虛擬仿真在核與輻射應急監測教學中的應用實踐

摘" 要：針對核與輻射應急監測存在的輻射環境風險大、監測儀器成本高及綜合訓練實施難等問題，為此基于虛擬現實技術開發了一套核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統。該系統按照核與輻射監測儀器模擬操作與訓練、核與輻射應急監測技能模擬訓練和核與輻射應急監測綜合模擬訓練三個層次開展學習與訓練。將傳統理論教學內容、實驗儀器實操演示融合到虛擬仿真教學場地中，制定了理論融入、虛實結合的教學訓練規程與方案，實現了傳統理論學習、實驗儀器操作與虛擬仿真訓練相結合的三位一體的實戰化教學模式。

關鍵詞：核與輻射；輻射監測；虛擬仿真；實踐教學

中圖分類號：TP391.9；G434" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）09-0194-05

Application Practice of Virtual Simulation in Teaching of Nuclear and Radiation Emergency Monitoring

DUAN Zhongshan， LU Haoyuan， QIN Bing， ZENG Chenhao， LIN Yuanye， FENG Xiaojie

（Department of Military Facilities， Army Service College， Chongqing" 400000， China）

Abstract： For the problems of nuclear and radiation emergency monitoring， such as high radiation environmental risk， high cost of monitoring instruments and difficult implementation of comprehensive training， a virtual simulation training system for nuclear and radiation emergency monitoring has been developed based on Virtual Reality technology. The system carries out learning and training according to three levels： nuclear and radiation monitoring instrument simulation operation and training， nuclear and radiation emergency monitoring skills simulation training， and nuclear and radiation emergency monitoring comprehensive simulation training. It can integrate the traditional theoretical teaching content， experimental instrumentation demonstration into the virtual simulation teaching site， develops the teaching and training protocols and programs that integrate theory and Virtual Reality， and realizes the trinity of traditional theoretical learning， experimental instrument operation and virtual simulation training in a combat-oriented teaching mode.

Keywords： nuclear and radiation; radiation monitoring; virtual simulation; practical teaching

0" 引" 言

近些年，國家和軍隊核與輻射污染應急監測、處理與處置的儀器裝備發展迅速，其數量與質量都有顯著提升，但是專業技術隊伍的教育與培訓方面卻明顯滯后[1]。主要表現在：1）由于核與輻射應急監測場地的危害性，大多數核與輻射應急監測教學是基于理論學習或者儀器演示，監測場景和儀器讀數的缺失使得教學訓練效果大大缺失[2]。2）核與輻射監測與處置儀器價格昂貴，教學與訓練過程中很難保證足夠的儀器用于演示或者操作[3]。3）核與輻射測量儀器精密程度高，學習和訓練過程對儀器的損傷往往較大，高昂的維護成本導致難以滿足新學員多次反復練習。4）復雜條件下核與輻射應急監測處置訓練往往涉及多員多裝備協同配合，現實條件下的多人協同演練無法開展。開展虛擬訓練是解決上述問題的一個有效途徑[4]，為此建立一套核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統，并用于教學實踐非常重要。

1" 核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統的建立

核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統整體構架如圖1所示，詳細內容及流程參見IAEA-TECDOC-1092報告Procedure A0與A1，按模塊可分為核與輻射監測儀器模擬操作與訓練、核與輻射應急監測技能模擬訓練和核與輻射應急監測綜合模擬訓練三個部分。核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統用戶操作界面包括桌面操作和VR操作兩種模式，桌面操作模式具備完整的操作功能，為訓練者提供儀器操作、模擬培訓、綜合演練等功能，VR操作側重于浸入式的模擬體驗。系統組件層具有特定功能且邏輯獨立的代碼塊或類庫，被進一步封裝成可復用的模塊，對外提供可調用的應用程序接口，數據訪問層可提供網絡通信設施和數據訪問接口。為滿足功能要求系統建立了各類核輻射應急監測設備模型、三維虛擬場景、人物模型、車輛模型等，這些模型在3DMAX創建后導入UE4引擎，用于實現各類操作功能。

1.1" 核與輻射監測儀器模擬操作與訓練

本單元通過對儀器設備的外觀建模、部件建模以及基本功能建模實現了主流核與輻射污染防治儀器和設備的數值化虛擬，用于解決測量儀器主要功能、結構、原理與操作方式等的學習實踐，重點在于“學”；虛擬儀器包括低量程γ劑量率儀、中量程γ劑量率儀、高量程γ劑量率儀、可伸縮探頭γ劑量率儀、中子劑量率儀、α/β表面污染監測儀、NaI探頭污染監測儀、就地γ能譜儀、電子直讀式個人劑量計、總α/β測量儀、液體閃爍計數（LSC）系統、實驗室γ能譜儀等。部分虛擬儀器如圖2所示，虛擬儀器與真實儀器外觀、結構、操作、物理讀數等高度一致。

1.2" 核與輻射應急監測技能模擬訓練

本單元基于核與輻射數學物理模型虛擬了核與輻射污染防治專項訓練場景，側重于多儀器在特定場景中的綜合實踐操作[5]，重點在于“練”。核輻射場景包括放射源庫、放射化學實驗室、放射源丟失事故現場、核輻射污染場地等，場景中輻射分布數據按照輻射強度隨源距離和空間的數學模型來實現，虛擬場景數據與真實場景數據一致性較好，部分場景展示如圖3所示。模擬訓練內容主要包括煙羽測量虛擬訓練、地面沉積調查、環境累積劑量測定、放射源監測、表面污染調查、個人監測、空氣采樣與就地量測、土壤、水及植物樣品的采集、空氣樣品的總α/β測量、水樣的總α/β測量、就地γ能譜測量、實驗室γ能譜測量、氚的分析、鍶的分析等。專項訓練輻射場景下環境數據真實，虛擬訓練儀器、場地高度逼真。

1.3" 核與輻射應急監測綜合模擬訓練

該部分為多人多儀器核與輻射污染防治綜合演練場景虛擬，側重于多人多儀器綜合演練，重點在于“訓”，部分虛擬場景如圖4所示。目前虛擬仿真系統核與輻射應急監測綜合演訓模塊融入了商業中心丟失放射源場景、涉核航空器墜落應急場景、臟彈襲擊事件場景、核電廠事故應急場景、核技術醫療應用監測等場景。大型事故場景下要素齊全、數據真實、邊界寬闊，能夠實現多人多儀器復雜事件下演習演練。

2" 核與輻射應急監測虛擬仿真訓練實踐過程

《核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統》實踐過程中可解決傳統訓練中復雜戰場環境難構建、危險環境難訓練等問題，開展虛擬仿真訓練可以突出以學員為中心的教學理念，進階式、任務型的實踐方式讓學員成為“教、練、訓”的主體[6-8]。核與輻射應急監測虛擬仿真訓練教室前端布置教員控制席1個，網絡服務器1臺，投影設備1套，音響系統1套及教學桌椅1套。教室右側布置12個學員操作席；每個學員操作席配置虛擬訓練軟件系統1套，圖形工作站1臺及教學桌椅1套。虛擬現實操作訓練區配置專用虛擬訓練器材、數字頭盔、操控手柄、定位器、數據手套、追蹤器等VR交互設備多套。

2.1" 實行核與輻射監測儀器“理、虛、實”三位一體化教學

針對核與輻射監測儀器虛擬操作與訓練，將傳統理論教學內容、實驗儀器實操演示融合到虛擬仿真教學場地中，制定了理論融入、虛實結合的教學訓練規程與方案，實現了傳統理論學習、實驗儀器操作與虛擬仿真訓練相結合的三位一體的實戰化教學模式。以高量程γ劑量率儀的虛擬操作與訓練為例，如圖5所示。1）訓練場景：在15 m×15 m×6 m的房間中心、離地面1.5 m高處，布置放射源1枚，房間內的劑量場分布通過點核法或蒙特卡洛法確定，并考慮環境本底、隨機特性的影響。2）儀器虛擬：參照實體儀器，實現開機、參數設置、測量、關機等主要操作的虛擬；在正常量測范圍內，虛擬儀器按照與實體儀器相同的頻率更新示值、自動切換單位等；超出量測范圍時，與實體儀器呈現類似響應。3）流程設計：首先簡要介紹儀器的測量原理、功能結構等；然后打開儀器開展測量，可在房間內任意變換位置測量，可變換虛擬儀器參數設置；內置10枚可自由選取放射源用于測量，初步考慮包括I - V類Co-60放射源各1枚、I - V類Cs-137放射源各1枚；最后關閉儀器，填寫試驗報告，離開該子模塊。

2.2" 特定場景下多儀器融合的核與輻射應急監測專項技能訓練

針對核與輻射應急監測技能模擬訓練，基于輻射場數學模型建立了多個復雜特定場景，設置了多儀器融合的核與輻射應急監測專項任務。如圖6所示，以放射性煙羽測量的虛擬訓練為例，1）任務目的：按照應急監測組長的指示，前往指定派遣點進行煙羽測量。2）涉及儀器：低量程γ劑量率儀、中量程γ劑量率儀、高量程γ劑量率儀、可伸縮探頭γ劑量率儀、中子劑量率儀、表面污染監測儀、直讀式個人劑量計、TLD個人劑量片、必要的個人防護用品及附加用品，詳見IAEA-TECDOC-1092報告Checklist A0與A1。

3）流程組織：出發前完成儀器的質量控制檢查、出發前的準備；中操作人員乘車前往派遣點，在車上開展劑量率監測，并隨時注意個人劑量變化；污染特征通過特定函數計算，并考慮環境本底、隨機特性的影響；操作人員到達派遣點，選擇合適位置開展煙羽監測，并隨時注意個人劑量變化；污染特征通過特定函數計算，并考慮環境本底、隨機特性的影響；務結束自動執行任務結束后的污染檢查，提交監測報告。

2.3" 實施融入實戰化場景模式的綜合演習演練

目前虛擬仿真系統中融入了商業中心丟失放射源、涉核航空器墜落、臟彈襲擊事件、核電廠事故、核技術醫療應用監測等場景。以涉核航空器墜落應急監測為例，如圖7所示。1）情景概述：某涉核航空器墜落，航空器核材料爆炸燃燒，并產生了大量煙霧碎片。經航測小組的初步甄別，現場火災已熄滅，但有相當數量放射性碎片散落在事發地。2）污染特征的虛擬：主要是涉及γ劑量率與表面污染的虛擬：γ劑量場分布通過點核法或蒙特卡洛法確定，并考慮實體屏蔽、環境本底、隨機特性的影響；表面污染按一定概率模型隨機生成，并考慮環境本底、時間隨機特性的影響。3）涉及的監測項目：放射源監測、就地γ能譜分析、環境累積劑量測定、表面污染調查、個人監測、各類樣品采集等。4）流程組織：出發前應急指揮通知應急監測小組出發，并告知事故現場位置、場地設施等基本情況；接到通知后，分析事故基本情況，準備相應監測程序（儀器裝備、工作表格等）；事故現場場景I：監測人員穿戴防護用品，對事故現場進行必要的拍照，利用γ劑量率儀進行事故現場γ劑量率監測及就地γ能譜儀進行核素分析，搜尋放射性碎片，并劃定γ劑量率為100 μSv/h內為安全控制區，在周邊一定區域，布設環境累積劑量計（TLD），并采集空氣、水及土壤樣品；事故現場場景II：監測人員對現場劑量率進行連續監測，確保放射性碎片全部已回收，監測人員利用表面污染監測儀，對去污后的表面進行表面污染監測；任務結束監測小組撤回，回收監測人員個人劑量計，執行任務結束后的污染檢查。

2.4" 構建多維度實踐考核評價體系

這種基于虛擬仿真系統的進階式實踐性教學考核方式與傳統考核方式存在明顯區別，傳統的理論課考核評價以考試成績為核心，而實踐性教學應注重對學生綜合應用知識能力的考核和過程性考核[9，10]。該系統第一和第二部分直接分為學習模式、演練模式和考核模式。在學習模式下，所有的訓練課程內容按順序被劃分為不同的步驟，訓練者可以通過點擊每個步驟完成相應的課程學習，學習完成后，該步驟的單選框控件將自動打勾。當所有的步驟學習完后，課程結束。在演練模式下，提供用戶自主操作功能，由用戶主導完成相應的訓練任務。在考核模式下，將根據課程考核內容，設置考核點，系統將根據用戶操作進行評分，最終生成操作評分及考核結果。為加強實踐教學和完善評價模式，系統基本可形成“儀器學習系統評、專業項目老師評、綜合演訓大家評”的多維度實踐考核評價體系。

3" 結" 論

核與輻射應急監測虛擬仿真訓練系統解決了傳統核與輻射污染防治訓練中復雜戰場環境難構建、危險環境難訓練等問題。以虛擬化手段構建了基于數學物理模型的核與輻射污染環境與監測場景，再現完整的核與輻射監測儀器及其操作步驟，融入沉浸式人機交互操作，達到與真實監測儀器與場景一致的學習訓練體驗。學習過程中同時集成核與輻射監測理論學習、實驗操作、虛擬訓練等環節，實現了“理、虛、實”有機結合，加深了學生對核與輻射應急監測理解，增強了學生監測技能與實戰水平，對核與輻射污染防治教學訓練具有重要意義。

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作者簡介：段中山（1987.04—），男，漢族，湖南益陽人，講師，博士，研究方向：核科學與技術。