李珂嫻，王海軍，陳 偉，羅 群，何 穎

近年來，我國核能源事業(yè)發(fā)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(shè)施，如核燃料生產(chǎn)廠、核反應(yīng)堆、核電廠、核動力艦船等發(fā)生的意外事件，可能造成現(xiàn)場人員受到放射損傷和放射性污染。嚴(yán)重時，放射性物質(zhì)泄漏并污染周圍環(huán)境，對公眾健康造成危害。及時有效的組織現(xiàn)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(xiàn)場難模擬，醫(yī)學(xué)救援訓(xùn)練組織實施困難。近年來，基于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)方興未艾，為現(xiàn)場環(huán)境無法還原、實戰(zhàn)化訓(xùn)練難以實施的各種演練情況，提供了新的訓(xùn)練評估手段[1-8]。

1 需求分析

核事故情況下，傷員傷情復(fù)雜，救援流程復(fù)雜，技術(shù)要求高，過量的內(nèi)外照射對人體危害嚴(yán)重[9-12]。因此，相關(guān)人員只有在平時進行充分有效的訓(xùn)練準(zhǔn)備，才能在核事故時迅速、高效、圓滿的完成醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援任務(wù)，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(yī)學(xué)應(yīng)急救援訓(xùn)練存在一些不足：一是核事故現(xiàn)場環(huán)境難模擬，二是訓(xùn)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(xiàn)場醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體架構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用于不同核事故等級下的醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援流程訓(xùn)練，通過建模仿真、虛擬現(xiàn)實、預(yù)案要素定制等技術(shù)手段推演預(yù)案情景，演練應(yīng)急過程，進行救援訓(xùn)練和效果評估，以提高各級醫(yī)學(xué)應(yīng)急人員的應(yīng)急響應(yīng)與處置能力。醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練可分為三個階段：訓(xùn)練準(zhǔn)備階段、訓(xùn)練實施階段和訓(xùn)練評估階段，具體如圖1所示。

圖1 功能組成

圖 3 基礎(chǔ)設(shè)置

2.2 使用人員系統(tǒng)可模擬兩種情況下的核應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援，第一種情況是：核設(shè)施發(fā)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(jiān)測核設(shè)施劑量，搶修人員進入故障場所進行搶修，受到照射出現(xiàn)傷員。第二種情況是核設(shè)施發(fā)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(shè)施故障，引起起火、爆炸等情況，出現(xiàn)燒燙傷、炸傷、放射性損傷以及復(fù)合傷等傷員。系統(tǒng)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(shù)人員、核與輻射監(jiān)測工程技術(shù)人員、核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生等。系統(tǒng)可參與訓(xùn)練的人員角色包括導(dǎo)調(diào)員1名、指揮員1名、醫(yī)護人員1～2名、兼職衛(wèi)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(xùn)練。

2.3 使用模式系統(tǒng)訓(xùn)練客戶端提供三種使用模式：學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式和考核模式。

2.4 開發(fā)工具Unity3d游戲引擎目前以智能化界面設(shè)計、可視化編程、高效腳本編輯、跨平臺性等優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用于虛擬實現(xiàn)項目開發(fā)，是VR、AR最主流的開發(fā)引擎。Visual Studio編程工具在腳本編輯方面有著顯著優(yōu)勢，比如便捷直觀的代碼編寫環(huán)境、跨平臺、可擴展插件豐富、運行速度快等，因此，本系統(tǒng)開發(fā)采用Visual Studio進行代碼編程。系統(tǒng)考慮處理速度、安全性等需求，故使用Oracle進行數(shù)據(jù)庫開發(fā)。

2.5 流程設(shè)計核事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對核事故醫(yī)學(xué)救援典型過程，如核事故應(yīng)急待命、核事故應(yīng)急以及核事故傷員搜救、檢傷分類、現(xiàn)場醫(yī)學(xué)救治、傷員洗消去污等進行建模，按訓(xùn)練流程分為以下階段：

2.5.1 訓(xùn)練準(zhǔn)備階段訓(xùn)練準(zhǔn)備階段主要完成模型裝配、基礎(chǔ)設(shè)置、場景部署和指標(biāo)設(shè)計等工作，這是模擬訓(xùn)練的基礎(chǔ)，通過此操作可將訓(xùn)練數(shù)據(jù)初始化，并設(shè)定訓(xùn)練情景。

2.5.2 訓(xùn)練實施階段訓(xùn)練實施階段是模擬訓(xùn)練的核心部分，救援流程分系統(tǒng)主要完成核事故發(fā)生模擬，傷員生成模擬，受訓(xùn)人員交互操作模擬，指揮員下達指令、衛(wèi)生防護部門主任下發(fā)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(xiàn)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(xùn)練評估階段訓(xùn)練評估階段是模擬訓(xùn)練的重要組成部分，系統(tǒng)通過對全過程數(shù)據(jù)的記錄與分析，生成考評結(jié)果，給出評估結(jié)論，輔助決策人員和受訓(xùn)人員發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化 預(yù)案。

2.5.4 按業(yè)務(wù)流程分（1）應(yīng)急待命。出現(xiàn)可能危及核設(shè)施安全的工況或事件的狀態(tài)。①最高指揮員下達應(yīng)急待命命令。②醫(yī)生按預(yù)案做好搶救傷員的藥品、器材等準(zhǔn)備工作，迅速采取措施緩解事故可能對人員的影響，并開展?jié)撛谟绊懺u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(wèi)生處根據(jù)核事故應(yīng)急指揮部命令，通知醫(yī)院和二級救治機構(gòu)做好相關(guān)醫(yī)學(xué)救援和應(yīng)急衛(wèi)生防護準(zhǔn)備。（2）場所內(nèi)應(yīng)急。放射性物質(zhì)已經(jīng)或者可能即將釋放，但實際或預(yù)期的輻射后果僅限于場所內(nèi)的狀態(tài)。①最高指揮員下達場所內(nèi)應(yīng)急命令。②醫(yī)生迅速采取行動保護現(xiàn)場人員，執(zhí)行救護任務(wù)組織并指導(dǎo)受照人員服用抗輻射藥物；按預(yù)案開設(shè)臨時救護所；組織全員開展自救互救，搜尋傷員，并將傷員轉(zhuǎn)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(yī)院和二級救治力量做好場外采取醫(yī)學(xué)應(yīng)急行動準(zhǔn)備。

2.6 硬件組成系統(tǒng)硬件主要包括模型裝配與導(dǎo)調(diào)類設(shè)備、沉浸式訓(xùn)練類設(shè)備、觀摩講評類設(shè)備。（1）模型裝配導(dǎo)調(diào)設(shè)備：處理器I7 6700，顯卡GtX1080（4G），8 G內(nèi)存，240 G固態(tài)硬盤，43寸以上多點紅外觸控。（2）沉浸式訓(xùn)練設(shè)備：包括空間定位設(shè)備、背負(fù)式計算機和數(shù)據(jù)手套。（3）空間定位設(shè)備：定位精度：1 mm；支持節(jié)點數(shù)：>10；擴展范圍：>10 m核10 m。（4）背負(fù)式計算機：因特爾處理器i76700HQ；獨顯960英偉達GTX；內(nèi)存：16 G；硬盤：SSD 256G；重量：4 kg。（5）數(shù)據(jù)手套：黑色合成彈力纖維、基于纖維光學(xué)、共14 個傳感器、每個手指2個傳感器，一個測量、指節(jié)另一個測量第一個關(guān)節(jié)。（6）觀摩講評設(shè)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(tǒng)功能總體建設(shè)思路是：采用可擴展流程架構(gòu)和組件化仿真模型框架，配套相應(yīng)的模型、數(shù)據(jù)、開發(fā)指導(dǎo)規(guī)范等體系，結(jié)合建模仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、模擬器技術(shù)，為核事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)運行、擴展提供優(yōu)秀的支撐。

2.7.1 訓(xùn)練準(zhǔn)備（1）核事故三維環(huán)境建模：利用三維可視化技術(shù)，結(jié)合核事故常發(fā)生場所特點，構(gòu)建逼真的三維訓(xùn)練環(huán)境，包括地形地貌、工事建筑、設(shè)備儀器、傷員以及天氣氣候等，為訓(xùn)練人員提供高沉浸、高逼真的可視化戰(zhàn)場環(huán)境，提高訓(xùn)練人員的在核事故險地環(huán)境的真實感和融入感，系統(tǒng)險地環(huán)境可模擬核相關(guān)設(shè)施如核電站等。（2）模型裝配：實現(xiàn)訓(xùn)練模型的設(shè)置功能，包括訓(xùn)練涉及到的環(huán)境模型、特效模型、環(huán)境模型、設(shè)備模型、傷員模型、擴散模型、人物模型等。如圖2所示。（3）基礎(chǔ)設(shè)置：提供訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)置功能，包括作業(yè)環(huán)境設(shè)置、作業(yè)時間設(shè)置、作業(yè)區(qū)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(xiàn)對模型參數(shù)的二次維護。如圖4所示。（5）指標(biāo)設(shè)計：實現(xiàn)對訓(xùn)練過程中評估指標(biāo)的設(shè)計，包括響應(yīng)時間設(shè)置、操作選項設(shè)置、提示信息設(shè)置、考核權(quán)重設(shè)置等。

圖2 模型裝配

圖4 場景部署

2.7.2 訓(xùn)練實施（1）桌面式訓(xùn)練：①桌面學(xué)習(xí)：通過觸摸互動的方式，對核事故醫(yī)學(xué)救援流程進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。包括流程學(xué)習(xí)、設(shè)備互動、幫助提示等功能。②交互訓(xùn)練：針對典型流程，通過觸摸交互的方式進行操作訓(xùn)練，為沉浸式訓(xùn)練提供準(zhǔn)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(shè)置、類型選擇、難易選擇、操作提示等。如圖5所示。（2）沉浸式訓(xùn)練：①導(dǎo)調(diào)控制：導(dǎo)調(diào)控制由導(dǎo)調(diào)人員完成對訓(xùn)練全過程的控制工作。包括訓(xùn)練的啟動、暫停和結(jié)束，訓(xùn)練中的過程干預(yù)，以及訓(xùn)練過程中的消息傳輸?shù)?。②救援?xùn)練：針對典型流程，進行沉浸式操作訓(xùn)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(xùn)練過程實時顯示，供場外人員觀摩及學(xué)習(xí)。④實時監(jiān)控：實現(xiàn)對訓(xùn)練過程中對參訓(xùn)者全數(shù)據(jù)的實時顯示，包括訓(xùn)練時長、道具選擇、操作步驟、數(shù)據(jù)指標(biāo)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(xùn)練過程實時顯示，供場外人員現(xiàn)場觀摩和學(xué)習(xí)。（4）實時監(jiān)控：實現(xiàn)對訓(xùn)練過程中對參訓(xùn)者全數(shù)據(jù)的實時顯示，包括訓(xùn)練時長、道具選擇、操作步驟、數(shù)據(jù)指標(biāo)等。

圖5 桌面式訓(xùn)練

圖6 沉浸式訓(xùn)練

2.7.3 訓(xùn)練評估（1）演練回放：現(xiàn)訓(xùn)練過程復(fù)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(xiàn)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(xùn)練過程數(shù)據(jù)進行整合分析，并用直觀的界面呈現(xiàn)，輔助指揮決策人員和參訓(xùn)者進行總結(jié)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(xùn)練的過程資源進行管理操作，包括模型管理、任務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理。（2）角色管理：對系統(tǒng)使用角色進行管理，包括角色維護、權(quán)限管理等功能，如圖9所示。

圖9 角色管理

3 應(yīng)用效果

第三方權(quán)威測試機構(gòu)中國電子科技集團公司第三十二研究所依據(jù)項目技術(shù)要求，對本系統(tǒng)的功能、性能等做了詳細(xì)的測試，系統(tǒng)同時在涉核單位進行了推廣應(yīng)用。系統(tǒng)測試應(yīng)用結(jié)果為：系統(tǒng)通過組件化建模模擬流程訓(xùn)練、救治訓(xùn)練和洗消訓(xùn)練中的仿真實體，同一時間段內(nèi)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(yīng)急洗消、現(xiàn)場醫(yī)學(xué)救治等模擬操作訓(xùn)練；訓(xùn)練場景可靈活編輯，情景可供導(dǎo)調(diào)人員自由設(shè)置；系統(tǒng)訓(xùn)練環(huán)境安全可靠，能夠模擬戰(zhàn)場環(huán)境和訓(xùn)練過程，實戰(zhàn)感強；用戶可以快速搭建虛擬作戰(zhàn)場景，系統(tǒng)可擴展性強、應(yīng)用范圍廣；系統(tǒng)對場地要求不高，維護簡單，推廣應(yīng)用方便。

核事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)目前已試用于某涉核單位，組織了約40名相關(guān)人員試用，通過問卷調(diào)查顯示，99%的使用人員認(rèn)為該系統(tǒng)具有場景模擬逼真、訓(xùn)練要素全面、組織實施方便、訓(xùn)練效果好等優(yōu)點，有效解決了現(xiàn)實訓(xùn)練中核事故環(huán)境難模擬、訓(xùn)練手段單一，訓(xùn)練不全面不逼真等問題，受到使用單位好評。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)不同于其他三防VR訓(xùn)練系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的VR基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字化核事故三維場景，并將環(huán)境通過VR頭盔傳給受訓(xùn)人員，營造逼真的沉浸式事故環(huán)境。再通過全身動作捕捉設(shè)備將受訓(xùn)人員動作進行采集合成，一比一映射到場景中，實現(xiàn)虛實交互。同時通過導(dǎo)調(diào)席位，臨機設(shè)置突發(fā)情況，訓(xùn)練了隊員的環(huán)境感知能力、隊組協(xié)同能力和應(yīng)急處置能力。

系統(tǒng)的實現(xiàn)進一步拓展了受訓(xùn)者對于核事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援的教學(xué)及訓(xùn)練手段，解決了核事故醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援訓(xùn)練中現(xiàn)場環(huán)境模擬度不高、訓(xùn)練組織難、流程要素不齊全、訓(xùn)練效益不高等問題，縮短了訓(xùn)練組織時間，減少了訓(xùn)練器材的消耗，提高了受訓(xùn)者的訓(xùn)練效益。本系統(tǒng)在三維訓(xùn)練環(huán)境構(gòu)建、全身動作捕捉、崗位流程模擬、基礎(chǔ)傷情庫等建設(shè)方面還需進一步的完善，在下一步的工作中將增加三維訓(xùn)練環(huán)境，擴充事故發(fā)生場所；增加動作捕捉的點位，提高姿態(tài)模擬的精準(zhǔn)度；增加傷情種類，后續(xù)將結(jié)合用戶的使用需求進行不斷改進。