基于虛擬現(xiàn)實技術的核安保突發(fā)事件響應桌面推演系統(tǒng)構建

陳晨 劉清 張桂欣 韋明智 陸宏

摘要：核設施核安保突發(fā)事件響應桌面推演是指核安保事件響應人員利用沙盤、地圖、計算機模擬等輔助手段，依據(jù)響應預案對事先假定的演練情景進行交互式討論并進行響應決策及現(xiàn)場處置的過程。本文運用Unity3D為虛擬現(xiàn)實工具，設計并研發(fā)了核安保突發(fā)事件響應桌面推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)響應預案的場景編輯、方案配置、方案推演、測繪標注、方案日志、方案分析等功能，更好地滿足桌面推演的數(shù)字化、可視化、可交互等功能要求，為開展核安保突發(fā)事件響應預案的驗證、優(yōu)化，以及培訓教學提供了一種新的手段。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實核安保突發(fā)事件響應桌面推演

Development of Tabletop Exercise System for Nuclear Security

Contingency Response Based on VR Technology

CHEN Chen1LIU Qing2ZHANG Guixin2WEI Mingzhi2LU Hong1

（1.? State Nuclear Security Technology Center，Beijing，102400 China;2.Shenzhen Newcross Technologies Co.， Ltd.，Shenzhen，Guangdong Province，518057China ）

Abstract：Nuclear security contingency response tabletop exercise refers to the process of interactive discussion， response decision making and on-site disposal on hypothetical scenarios based on the contingency plan by nuclear security response force using sandboxes， maps， computer simulations and other tools. This paper provides Unity3D engine as a virtual reality tool to design and develop a tabletop exercise system， which can be used for scenario editing， configuration， derivation， mapping and labeling， logging， analysis of response plan， and meet the requirements of digitalization， visualization， and interactivity of tabletop exercise better. It provides a new tool to carry out verification and optimization of nuclear security contingency plans， as well as training and teaching.

Key Words：Virtual reality; Nuclear security; Contingency response; Tabletop exercise

核安保是防范核恐怖主義的重要手段，主要目的是保護核材料、放射性物質(zhì)及核設施安全，防止核材料被盜和非法轉(zhuǎn)移，防止核設施遭受蓄意破壞導致放射性物質(zhì)釋放[1]。為檢驗核設施應對核安保威脅與挑戰(zhàn)的實戰(zhàn)化水平，我國自2016年以來已先后舉行四次“風暴”系列核安保演練，有效提升了核設施應對核安保事件的實戰(zhàn)能力。

隨著計算機技術與高性能計算、人機交互技術與設備、計算機網(wǎng)絡與通信等科學領域的突破和高速發(fā)展，以及軍事演練、航空航天、復雜設備研制等重要應用領域的巨大需求，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，以下簡稱VR）技術發(fā)展迅猛[2]，在多個領域得到了廣泛應用，也為核安保演練提供了一種全新的實現(xiàn)方式。虛擬現(xiàn)實技術是指利用計算機生成特定虛擬世界的技術，運用該技術可對參與者直接施加視覺、聽覺或觸覺感受，并允許其交互地觀察和操作虛擬世界[3]。通過虛擬現(xiàn)實技術，核安保演練參演人員可對核設施進行全要素建模，在符合各項真實參數(shù)的設施模型中預設多種假想場景，包括在實戰(zhàn)演練中無法實現(xiàn)的高危險性場景，不受天氣、時間、場地等因素的限制，在短時間內(nèi)取得大量演練數(shù)據(jù)，既避免實戰(zhàn)演練中仿真器械、設施破拆產(chǎn)生的人力、物力、財力成本消耗，也取得了具有統(tǒng)計意義的高置信水平演練結果，可充分、高效地驗證演練預案的可行性與有效性，為科學、高效地進行實兵演練奠定堅實基礎。

1 虛擬現(xiàn)實技術的概念、應用與工具

1.1 虛擬現(xiàn)實技術的概念

虛擬現(xiàn)實技術以計算機為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視覺、聽覺、觸覺等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響[3]。

其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。1965年，計算機圖形學奠基人Ivan Sutherland博士[4]發(fā)表題為“The Ultimate Display”的論文，論文中提出，可以將顯示器作為觀察虛擬世界的窗口，并與虛擬世界進行中的對象進行交互，由此開創(chuàng)了研究虛擬現(xiàn)實的先河。由于技術原因，20世紀80年代以前，VR技術發(fā)展較為緩慢，直到80年代后期信息處理的飛速發(fā)展促進了VR技術的進步。20世紀90年代以來，VR技術開始成為獨立研究開發(fā)的領域。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術的應用

VR技術綜合了計算機圖形技術、傳感器技術、并行實時計算技術、圖像處理與模式識別、系統(tǒng)仿真、人工智能、云計算等多種學科的最新技術，是綜合性極強的信息科學技術，目前已在訓練演練、展示娛樂、規(guī)劃設計等多個科學技術領域具有廣泛應用。其中，訓練演練主要應用于多種危險環(huán)境（如核設施[5]、水下設施）、作業(yè)對象難以獲得（如醫(yī)療手術[6]、航天器維修），以及耗費巨大（如軍事演練）的行業(yè)領域的技術業(yè)務訓練和演練[7]。

核安保突發(fā)事件演練作為核工業(yè)與軍事訓練演練的交叉領域，對于VR技術具有較好的適用性。Jorge Carlos等人[8]運用VR技術搭建了虛擬的核設施，在其中模擬入侵者試圖盜竊核材料并逃跑，安裝虛擬攝像機監(jiān)測可疑行為，安裝虛擬輻射監(jiān)測器搜尋隱藏的核材料，以幫助響應人員練習與推演核安保突發(fā)事件準備措施與響應程序。Marcio Henrique da Silva等人[9]為保障核設施安全，高效、全面地評估設施地形、區(qū)域能見度、響應人員數(shù)量、輻射探測設備布置等核設施各項參數(shù)，運用VR技術建立真實設施的虛擬模型，作為輔助工具以確定安全策略。韓國核不擴散與控制研究院（KINAC）于2016年開發(fā)了VR-NET系統(tǒng)[10]（VR-based Nuclear Education and Training system），主要用于開展核工業(yè)高風險事件定制化培訓，包括核保障監(jiān)督、戰(zhàn)略材料控制、核法政學以及實物保護等領域，并于2017年將該系統(tǒng)試點應用于核安保突發(fā)事件演練，與傳統(tǒng)的教育或演練方式相比，基于VR-NET的方式可以獲得較高的滿意度。

1.3 虛擬現(xiàn)實技術工具Unity3D介紹

Unity3D是丹麥Unity Technologies公司研發(fā)的一款面向虛擬現(xiàn)實的應用引擎。該引擎與VT、Quest3D、GLUT等其他三維虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件相比，在跨平臺性能、畫面質(zhì)量、操作難度、兼容性、音響效果等具有明顯優(yōu)勢[11]，廣泛應用于創(chuàng)建實施渲染的三維動畫、三維游戲、可視化建筑等互動性較強的領域。

2 核安保事件響應桌面推演系統(tǒng)的設計

2.1 桌面推演系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

本系統(tǒng)用Unity3D引擎來實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，分別是虛擬場景編輯子系統(tǒng)、模型子系統(tǒng)、角色與骨骼子系統(tǒng)、用戶子系統(tǒng)、自適應用戶交互界面子系統(tǒng)、粒子特效子系統(tǒng)、二進制文件 IO 流子系統(tǒng)、環(huán)境音效子系統(tǒng)、時間控制子系統(tǒng)等。基于這9個子系統(tǒng)，本系統(tǒng)完成相對應的需求邏輯。

下面對這 9 個子系統(tǒng)進行簡要介紹。

2.1.1 虛擬場景編輯子系統(tǒng)

虛擬場景編輯子系統(tǒng)提供搭建桌面推演所需的虛擬沙盤，包括提供模型與角色可行走的地面識別、建筑樓層識別等模塊。虛擬沙盤來源包括現(xiàn)場1∶1虛擬建模、無人機航拍等方式創(chuàng)建。此外，仍需要創(chuàng)建通用地形數(shù)據(jù)包，包括樹木、障礙物、柵欄、掩體等模型。

2.1.2模型子系統(tǒng)

模型子系統(tǒng)提供桌面推演所需的各種模型，其主要包括人物、車輛、槍械、輔助標記等，如圖1所示。

2.1.3角色與骨骼子系統(tǒng)

角色與骨骼子系統(tǒng)主要是將角色模型與標準骨骼綁定，使人物模型均具有相同的基本結構，實現(xiàn)動畫重定向功能。該骨骼子系統(tǒng)中的節(jié)點控制，具有位移約束和旋轉(zhuǎn)約束等功能，可在動畫過程中做出相應的物理效果。

2.1.4用戶子系統(tǒng)

用戶子系統(tǒng)提供客戶端登錄的角色信息，管理根據(jù)不同的角色信息分配用戶可下載的虛擬沙盤、參與桌面推演的人物、車輛模型，實現(xiàn)對登錄用戶的權限控制與資源分配。

2.1.5自適應用戶交互界面子系統(tǒng)

自適應用戶交互界面子系統(tǒng)指客戶端在不同分辨率的顯示器、不同操作系統(tǒng)、不同客戶端版本都能動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)交互界面的功能。

用戶交互界面子系統(tǒng)提供登錄界面、運行界面、角色模型視角、攝像機界面、功能菜單項等五大部分。登錄界面提供不同角色登錄與獲取資源的界面。運行界面包括桌面推演的流程展示界面、角色和車輛模型、粒子、筆記與推演時間的聯(lián)動展示界面。角色模型視角提供當前角色或車輛的第一視角，用戶以此觀察周圍情況，亦可在場景中自由行走。攝像機視角提供一個虛擬攝像機的視角。功能菜單包括地形加載界面、場景文件保存界面、情景管理界面、時間軸操作界面。自適應用戶交互界面子系統(tǒng)如圖2所示。

2.1.6粒子特效子系統(tǒng)

粒子特效子系統(tǒng)主要提供爆炸、煙霧、槍械射擊等粒子效果，使桌面推演更富表現(xiàn)力，更真實。該子系統(tǒng)不僅提供全面的設置界面，與時間軸的聯(lián)動功能，同時還保障系統(tǒng)運行的效率。

2.1.7二進制文件IO流子系統(tǒng)

二進制文件 IO 流子系統(tǒng)為本系統(tǒng)提供安全、高效、穩(wěn)定的文件存儲、傳輸?shù)墓δ堋Ｔ诒就蒲菹到y(tǒng)中，提供用戶下載地形、保存場景文件、管理情景方案等功能。

2.1.8環(huán)境音效子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)中，為場景主視角添加AudioListener組件，激活聲音功能。AudioSouce組件可設置提供聲音或音效的來源、大小，傳播與衰減參數(shù)。在本推演系統(tǒng)，音效包括粒子爆炸音效、槍械射擊音效、角色移動音效、車輛行駛音效等。

2.1.9時間控制子系統(tǒng)

時間控制子系統(tǒng)提供真實時間來源，時間來自于管理員端，時間不受客戶端運行影響，使客戶端有良好的時間移動。在本推演系統(tǒng)中，在已經(jīng)綁定時間信息的角色與車輛移動、粒子播放控制、筆記顯示控制等情況下，接收來自客戶端的時間戳，以毫秒級運算本推演系統(tǒng)。同時，該子系統(tǒng)還提供時間軸播放快進快退、倍速播放等功能。時間控制子系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 桌面推演系統(tǒng)的功能模塊

桌面推演系統(tǒng)的功能模塊包括客戶端、場景編輯、測繪標注、方案分析、方案配置、方案推演、方案日志等。桌面推演系統(tǒng)的功能模塊分析如圖4、表1所示。

2.3 桌面推演系統(tǒng)的使用方式與預期效果

基于虛擬現(xiàn)實技術的核安保突發(fā)事件響應桌面推演系統(tǒng)，主要通過以下3種方式進行運用。

2.3.1 突發(fā)事件響應預案推演

根據(jù)核設施設計基準威脅，基于設施實際設備參數(shù)進行真實場景建模，針對各種事件場景，對已初步制定的核安保突發(fā)事件響應預案進行推演和驗證。通過取得大量具有統(tǒng)計意義的推演結果樣本，對不合理的響應流程、兵力與設備配置進行優(yōu)化，最終得到最佳響應預案。

2.3.2 突發(fā)事件演練培訓

對參與演練預案編寫、演練指揮，以及一線響應的各類人員進行培訓。通過使用本系統(tǒng)，將已優(yōu)化預案文本轉(zhuǎn)化為逼真的演練場景和可視化、可交互的數(shù)據(jù)參數(shù)，有助于各級參演人員明確核設施要害部位、熟悉響應任務與路徑，磨合部門聯(lián)動，強化了培訓效果，有效降低使用實兵進行推演所花費的時間、經(jīng)費及安全成本。

2.3.3 突發(fā)事件輔助作戰(zhàn)指揮

通過使用本系統(tǒng)，將核安保突發(fā)事件現(xiàn)場情況快速還原，有助于決策者獲得全局觀，對突發(fā)事件的整體動態(tài)具有清晰的感知，從而輔助決策者對兵力部署、應對策略、物資管控等方面做出正確決策。

3 核安保事件響應桌面推演系統(tǒng)的總體流程設計

本項目開發(fā)的目標主要是以任意地形或情節(jié)為基礎，展開紅藍方對抗的方案推演，以檢驗并完善對抗方案的可行性，對學員培訓、預案優(yōu)化起到重要作用，且對實兵對抗提供參考、輔助作用。

本項目的流程主要分為6個步驟：場景編輯、方案配置、方案推演、方案日志、測繪標注和方案分析。在方案推演的過程中，需要紅方、藍方、中立方指揮員，另外還包括作戰(zhàn)士兵、多種常見裝載工具以及常規(guī)障礙物。桌面推演系統(tǒng)功能實施流程如圖5所示，整個推演依據(jù)該流程進行。

下面分別描述這6個步驟。

3.1 場景編輯

該功能是編輯本次推演的場景，從現(xiàn)場1∶1虛擬建模、無人機航拍等方式創(chuàng)建地形，進而編輯實體可行走路面及建筑樓層識別，打包封裝成二進制流文件，供用戶訪問。涉及的技術點包括多樣化的建模方式、安全高效的文件流加載等。

3.2 方案配置

該功能由紅方、藍方、中立方指揮員設置并驗證對應的對抗方案，是指士兵、載具等實體的移動路徑、作戰(zhàn)信息、載具裝載信息、障礙物等多種元素組合而成的對抗方案。其中，實體移動的位點設置不同的作戰(zhàn)命令、實體行為動作樹等命令參數(shù)。涉及的技術點包括位點與位點之間的地形識別、實體行為動作樹的自然過渡、實體作戰(zhàn)策略等。

3.3 方案推演

紅方、藍方、中立方設置完對應的對抗方案后進入方案推演。該功能將場景中實體、載具、筆記、障礙物、粒子等執(zhí)行事件與時間綁定，指定時間推演指定行為，且按照一定速度播放，實現(xiàn)播放、暫停、快進、快退等功能。涉及的技術點包括不受客戶端性能影響的時間參數(shù)、多實體參與推演的性能保障等。

3.4 方案日志

在方案推演的過程中，需要設置推演筆記、位點備注、方案日志等多種方法輔助方案的推演工作，讓用戶更清晰直觀地了解當前方案推演的內(nèi)容。

3.5 測繪標注

該功能模塊提供一個可以設置參數(shù)的虛擬攝像機、兩點之間測量距離、實體視野、顯隱等眾多模塊，在方案推演或方案配置的過程中起輔助指導作用。涉及的技術點包括設置虛擬攝像機的光感元器件、焦距、水平、豎直視場角、安裝高度等模擬參數(shù)、測距或視野依據(jù)地形或建筑動態(tài)計算等。

3.6 方案分析

方案推演結束后進行方案分析。分析的內(nèi)容包括紅方、藍方對抗的推演結果，中立方在本次推演中起到的職責，針對本次推演中的槍械攻擊部分進行射擊有效性分析，針對紅方或藍方的薄弱項進行重點分析。生成場景推演報告，決策領導和專家進行評估處理，總結經(jīng)驗，對相關薄弱項進行優(yōu)化。

4 結語

伴隨著我國核能產(chǎn)業(yè)持續(xù)較快增長，截至2021年9月，我國核能發(fā)電總裝機容量已位列全球第三位，在運核電機組達52臺。同時，隨著核材料數(shù)量不斷增加，我國面臨的核安保風險將日益加大，有效防范和積極應對核安保事件的任務將愈加艱巨。近年來，網(wǎng)絡、無人機、衛(wèi)星通信、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等一批新興技術對核安保提了新的挑戰(zhàn)，也貢獻了新的解決方案。虛擬現(xiàn)實技術以其數(shù)字化、可視化、可交互等優(yōu)勢，適用于預案推演、演練培訓等多種應用場景，為構筑科學、高效的核安保演練與教學體系，不斷提升我國有效應對核安保事件的實戰(zhàn)化水平，保障核設施與核材料安全提供了強有力的技術支撐。

參考文獻

[1]楊志民，劉永德，鄧戈，等.中國核安保面臨的挑戰(zhàn)與機遇[J].中國核電，2019，12（5）：503-506.

[2]趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，39（1）：2-46.

[3]中國電力百科全書編輯委員會.中國電力百科全書·電工技術基礎卷[M].北京：中國電力出版社，2001：380-381.

[4]SUTHERLAND I E.The ultimate display[C].Proceeding of the International Federation of Information Processing（IFIP） Congress.New York，1965：506-508

[5]鄒博文.虛擬環(huán)境下核電站實物保護系統(tǒng)有效性分析技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018.

[6]范麗亞，馬介淵，張克發(fā)，等.VR/AR技術在人體解剖教學及手術培訓中的應用[J].科技導報，2020，38（22）：31-40.

[7]馬建明.虛擬現(xiàn)實技術在核電廠事故應急中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（7）：168-169.

[8]JORGE CARLOS，MOL Ant?nio，COUTO PEDRO，et al.Virtual Simulation for Training Personnel in Emergency and Security Preparedness and Counteraction[C].13rd Symposium on Operational Applications in Defence Areas， Sao Jose Dos Campos，2011.

[9]Márcio Henrique da Silva， André Cotelli do Espírito Santo， Eugênio Rangel Marins， et al.Using virtual reality to support the physical security of nuclear facilities[J].Progress in Nuclear Energy，2015，78：19-24，

[10]DONG-HYUN KIM， SANG-SOON KIM.Development of Nuclear Security Training Program Based on Motion Tracking VR n Technology[C].Transactions of the Korean Nuclear Society Virtual Spring Meeting，2020.

[11] 湯海群.基于Unity3D的電動汽車虛擬協(xié)同與增強現(xiàn)實培訓系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].南昌：華東交通大學，2020.