基于MR的水電站專項應急預案演練平臺

郭興遠 薛艷敏 閆雯 程博文

收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.001

摘? 要：為解決水電站特種環境應急演練中存在的事故情景難以模擬、不安全、組織成本高等問題，構建一種基于混合現實（Mixed Reality， MR）技術進行險情可視化的應急演練仿真平臺。針對電站地下廠房發電機組著火事故，采用Unity3D引擎結合情景構建與向導設計方法進行MR仿真平臺的設計開發。測試結果表明，所設計的平臺可實現在現實場景下進行虛擬操作的應急演練，平臺模塊設置得科學合理。該平臺不僅拓寬了應急演練實訓模式的邊界，還可為水電站特種環境下應急演練提供新的參考依據。

關鍵詞：混合現實；專項應急預案；模擬演練；Unity3D

中圖分類號：TP391.9；TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）01-0001-06

MR-based Special Emergency Plan Exercise Platform for Hydropower Stations

GUO Xingyuan1， XUE Yanmin1， YAN Wen1， CHENG Bowen2

（1.School of Art and Design， Xi'an University of Technology， Xi'an? 710054， China; 2.Xi'an Key Laboratory of Clean Energy Digital Technology， Northwest Survey and Design Institute of Power China， Xi'an? 710065， China）

Abstract： To solve the problems such as have difficult in simulating accident scenarios， unsafe， and high organizational costs in special environmental emergency drills for hydropower stations， a simulation platform for emergency drills based on Mixed Reality （MR） technology for danger visualization is constructed. In response to the fire accident of the generator unit in the underground powerhouse of the power station， the Unity3D engine combined with scenario construction and guided design methods are used to design and develop the MR simulation platform. The test results indicate that the designed platform can perform virtual emergency drills in real scenarios， and the platform modules are set up scientifically and reasonably. This platform not only broadens the boundaries of emergency drill training modes， but also provides new reference basis for emergency drills in special environments of hydropower stations.

Keywords： Mixed Reality; Special Emergency Plan; simulation drill; Unity3D

0? 引? 言

隨著抽水蓄能電站規模的擴大，其安全生產問題也逐漸增多。應急管理是企業預防生產事故的重要手段[1，2]，為避免水電站事故帶來的經濟損失，生產經營單位每年都會對應急預案進行修訂，按月和季度組織應急演練，在實戰中不斷提高應急救援水平，從而有效減輕事故危害。在企業應急管理中，按照演練形式將應急演練劃分為桌面演練與實戰演練[3]。實戰演練能夠真實展現設定的生產安全事故情景，完成應急響應的全過程。然而，實戰演練往往因其可能嚴重影響正常的生產經營活動而造成演出事故，在實際生產裝置區一般不采用。為此，對不適宜實戰演練的場景和設備進行模擬演練刻不容緩。

近年來，基于虛擬現實（Virtual Reality， VR）技術的應急演練，因其具有成本低、沉浸感好、不受空間限制以及可重復使用等優點而得到廣泛的關注。如何將VR技術成功用于應急管理之中，相關領域的專家學者做了諸多研究。朱新平等[4]針對機場實地消防應急演練中人力物資消耗多、演練組織協調難，以及桌面演練中情景感不強等缺陷，提出基于Unity3D搭建機場消防應急救援虛擬演練平臺。于輝等[5]針對如何解決電站運行事故演練中存在的低效高成本、受設備時空限制等問題，提出一種基于Unity3D的抽水蓄能電站事故應急處理仿真系統。潘衛軍等[6]提出一種基于VR技術的機場應急救援虛擬演練平臺，針對因實景模型數據量大而影響平臺運行效率的問題進行了模型輕量化處理，采取分細節度的場景構建方法。王健等[7]對VR技術在應急演練中的應用進行了探討，介紹4種引入VR技術的演練場景及其作用，同時分析了應急演練中應用VR技術的優缺點。

上述研究大多引入了VR技術進行應急演練仿真平臺的開發，但在運用VR設備進行應急演練時，因其是在完全封閉的虛擬環境下進行的，與現實情景中災害事故的實戰演練還存在一定的差距。在開發過程中，不僅需要構建大量模型來還原事故現場，還會在使用設備過程中因本體感覺與視覺系統不同步而產生眩暈感，因視距差造成大腦認知負擔而引起視覺疲勞等問題。MR技術恰好可以解決上述問題，它是虛擬現實技術的升級，包括增強現實和增強虛擬，是指合并現實和虛擬世界而產生新的可視化環境。在新的可視化環境里物理和數字對象共存，實時互動。MR技術能夠很好地解決情景構建在應急演練中實戰化不足的問題[8-10]，但目前MR技術應用于水電站應急演練的相關研究較少，缺乏指導MR仿真平臺設計的資料。

為此，本文對基于MR的水電站專項應急預案演練平臺的構建進行研究，在梳理電站發電機組專項事故處置措施和相關應急演練知識的基礎上，采用Unity3D引擎構建基于MR的水電站專項應急預案演練仿真平臺，并在平臺構建過程中結合向導設計方法與情景構建理論增強仿真平臺的合理性和易用性，從而有效解決應急演練實戰化問題。

1? MR仿真平臺的特征

抽水蓄能電站地下廠房發電機組匝間短路是水電站典型的火災類專項應急預案事件，在應急演練中具有難以模擬與機組設備不便啟停等特點。MR仿真平臺因具有虛實融合的特征，將仿真模擬水電站地下廠房特種環境下發電機組匝間短路火災的事故現場，通過虛擬界面的人機交互操作，使應急人員得到系統的培訓和指導，可模擬現實環境條件下無法實現的實戰演練，從而有效提升電站運維人員的應急救援水平和能力。水電站發電機組著火事故專項應急預案MR仿真平臺具有以下特點：

1）真實性。真實模擬需要培訓演練事故地點（危險源）的安全隱患，對真實事件進行仿真復刻演練。

2）便捷性。運維人員僅需佩戴單一設備即可進行事故演練。

3）實時性。在整個仿真模擬過程中，運維人員通過虛擬界面人機交互的各種指令得到實時響應。

4）安全性。模擬事故可保證演練過程中人員不會受到傷害。

5）針對性。針對具體情景進行災情事故的構建模擬。

2? MR仿真平臺的構建方法

混合現實應急預案模擬演練依托Unity3D仿真平臺，對假想事故情景及響應行動等事項進行總體設計。情景構建是仿真平臺的核心部分，在情景設計中[11]，按照應急預案的實施方法，將假想事故的發生過程設計成客觀真實的情景事件，融合到現實場景進行仿真模擬，對救援行動的危險因素及注意事項進行分解，便于運維人員對應急行動的理解學習。

MR仿真平臺的研發過程遵循游戲開發的一般流程，包括策劃、設計、程序：

1）策劃部分。依據企業開展應急演練過程的準備、實施和總結三個階段，結合情景構建理論策劃仿真平臺的具體內容，設計平臺的四大應用模塊。

2）設計部分。依據向導式設計方法對平臺交互界面流程進行設計，設計平臺的虛擬操作界面。

3）程序部分。利用可視化編程插件PlayMaker進行平臺的程序實現。通過將代碼封裝成組件，以調用組件的形式實現代碼功能，調節組件的參數，實現平臺功能。根據電站發電機組著火事故專項應急預案的具體流程進行實戰演練仿真設計。以抽水蓄能電站地下廠房集電環室匝間短路引起的機組著火事故應急救援為例，進行事故場景實戰演練仿真平臺的設計開發。

2.1? 平臺架構設計

仿真平臺研發流程包含設計和開發兩個環節，其中信息架構圖是從交互設計視角進行仿真平臺的需求分析后將演練方案具象到原型設計中。信息架構圖表達程序的邏輯流程、信息之間的相互關系以及運維人員在平臺中的使用路徑，用于仿真平臺的交互設計，指導研發階段的設計思路，助力應急人員更好地達到模擬演練的目的。平臺信息架構圖如圖1所示。

其中功能架構圖是以開發視角構建的邏輯開發產品流程圖，將收集到的需求以模塊的形式展示，表達平臺所包含的功能及其相互關系。二者共同構成了仿真平臺的產品架構。平臺功能架構圖如圖2所示。

2.2? 平臺模塊設計

仿真平臺四大模塊依據應急預案的應急行動而設計，對應急行動的程序和要求進行細致分析，結合情景構建與模塊化設計思維，采用自頂向下的方法將救援行動劃分為基礎知識、應急處置措施、數據日志和考核評估四個模塊，構成仿真平臺的基本程序和框架，如圖3所示。

2.2.1? 基礎知識

基礎知識模塊是對發電機組匝間短路著火事故進行知識要素分解，將仿真演練要素的內容進行分類管理，根據場景類別管理展示。根據仿真演練要點內容進行預覽學習以及水電站建筑、消防設備布置及設施、應急救援撤離路線的學習。采用靈活多樣的三維模型虛擬展示方法進行事故場景救援的學習，夯實和提高參演人員的基礎知識及應急意識，如圖4所示。

2.2.2? 應急處置措施

應急處置措施模塊的主要功能包括對發電機組啟停、消防設施啟停、緊急撤離等應急救援過程的模擬演練，使參演人員在具體的情景演練過程中，通過虛擬場景中的任務提示與步驟信息，引導運維人員快速熟悉預案，明確自身在事件中的工作流程，輔助演練人員完成應急處置流程的訓練，從而有效鍛煉演練人員的心理素質與實操能力，如圖5所示。

2.2.3? 數據日志

數據日志模塊主要功能是對整個演練過程的視頻數據進行回放，方便演練人員與評估人員的查詢和觀看。在佩戴全息眼鏡進行仿真演練過程中，仿真平臺通過調用設備的前置攝像頭，實時記錄演練人員第一視角的全息畫面，待演練結束后生成本次應急演練全過程流程數據，為訓練總結、處置預案生成等提供數據支持，如圖6所示。

2.2.4? 考核評估

考核評估模塊主要功能是檢驗參演人員對事故應急處理流程的掌握程度，全面評價應急演練的效果。在演練結束后通過回放演練全過程的流程數據，結合預案考核要點進行綜合評估。現場處置效率和效果是應急救援能力的重要表征[12]，通過將現場實操中演練人員的所有行為動作及完成時間等相關信息與正確操作方法進行比對分析，針對演練人員的實操情況給出一個客觀且科學的綜合分析評價，最終得出考核結論和改進建議，如圖7所示。

以上四個模塊共同構成了應急演練仿真平臺，模擬實戰演練是該仿真平臺的主要功能，包括基礎知識、應急響應、日志數據與考核評估，這些功能的實現依賴于全息眼鏡設備的數據可視化、數據采集和人機交互，為用戶提供完整的實戰模擬演練過程。

2.3? 平臺實施流程

經過前期的調研和分析，確定專項應急預案的具體救援流程，依據專項應急預案演練特點進行分析，本文選擇向導設計方法進行應急演練仿真平臺的設計。向導設計常被用于流程設計，用來指導用戶循序漸進地完成某一任務，是一種著眼于幫助人們處理復雜任務或不常見任務的交互策略。本文基于向導設計理論將救援任務分解成更細小的步驟，用于簡化應急演練中的流程任務，將應急演練流程這種一系列復雜的條件轉化為可理解的步驟。具體流程如下：

1）梳理某抽水蓄能電站地下廠房發電機組著火事故專項應急預案演練的救援流程，生成應急演練操作規程，如圖8所示。

2）提煉事故救援場景的主要環境信息并進行預案演練的情景構建，利用相機與Reality Capture軟件通過對現實場景的圖像采集與掃描生成應急演練所需的三維模型，與Model Target Generator、Vuforia相結合，通過三維模型進行場景物體識別并融合到現實環境進行災害情景模擬，實現與現實可能發生事故的場景進行關聯。根據事故情景構建需求，設定場景特效，對應急演練中尋路導航、場景火警提示、禁止通行、開啟關閉消防設施，手動啟停設備等操作進行動畫制作。

3）利用Unity3D引擎開發應急演練仿真平臺。首先，配置PC端與Unity3D的開發環境，使用開源的跨平臺開發工具包MRTK（Mixed Reality Toolkit）來加速開發。將已制作的貼圖、模型、動畫導入Unity3D資產并設置場景。然后，依據應急演練的操作規程與任務需求，分場景進行四個功能模塊的制作，設置虛擬場景效果。例如在感溫感煙火災報警系統發出動作后，應急人員趕往現場時有紅色燈光閃爍的警示效果與尋路導航標識，趕到現場后發現集電環室有著火冒煙勢頭，還有撤離的路標導航，以及火災時禁止乘坐電梯的標識、手動啟停機組消防系統的操作動效。最后，向虛擬情景中添加特效與用戶界面（User Interface， UI）交互設計的制作，使用UI元素和按鈕界面與全息影像交互，進行操作流程的模擬，并利用PlayMaker實現程序原型交互與平臺周期管理。

4）借助Microsoft的HoloLens2全息眼鏡設備實現仿真平臺的人機交互操作。配置Unity3D以進行全息遠程處理，將已開發的仿真平臺應用程序結合HoloLens2全息遠端呈現工具進行開發的測試迭代，通過Visual Studio進行仿真平臺的調試、測試和部署。在確保所設計工作無誤后，使用Visual Studio生成應用程序并將其部署至HoloLens2全息眼鏡設備，即可使用仿真平臺進行應急演練實戰模擬，如圖9所示。

3? MR仿真平臺的實現及效果

3.1? 平臺開發環境

平臺開發環境分為硬件與軟件兩個部分，選用較高的配置作為仿真系統開發的硬件環境，可以最大程度避免軟件開發過程中出現的卡頓、程序閃退、死機等情況，從而加速平臺的開發進程；軟件上選用了較新且穩定的版本作為平臺的開發環境，將以下組件作為特定功能的開發配置，使用Unity3D快速實現程序的設計并部署到HoloLens2混合現實設備進行系統程序的應用。硬件配置如表1所示，軟件配置如表2所示。

3.2? 用戶界面設計與交互實現

平臺的UI負責提示任務及步驟信息，引導參演人員完成訓練。依據仿真平臺的功能需求，將用戶界面分為虛擬操作界面和虛擬場景界面。虛擬操作界面包括功能模塊選擇界面、任務流程界面與交互按鈕界面；虛擬場景界面包括流程指引動畫、路線導航標識、禁止通行標識等。平臺的UI都是采用Photoshop進行各模塊的紋理貼圖，利用Unity3D內置的UGUI技術實現層次化的UI設計。平臺的UI設計實現了應急處置操作流程交互界面的相應功能及其顯示，保證平臺具有良好的交互性與實用性。平臺周期管理是針對平臺的UI按鈕觸發、下一步、返回等狀態進行管理，使用PlayMaker對仿真平臺項目周期進行統一管理，實現UI人機交互程序控制與動畫效果的呈現，如圖10所示。

3.3? 模型設計與三維識別

平臺內使用的三維模型包括抽水蓄能電站地下廠房模型與發電機組消防設備模型，二者因大小不同，采取不同的建模方法。其中電站廠房模型較大不便于圖像采集，采用3ds Max精細化建模及優化處理進行三維效果的呈現，如圖11所示。發電機組消防設備模型較小適合圖像采集建模，采用相機進行現場圖像掃描建模，將采集到的照片導入傾斜三維建模軟件Reality Capture進行掃描，等比例生成的現實場景模型用于實操演練。其優勢是可對復雜的機組消防設備模型進行重構，實現自動化批量重建，免去煩瑣的手工建模操作，也因其復刻還原度提高了三維識別的準確性。三維識別是實現混合現實虛實融合的重要手段，將Reality Capture生成的模型導入Model Target Generator轉換為適用的模型數據格式，上傳至Vuforia平臺中的引擎數據庫，Vuforia可以使用該數據庫對模型目標進行追蹤，實現CAD目標物體識別，為混合現實提供真實場景還原。

3.4? 事故情景特效與動畫實現

為了模擬事故現場的災害情景，需要在真實環境中添加虛擬動態效果來呈現災害情景。虛擬動態效果如集電環室著火冒煙、場景警報閃紅提示、警戒圍欄、疏散撤離路線導航、消防設備的操作流程演示動畫等，其中煙霧效果通過Unity粒子系統進行設計實現，通過為物體對象添加Particle System組件，調節其參數設置。警戒圍欄禁止通行警示效果，利用Photoshop制作貼圖導入Unity3D實現；導航標識提示與交互動畫制作，使用Unity3D內置動畫系統實現，如圖12所示。

4? 結? 論

本文根據企業實際需求，以水電站發電機組著火事故專項應急預案MR仿真平臺的構建為例，綜合考慮水電站運行特點及特種環境下應急演練的真實情況，對平臺構建的內容與方法進行分析，形成如下結論：

1）依據電站發電機組著火事故專項應急預案處置流程，結合情景構建與向導設計方法，開發設計MR仿真平臺的相應功能與虛擬界面操作流程，分為四個模塊對仿真平臺的組成進行設計，并著重分析平臺的實施流程與實現方式。通過仿真平臺模擬發電機組著火事故專項預案的實施流程，將虛擬事故情景融合到現實場景進行模擬演練，再現事故場地的安全隱患，并借助微軟的全息眼鏡設備，實現在現實場景下進行虛擬演練的交互操作，彌補事故情景構建在應急演練中的不足。

2）通過對平臺的模擬測試，驗證了平臺事故處置程序的科學合理性。平臺所提供的功能可進一步提升運維人員對危險的認識，使得應急演練培訓更加到位，有效提升預案演練的效果，提高運維人員的實訓效率。

該平臺是對特種環境下不便進行實戰演練的一種有利補充，一定程度上彌補了水電站實戰演練現有研究的不足，同時還為MR專項應急演練仿真平臺的設計開發提供了必要的參考依據?？紤]到仿真平臺對實戰演練結果的影響，雖然可為其他專項應急演練MR仿真平臺方案的制訂提供理論支撐，但是開發過程中沒有充分考慮實操時的用戶體驗，對應急演練產生一定的影響，還需對影響用戶體驗的虛擬界面效果等進行進一步的研究。

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作者簡介：郭興遠（1992—），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生在讀，研究方向：三維可視化。