李 晶 鄒吉濤

(1. 國家藥品監(jiān)督管理局高級研修學(xué)院，北京 100073；2. 北京都市森林科技有限責(zé)任公司，北京 102299)

食品安全應(yīng)急演練是提升人員能力，保障人們“舌尖上安全”，維護(hù)社會和諧穩(wěn)定的重要手段。傳統(tǒng)食品安全應(yīng)急演練形式一般分為桌面演練、功能演練和綜合演練等[1-2]。桌面演練是指針對事先假定的突發(fā)事件依據(jù)應(yīng)急預(yù)案討論和推演應(yīng)急處置的過程，一般為口頭演練，在會議室完成。功能演練是一種更貼近實(shí)戰(zhàn)的桌面演練。人員一般以其在應(yīng)急工作中的實(shí)際角色參演，對某項(xiàng)應(yīng)急響應(yīng)功能進(jìn)行演練，一般在應(yīng)急指揮中心完成，調(diào)用有限的資源。綜合演練是傳統(tǒng)意義上的實(shí)戰(zhàn)演練，是指針對突發(fā)事件發(fā)生及發(fā)展情景，通過實(shí)際操作完成真實(shí)應(yīng)急響應(yīng)的過程，一般采取交互式方式進(jìn)行，調(diào)用更多的應(yīng)急人員和資源。傳統(tǒng)應(yīng)急演練主要是在室內(nèi)或者固定的場所完成，且受時間限制，存在真實(shí)性不足、形式單一、成本較高等問題[3-6]。近年來，國家在推動人工智能、移動互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等新一代信息技術(shù)深度應(yīng)用，加強(qiáng)應(yīng)急管理應(yīng)用創(chuàng)新、模式創(chuàng)新[7]，以及促進(jìn)VR教育資源開發(fā)[8]等。VR得到了快速發(fā)展，VR主要是利用現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)等設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為逼真的、三維的虛擬環(huán)境，具有多感知性、交互性、沉浸感等特點(diǎn)，將其用在應(yīng)急演練領(lǐng)域，有利于提高應(yīng)急演練真實(shí)性、推動建設(shè)快速反應(yīng)的專業(yè)應(yīng)急管理隊(duì)伍，VR應(yīng)急演練系統(tǒng)在此特定的背景下應(yīng)運(yùn)而生。目前VR應(yīng)急演練系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害和重大事故應(yīng)急演練工作中，如澳大利亞最大的列車客運(yùn)公司StateRail研制了用于學(xué)習(xí)如何處置火災(zāi)、爆炸等緊急情況的虛擬仿真系統(tǒng)[9]；朱新平等[10-11]構(gòu)建了機(jī)場消防應(yīng)急救援虛擬演練平臺；金浩等[12]將VR應(yīng)用于水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；萬晶宇等[13]設(shè)計了基于VR的配電盤火災(zāi)應(yīng)急處置模擬系統(tǒng)；李敏等[14-15]實(shí)現(xiàn)了基于VR的地震應(yīng)急救援演練系統(tǒng)；侯建明等[16]基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺設(shè)計了礦上救援虛擬仿真演練系統(tǒng)；張蕊等[17-18]搭建了國際郵輪港虛擬仿真平臺；田晶晶等[19]將VR技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)安全隱患排查、生產(chǎn)模擬演練中。但是在現(xiàn)有研究成果中，針對食品安全領(lǐng)域，主要開發(fā)了食品安全仿真教學(xué)系統(tǒng)、檢驗(yàn)檢測試驗(yàn)仿真操作系統(tǒng)等[20-22]，并沒有研究直接用于食品安全突發(fā)事件的仿真演練系統(tǒng)。

研究立足于食品安全領(lǐng)域，基于VR開發(fā)集動畫、測試、聲音與人機(jī)交互于一體的應(yīng)急演練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在仿真環(huán)境中體驗(yàn)多種演練要素，以期彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)急演練的不足、提升演練效果。

1 食品安全仿真演練系統(tǒng)特點(diǎn)

食品安全仿真應(yīng)急演練系統(tǒng)依托于VR技術(shù)，仿真模擬典型的食品安全突發(fā)事件現(xiàn)場，通過人機(jī)交互的操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練時的沉浸式體驗(yàn)，其具有以下特點(diǎn)：

(1) 真實(shí)性：以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬建設(shè)，操作規(guī)則同樣立足于現(xiàn)實(shí)中實(shí)際的食品安全應(yīng)急處置過程。

(2) 可擴(kuò)展性：配備接口，實(shí)現(xiàn)不同的場景的三維動態(tài)配置。

(3) 科學(xué)性：依據(jù)科學(xué)的計算對場景進(jìn)行演練，依據(jù)物理引擎計算虛擬場景的模擬演示效果。

(4) 實(shí)時性：演練中產(chǎn)生的各種命令或者行為能夠?qū)崟r地得到響應(yīng)。

(5) 協(xié)同性：支持多臺計算機(jī)終端在同一場景內(nèi)進(jìn)行協(xié)同演練和觀察。

(6) 安全性：可模擬極端情況下(如地震、雪災(zāi)等)的食品安全突發(fā)事件場景，保證人員在實(shí)際操作中的安全。

(7) 靈活性：演練數(shù)據(jù)易于收集，系統(tǒng)可以選取不同的算法進(jìn)行演練評估。

(8) 易用性：友好的用戶界面，軟件設(shè)計符合使用者的習(xí)慣與需求。

2 食品安全仿真演練系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

系統(tǒng)軟件技術(shù)主要包括：

(1) 場景設(shè)計：利用AutoDesk公司的3D max軟件進(jìn)行建模，還原真實(shí)的食品安全突發(fā)事件場景。

(2) 界面設(shè)計：利用Unity3D軟件關(guān)聯(lián)編輯模型和數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)界面和環(huán)境的配置等[23-24]。

(3) 交互實(shí)現(xiàn)：控制邏輯使用C#腳本進(jìn)行開發(fā)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：采用UDP、TCP的數(shù)據(jù)傳輸。

(5) 服務(wù)器端：采用VS 2019開發(fā)，開發(fā)語言為C#。

(6) 數(shù)據(jù)庫接口：采用mySQL數(shù)據(jù)庫連接情景庫、演練數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫存內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要包括：服務(wù)器、頭戴式仿真頭盔、手持設(shè)備等。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由操作層、業(yè)務(wù)層、邏輯層、虛擬層和基礎(chǔ)服務(wù)層構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

用戶層：包括使用系統(tǒng)的演練人員和管理人員兩個層級。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

業(yè)務(wù)層：是整個系統(tǒng)架構(gòu)的核心部分，形成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊，包括培訓(xùn)、演練和評價等子系統(tǒng)。

邏輯層：是整個系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯結(jié)構(gòu)，包括交互行為邏輯、業(yè)務(wù)邏輯以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

虛擬層：涵蓋演練過程中需要的虛擬數(shù)據(jù)，包括三維場景庫、事件情景庫、虛擬物品、虛擬人物等。

基礎(chǔ)服務(wù)層：是整個系統(tǒng)的支撐體系，主要包括支持虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的三維引擎、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、交互設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)所需等軟硬件設(shè)施。

2.3 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計為C/S模式，分為服務(wù)器端和客戶端。系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊組成

服務(wù)器端：進(jìn)行演練事件類型選擇、演練場景設(shè)置、演練關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置、交互語言設(shè)置、演練計劃配置、演練評估規(guī)則設(shè)置等。

客戶端：演練人員登錄后，選擇演練場景開始演練，根據(jù)演練目標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場勘查，并對場景中的突發(fā)事件進(jìn)行處置，演練完成后查看演練得分等。

2.4 系統(tǒng)演練流程設(shè)置

系統(tǒng)演練流程如圖3所示，系統(tǒng)通過頭戴式仿真頭盔、手柄等演練設(shè)備與演練人員進(jìn)行交互，演練人員的操作數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實(shí)現(xiàn)多地區(qū)的演練人員之間的協(xié)同工作。每次演練開始前，由演練組織單位制定演練預(yù)案并進(jìn)行推演，理論分析通過后進(jìn)行實(shí)際演練，演練的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并對每個演練人員的行為進(jìn)行評價。演練系統(tǒng)提供針對不同角色進(jìn)行訓(xùn)練的功能。演練角色按照食品安全事故應(yīng)急預(yù)案[25]設(shè)置，包括綜合協(xié)調(diào)組、事故調(diào)查組、危害控制組、醫(yī)療救治組、檢測評估組、社會穩(wěn)定組、新聞宣傳組等，各小組根據(jù)分組不同，有不同的職能工作。

圖3 演練流程示意圖

2.5 系統(tǒng)演練場景設(shè)計

通過分析實(shí)際食品安全突發(fā)事件場景以及應(yīng)急處置流程，結(jié)合專家咨詢意見，選取了10個典型的食品安全突發(fā)事件發(fā)生場景以及應(yīng)急處置關(guān)鍵控制點(diǎn)(演練關(guān)鍵點(diǎn))進(jìn)行系統(tǒng)的演練場景設(shè)計和建模。10個場景如表1所示。人員進(jìn)入模擬情景后，會進(jìn)行應(yīng)急處置關(guān)鍵點(diǎn)的演練，演練完成后會分析得到事件發(fā)生的原因。

表1 系統(tǒng)演練場景及演練關(guān)鍵點(diǎn)

2.6 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.6.1 系統(tǒng)三維模型和場景建立 場景和模型的建立是整個系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。常規(guī)的虛擬三維模型，是一個完整的數(shù)字化真實(shí)場景信息庫，它不僅包含場景構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性和狀態(tài)信息，還包含非構(gòu)件對象的狀態(tài)信息，如空間和運(yùn)動行為等。食品安全仿真演練系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為頭戴式VR一體機(jī)設(shè)備，需適配該設(shè)備的計算平臺和顯示分辨率，以達(dá)到展現(xiàn)大型場景的同時又不損失顯示效果和顯示效率，故系統(tǒng)建模時有以下關(guān)鍵點(diǎn)。

(1) 降低模型的三角形面數(shù)，對于有明顯視角變化的集合體，采用實(shí)體模型進(jìn)行繪制，盡量使用規(guī)則幾何體展示，對于沒有視角變化的一些表面細(xì)節(jié)，采用紋理欺騙視覺的方式利用平面展示顯示內(nèi)容，可以減少模型顯示效率損失，保留盡可能多的模型細(xì)節(jié)。

(2) 實(shí)體模型中的邊角部分和凹凸部分，采用凹凸貼圖或法線貼圖[26]的方式進(jìn)行展示，在不添加多邊形的前提下，為模型添加細(xì)節(jié)。

(3) 圖形顯示設(shè)備繪制圖形時，對于所有使用同一張紋理的模型，建立成一個獨(dú)立的物體(不以實(shí)際物體的構(gòu)成規(guī)律構(gòu)建物體)，減少切換次數(shù)，顯著提高顯示效率。同時，采用光照貼圖，對于光照效果需要不明顯的部分，直接記錄光線反射效果，不需要實(shí)時計算，進(jìn)一步降低顯示時的性能需求，增加效果且不增加系統(tǒng)計算壓力。

(4) 簡化真實(shí)場景描述的虛擬模型。在食品安全應(yīng)急演練場景模型中，許多信息被刪除，以方便人們在計算機(jī)中直觀地看到并編輯。它不包含材質(zhì)信息、光影描述、環(huán)境物理信息等細(xì)節(jié)，只包含三維幾何數(shù)據(jù)，沒有(或很少)物體屬性數(shù)據(jù)，以便用于圖形可視化。

(5) 程序流程控制技術(shù)。系統(tǒng)所有的場景總體的運(yùn)行邏輯相同，僅僅是場景內(nèi)容和系統(tǒng)選項(xiàng)不同，為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，開發(fā)過程中采用建立抽象管理層的方式控制程序流程，場景、交互形式、交互文字、飾品、語音內(nèi)容等均視為可配置元素。對于不同的演練場景，主要的變化就是可配置元素，整體運(yùn)行邏輯不變，將單個場景的開發(fā)流程工作變化為業(yè)務(wù)驅(qū)動引擎開發(fā)工作，增加不同的訓(xùn)練場景工作僅需變化為開發(fā)不同的模型以及約定交互內(nèi)容，確保系統(tǒng)易于調(diào)試修改，便于動態(tài)編輯配置演習(xí)內(nèi)容，且單個場景運(yùn)行穩(wěn)定后，所有的虛擬訓(xùn)練場景均穩(wěn)定。

2.6.2 食品安全應(yīng)急演練場景模型特點(diǎn) 與常規(guī)虛擬三維場景模型相比，食品安全應(yīng)急演練場景模型具有以下特點(diǎn)：

(1) 可視化。食品安全應(yīng)急演練場景模型的可視化是一種可以與場景形成交互和反饋的可視化。不僅可以通過插入圖文視頻資料等進(jìn)行展示，還可以通過評價體系生成演習(xí)評分?jǐn)?shù)值，更重要的是醫(yī)療救治、事件調(diào)查、檢驗(yàn)檢測等過程中的溝通、討論、決策都是在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行的。

(2) 協(xié)調(diào)化。協(xié)調(diào)是品安全應(yīng)急演練的核心內(nèi)容。無論是綜合協(xié)調(diào)組，還是事故調(diào)查組，危害控制組，醫(yī)療救治組，新聞宣傳組等，都在做協(xié)調(diào)配合。

(3) 最佳化。食品安全應(yīng)急演練，本質(zhì)上就是一個食品安全事故設(shè)計、各組協(xié)調(diào)的過程，是一個不斷優(yōu)化流程的過程。優(yōu)化受到3個因素的制約：事故信息、事故復(fù)雜度和各組處理時間。食品安全應(yīng)急演練系統(tǒng)及其支持的優(yōu)化工具為復(fù)雜食品安全事故的流程優(yōu)化提供了可能。

3 食品安全仿真演練系統(tǒng)演練效果

以工地食品安全突發(fā)事件的應(yīng)急演練為例。演練人員登錄系統(tǒng)后，選擇工地食品安全突發(fā)事件情景并點(diǎn)擊確定，界面如圖4(a)所示。演練人員進(jìn)入工地虛擬場景后，到達(dá)突發(fā)事件現(xiàn)場，按照系統(tǒng)給出的指示了解突發(fā)事件發(fā)生的過程，隨即如圖4(b)所示選擇不同的虛擬身份參與到不同的演練內(nèi)容，對事件進(jìn)行處置，分別進(jìn)行事故調(diào)查、信息報告、醫(yī)療救治、檢測檢驗(yàn)、善后處置等具體操作。比如事件調(diào)查組點(diǎn)取場景中的可交互的人物，詢問癥狀、事件起因、經(jīng)過、時間、事發(fā)單位情況、涉事食品相關(guān)情況等信息，并進(jìn)行事故的信息報告；醫(yī)療救治組可進(jìn)行現(xiàn)場救治交互行為，對事件涉及的傷病人員進(jìn)行診斷治療，選擇胸外按壓、喂藥、催吐、轉(zhuǎn)運(yùn)到有條件的醫(yī)療機(jī)構(gòu)加強(qiáng)救治等方式。檢測評估組可開展相關(guān)應(yīng)急檢驗(yàn)檢測工作，點(diǎn)取食物，進(jìn)行滴定測試，隨機(jī)顯示不同的顏色，隨機(jī)產(chǎn)生不同的化驗(yàn)結(jié)果，綜合分析檢測數(shù)據(jù)從而進(jìn)行事故原因和趨勢的分析，如圖4(c)～圖4(e)所示。演練結(jié)束后，對演練人員的操作進(jìn)行評價，包括人員對各種不同情形下的應(yīng)急處置流程的了解程度，應(yīng)急處置過程的操作流程熟悉度，實(shí)際處置過程中是否存在次序錯誤，是否遺漏處置必要的操作環(huán)節(jié)，是否充分表現(xiàn)出專業(yè)的處置技巧、是否有全局觀、是否能夠有效降低突發(fā)事件引起的社會效應(yīng)等。最后得出演練得分，如圖4(f)所示。

圖4 演練交互操作

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于食品安全監(jiān)管部門。應(yīng)用部門反饋表明，系統(tǒng)場景設(shè)置合理，演練模塊設(shè)計科學(xué)，較好地還原了真實(shí)食品安全突發(fā)事件場景和實(shí)際應(yīng)急處置流程，體驗(yàn)真實(shí)，操作簡潔、在食品安全應(yīng)急演練領(lǐng)域具有首創(chuàng)性，有助于提升人員專業(yè)水平和處置能力。

4 結(jié)論

食品安全仿真演練系統(tǒng)比傳統(tǒng)演練具有更高的真實(shí)性和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)人員沉浸式演練，具有較好的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體驗(yàn)感和成本控制以及應(yīng)用推廣方面的快速發(fā)展，虛擬演練必然為各級政府提供更多的食品安全突發(fā)事件應(yīng)急處置的輔助決策手段。下一步，可以進(jìn)一步探索實(shí)現(xiàn)多人協(xié)調(diào)虛擬演練以及構(gòu)建相應(yīng)的演練效果評價體系。