4 結(jié)論

VR技術(shù)具有多感知性、臨場感、交互性等特點(diǎn)，可以在各類培訓(xùn)過程中形成一個(gè)與實(shí)際工作環(huán)境相同的虛擬環(huán)境，并可與虛擬世界產(chǎn)生交互，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作和技能培訓(xùn)。將VR技術(shù)與核應(yīng)急響應(yīng)的要求和目標(biāo)結(jié)合起來，開發(fā)核應(yīng)急響應(yīng)的虛擬培訓(xùn)平臺(tái)，能有效增強(qiáng)核應(yīng)急響應(yīng)教學(xué)與演習(xí)的效果，提高培訓(xùn)與實(shí)際工作的一致性。下一步,將針對具體的核應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練目的，開發(fā)功能性的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練平臺(tái)，并通過訓(xùn)練和演習(xí)實(shí)踐，不斷對核應(yīng)急響應(yīng)體系進(jìn)行補(bǔ)充和完善。