核事故醫學應急救援模擬訓練系統設計

李珂嫻，王海軍，陳 偉，羅 群，何 穎

近年來，我國核能源事業發展迅猛，在造福人民的同時也增加了事故的隱患。核事故是指大型核設施，如核燃料生產廠、核反應堆、核電廠、核動力艦船等發生的意外事件，可能造成現場人員受到放射損傷和放射性污染。嚴重時，放射性物質泄漏并污染周圍環境，對公眾健康造成危害。及時有效的組織現場急救和后援支持，可最大限度的減輕核事故造成的影響和后果，保障公民的健康和安全。然而核事故現場難模擬，醫學救援訓練組織實施困難。近年來，基于虛擬現實和增強現實等技術的模擬訓練系統方興未艾，為現場環境無法還原、實戰化訓練難以實施的各種演練情況，提供了新的訓練評估手段[1-8]。

1 需求分析

核事故情況下，傷員傷情復雜，救援流程復雜，技術要求高，過量的內外照射對人體危害嚴重[9-12]。因此，相關人員只有在平時進行充分有效的訓練準備，才能在核事故時迅速、高效、圓滿的完成醫學應急救援任務，最大限度地減少事故對人員造成的危害。然而，目前在核事故醫學應急救援訓練存在一些不足：一是核事故現場環境難模擬，二是訓練組織實施困難，三是傷情模擬不逼真。基于上述問題，進行了核事故現場醫學應急救援模擬訓練系統的開發。

2 系統設計

2.1 整體架構系統應用于不同核事故等級下的醫學應急救援流程訓練，通過建模仿真、虛擬現實、預案要素定制等技術手段推演預案情景，演練應急過程，進行救援訓練和效果評估，以提高各級醫學應急人員的應急響應與處置能力。醫學應急救援模擬訓練可分為三個階段：訓練準備階段、訓練實施階段和訓練評估階段，具體如圖1所示。

圖1 功能組成

圖 3 基礎設置

2.2 使用人員系統可模擬兩種情況下的核應急醫學救援，第一種情況是：核設施發生故障核輻射劑量升高，相鄰場所正常，指揮人員下達搶修命令，核防護人員監測核設施劑量，搶修人員進入故障場所進行搶修，受到照射出現傷員。第二種情況是核設施發生故障，相鄰場所或全部場所核輻射劑量均升高，并由于核設施故障，引起起火、爆炸等情況，出現燒燙傷、炸傷、放射性損傷以及復合傷等傷員。系統使用對象主要為涉核工作人員，包括核與輻射安全工程技術人員、核與輻射監測工程技術人員、核醫學科醫生等。系統可參與訓練的人員角色包括導調員1名、指揮員1名、醫護人員1～2名、兼職衛生員1～2名、劑量人員1～2名、普通人員2～4名，人員可以分批次參與訓練。

2.3 使用模式系統訓練客戶端提供三種使用模式：學習模式、訓練模式和考核模式。

2.4 開發工具Unity3d游戲引擎目前以智能化界面設計、可視化編程、高效腳本編輯、跨平臺性等優勢被廣泛的應用于虛擬實現項目開發，是VR、AR最主流的開發引擎。Visual Studio編程工具在腳本編輯方面有著顯著優勢，比如便捷直觀的代碼編寫環境、跨平臺、可擴展插件豐富、運行速度快等，因此，本系統開發采用Visual Studio進行代碼編程。系統考慮處理速度、安全性等需求，故使用Oracle進行數據庫開發。

2.5 流程設計核事故醫學應急救援模擬訓練系統對核事故醫學救援典型過程，如核事故應急待命、核事故應急以及核事故傷員搜救、檢傷分類、現場醫學救治、傷員洗消去污等進行建模，按訓練流程分為以下階段：

2.5.1 訓練準備階段訓練準備階段主要完成模型裝配、基礎設置、場景部署和指標設計等工作，這是模擬訓練的基礎，通過此操作可將訓練數據初始化，并設定訓練情景。

2.5.2 訓練實施階段訓練實施階段是模擬訓練的核心部分，救援流程分系統主要完成核事故發生模擬，傷員生成模擬，受訓人員交互操作模擬，指揮員下達指令、衛生防護部門主任下發指令模擬，救護組、急救組、去污組、搬運組分別開展搜救傷員、檢傷分類、現場救治、人員劑量檢測、洗消去污、救治后送等流程模擬。

2.5.3 訓練評估階段訓練評估階段是模擬訓練的重要組成部分，系統通過對全過程數據的記錄與分析，生成考評結果，給出評估結論，輔助決策人員和受訓人員發現問題，優化 預案。

2.5.4 按業務流程分（1）應急待命。出現可能危及核設施安全的工況或事件的狀態。①最高指揮員下達應急待命命令。②醫生按預案做好搶救傷員的藥品、器材等準備工作，迅速采取措施緩解事故可能對人員的影響，并開展潛在影響評估；組織全員服用碘化鉀片；做好個人防護，包括穿戴個人防護裝具（防護服，戴防護面具或口罩、手套），佩帶個人劑量報警裝置和（或）熱釋光劑量計等。③衛生處根據核事故應急指揮部命令，通知醫院和二級救治機構做好相關醫學救援和應急衛生防護準備。（2）場所內應急。放射性物質已經或者可能即將釋放，但實際或預期的輻射后果僅限于場所內的狀態。①最高指揮員下達場所內應急命令。②醫生迅速采取行動保護現場人員，執行救護任務組織并指導受照人員服用抗輻射藥物；按預案開設臨時救護所；組織全員開展自救互救，搜尋傷員，并將傷員轉移到相對安全的場所；對傷員進行檢傷分類，實施緊急救治；獲取和估算人員受照劑量；對放射性核污染傷員進行洗消去污。③通知醫院和二級救治力量做好場外采取醫學應急行動準備。

2.6 硬件組成系統硬件主要包括模型裝配與導調類設備、沉浸式訓練類設備、觀摩講評類設備。（1）模型裝配導調設備：處理器I7 6700，顯卡GtX1080（4G），8 G內存，240 G固態硬盤，43寸以上多點紅外觸控。（2）沉浸式訓練設備：包括空間定位設備、背負式計算機和數據手套。（3）空間定位設備：定位精度：1 mm；支持節點數：>10；擴展范圍：>10 m核10 m。（4）背負式計算機：因特爾處理器i76700HQ；獨顯960英偉達GTX；內存：16 G；硬盤：SSD 256G；重量：4 kg。（5）數據手套：黑色合成彈力纖維、基于纖維光學、共14 個傳感器、每個手指2個傳感器，一個測量、指節另一個測量第一個關節。（6）觀摩講評設備：高于800 nit，視角160度，P1.6間距，8 m×2 m，三通道輸入。

2.7 系統功能總體建設思路是：采用可擴展流程架構和組件化仿真模型框架，配套相應的模型、數據、開發指導規范等體系，結合建模仿真技術、虛擬現實技術、模擬器技術，為核事故醫學應急救援模擬訓練系統運行、擴展提供優秀的支撐。

2.7.1 訓練準備（1）核事故三維環境建模：利用三維可視化技術，結合核事故常發生場所特點，構建逼真的三維訓練環境，包括地形地貌、工事建筑、設備儀器、傷員以及天氣氣候等，為訓練人員提供高沉浸、高逼真的可視化戰場環境，提高訓練人員的在核事故險地環境的真實感和融入感，系統險地環境可模擬核相關設施如核電站等。（2）模型裝配：實現訓練模型的設置功能，包括訓練涉及到的環境模型、特效模型、環境模型、設備模型、傷員模型、擴散模型、人物模型等。如圖2所示。（3）基礎設置：提供訓練基礎設置功能，包括作業環境設置、作業時間設置、作業區域選擇等。如圖3所示。（4）場景部署：將實體模型部署到所選場景中，通過拖拽的方式精確部署到指定位置，并實現對模型參數的二次維護。如圖4所示。（5）指標設計：實現對訓練過程中評估指標的設計，包括響應時間設置、操作選項設置、提示信息設置、考核權重設置等。

圖2 模型裝配

圖4 場景部署

2.7.2 訓練實施（1）桌面式訓練：①桌面學習：通過觸摸互動的方式，對核事故醫學救援流程進行系統學習。包括流程學習、設備互動、幫助提示等功能。②交互訓練：針對典型流程，通過觸摸交互的方式進行操作訓練，為沉浸式訓練提供準備。功能包括器材使用、流程選擇等。③考核評估：通過觸摸交互的方式進行考核評估。功能有答卷設置、類型選擇、難易選擇、操作提示等。如圖5所示。（2）沉浸式訓練：①導調控制：導調控制由導調人員完成對訓練全過程的控制工作。包括訓練的啟動、暫停和結束，訓練中的過程干預，以及訓練過程中的消息傳輸等。②救援訓練：針對典型流程，進行沉浸式操作訓練。功能包括器材使用、流程選擇等。③場外觀摩：將實體模型部署到所選場景中，通過LED顯示屏將救援訓練過程實時顯示，供場外人員觀摩及學習。④實時監控：實現對訓練過程中對參訓者全數據的實時顯示，包括訓練時長、道具選擇、操作步驟、數據指標等。如圖6所示： （3）場外觀摩：將實體模型部署到所選場景中，通過LED大屏將救治訓練過程實時顯示，供場外人員現場觀摩和學習。（4）實時監控：實現對訓練過程中對參訓者全數據的實時顯示，包括訓練時長、道具選擇、操作步驟、數據指標等。

圖5 桌面式訓練

圖6 沉浸式訓練

2.7.3 訓練評估（1）演練回放：現訓練過程復盤和回放功 能，具體包括加載回放文件、播放、暫停功能，以及實現過程中輔助信息的顯示隱藏功能。如圖7所示。（2）分析評估：將訓練過程數據進行整合分析，并用直觀的界面呈現，輔助指揮決策人員和參訓者進行總結分析。分析評估模塊包括救援流程是否正確、傷情救治方法是否正確、涉核傷員洗消方式方法是否正確等功能。如圖8所示。

圖7 演練回放

圖8 分析評估

2.7.4 綜合管理（1）資源管理：資源管理包括對模擬訓練的過程資源進行管理操作，包括模型管理、任務管理和數據管理。（2）角色管理：對系統使用角色進行管理，包括角色維護、權限管理等功能，如圖9所示。

圖9 角色管理

3 應用效果

第三方權威測試機構中國電子科技集團公司第三十二研究所依據項目技術要求，對本系統的功能、性能等做了詳細的測試，系統同時在涉核單位進行了推廣應用。系統測試應用結果為：系統通過組件化建模模擬流程訓練、救治訓練和洗消訓練中的仿真實體，同一時間段內可支持不少于10人，不同崗位人員的核事故救援流程，傷員搬運、診斷分類后送、應急洗消、現場醫學救治等模擬操作訓練；訓練場景可靈活編輯，情景可供導調人員自由設置；系統訓練環境安全可靠，能夠模擬戰場環境和訓練過程，實戰感強；用戶可以快速搭建虛擬作戰場景，系統可擴展性強、應用范圍廣；系統對場地要求不高，維護簡單，推廣應用方便。

核事故醫學應急救援模擬訓練系統目前已試用于某涉核單位，組織了約40名相關人員試用，通過問卷調查顯示，99%的使用人員認為該系統具有場景模擬逼真、訓練要素全面、組織實施方便、訓練效果好等優點，有效解決了現實訓練中核事故環境難模擬、訓練手段單一，訓練不全面不逼真等問題，受到使用單位好評。

4 結 語

本系統不同于其他三防VR訓練系統，在傳統的VR基礎上，構建數字化核事故三維場景，并將環境通過VR頭盔傳給受訓人員，營造逼真的沉浸式事故環境。再通過全身動作捕捉設備將受訓人員動作進行采集合成，一比一映射到場景中，實現虛實交互。同時通過導調席位，臨機設置突發情況，訓練了隊員的環境感知能力、隊組協同能力和應急處置能力。

系統的實現進一步拓展了受訓者對于核事故醫學應急救援的教學及訓練手段，解決了核事故醫學應急救援訓練中現場環境模擬度不高、訓練組織難、流程要素不齊全、訓練效益不高等問題，縮短了訓練組織時間，減少了訓練器材的消耗，提高了受訓者的訓練效益。本系統在三維訓練環境構建、全身動作捕捉、崗位流程模擬、基礎傷情庫等建設方面還需進一步的完善，在下一步的工作中將增加三維訓練環境，擴充事故發生場所；增加動作捕捉的點位，提高姿態模擬的精準度；增加傷情種類，后續將結合用戶的使用需求進行不斷改進。