杜江岳 謝歌

（華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院 河南省鄭州市 450018）

嚴(yán)肅游戲不以娛樂為目的，而是以傳遞知識，教育，專業(yè)訓(xùn)練為主要目標(biāo)的游戲[1,2]。南水北調(diào)輸水工程總線跨越流域大，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜。在工程運(yùn)行過程中，可能會發(fā)生自然災(zāi)害、設(shè)備失效等多類別風(fēng)險。通常通過布置監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行日常觀測，監(jiān)測工程運(yùn)行情況，但監(jiān)測設(shè)備難以完全覆蓋工程區(qū)域，一些盲區(qū)仍然需要工程安全巡檢人員進(jìn)行人工巡查。由于災(zāi)害種類多，對巡檢人員的風(fēng)險識別能力培訓(xùn)是保證工程安全運(yùn)行的重要組成部分。傳統(tǒng)災(zāi)害預(yù)演培訓(xùn)形式分為桌面演練和實(shí)戰(zhàn)演練[3]。桌面演練又稱桌面推演，參演人員通過地圖、沙盤等輔助手段，根據(jù)預(yù)先假定的演練情景，討論和推演應(yīng)急決策及現(xiàn)場處置過程[4]。演練情景的設(shè)計在提高受培訓(xùn)人員的能力方面起著重要作用。然而，桌面演練的效果受限制于演練情景的設(shè)計質(zhì)量，演練情景的設(shè)計過程本身耗時長且容易出錯。演練情景在設(shè)計時受到設(shè)計師主觀想象的限制，容易忽視險情的破壞范圍和危害程度，所描述事件的發(fā)生順序也可能與現(xiàn)實(shí)情況不完全相同。因此，需要通過實(shí)戰(zhàn)演練使被培訓(xùn)人員熟悉實(shí)際搶險救災(zāi)流程。實(shí)戰(zhàn)演練通過設(shè)置演習(xí)區(qū)域，還原災(zāi)害發(fā)生時的真實(shí)情景，訓(xùn)練搶險人員的實(shí)際操作能力。實(shí)戰(zhàn)演練培訓(xùn)效果較好，但實(shí)戰(zhàn)演練需要花費(fèi)大量人力和物力，無法做到隨時隨地演練，并且一次實(shí)戰(zhàn)演練結(jié)束后，通常很難復(fù)現(xiàn)演練過程。鑒于傳統(tǒng)培訓(xùn)存在上述缺陷，研究者們嘗試通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建培訓(xùn)場景，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的手術(shù)模擬[5]、康復(fù)訓(xùn)練[6]；海事領(lǐng)域中的船舶制造仿真與交互[7]；航空航天領(lǐng)域中的航天員培訓(xùn)[8]；水利領(lǐng)域中的水電站應(yīng)急搶險培訓(xùn)[9]等。當(dāng)前虛擬培訓(xùn)場景的實(shí)體多為單人或多個實(shí)際參與者，培訓(xùn)方式以文字或圖表羅列知識點(diǎn)為主，驅(qū)使參與者進(jìn)行交互。近期對嚴(yán)肅游戲的研究表明，災(zāi)害演練培訓(xùn)與演練腳本的關(guān)系不同于電影與電影腳本之間的關(guān)系[10]，即場景中最好不出現(xiàn)對培訓(xùn)參與者的直接指示，而是通過在演練腳本中包含被模擬過程的環(huán)境，使參與者主動執(zhí)行觀察-確認(rèn)-決定-行動這一行為循環(huán)，以此增強(qiáng)培訓(xùn)效果。

綜上所述，通過分析水利應(yīng)急預(yù)案流程，將險情特征、預(yù)案流程、應(yīng)急知識融入演練腳本，不直接指示虛擬培訓(xùn)參與者進(jìn)行操作，而是使用前后相關(guān)的事件組成培訓(xùn)內(nèi)容；通過虛擬角色行為引導(dǎo)參與者主動思考搶險應(yīng)急措施；設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個管涌險情的搶險培訓(xùn)系統(tǒng)驗(yàn)證引導(dǎo)方法的可靠性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，受訓(xùn)人員在虛擬場景中主動思考使得虛擬場景沉浸感更強(qiáng)，培訓(xùn)效果更加顯著。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與培訓(xùn)流程設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總架構(gòu)分析

考慮到培訓(xùn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)整體使用四層架構(gòu)，分別為物理設(shè)備層、視圖層、事件層和業(yè)務(wù)層。其中，物理設(shè)備層主要包括物理設(shè)備和對不同設(shè)備的輸入信號進(jìn)行抽象的腳本，是支持多平臺應(yīng)用的基礎(chǔ)；視圖層包括用戶直接觀察到的模型，如地物模型、虛擬角色模型、天空盒等；事件層是系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)將用戶的交互輸入轉(zhuǎn)換成事件碼，通過傳輸事件碼，完成場景中其他元素對用戶輸入的響應(yīng)；業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)管理場景資源調(diào)度、流程控制等業(yè)務(wù)邏輯。圖1為架構(gòu)示意圖。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 培訓(xùn)流程設(shè)計

根據(jù)文件《工程運(yùn)行期工程安全事故應(yīng)急預(yù)案》，工程安全事故按照性質(zhì)、可控性、嚴(yán)重程度和影響范圍等因素，分為Ⅰ級（特別重大）、Ⅱ級（重大）、Ⅲ級（較大）和Ⅳ級（一般）四個級別。建筑物基礎(chǔ)發(fā)生管涌，引起建筑物垮塌或渠堤邊坡發(fā)生管涌引起渠道潰口為Ⅰ級；渠堤邊坡發(fā)生較大范圍集中滲漏、流土導(dǎo)致渠堤部分跨塌、管理道路中斷，但渠水未外泄為Ⅱ級；渠堤邊坡發(fā)生集中滲漏、流土導(dǎo)致渠堤變形開裂為Ⅲ級；局部沉降引起渠堤堤身開裂或建筑物基礎(chǔ)接縫滲漏、結(jié)構(gòu)受損為Ⅳ級。

工程安全事故信息一般應(yīng)按規(guī)定逐級上報。南水北調(diào)中線干線工程安全事故應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)由一級運(yùn)行管理單位（中線建管局）、二級運(yùn)行管理單位（各分局、北京市南水北調(diào)干線管理處）、三級運(yùn)行管理單位（各現(xiàn)地管理處等）組成。三級運(yùn)行管理單位的工程安全巡檢人員發(fā)現(xiàn)或接到突發(fā)事件通知后，應(yīng)立即電話報告負(fù)責(zé)人和中控室值班人員。負(fù)責(zé)人接到現(xiàn)場報告后電話報告二級運(yùn)行管理單位，同時安排人員報分調(diào)度中心和二級運(yùn)行管理單位相關(guān)專業(yè)職能處室。

三級運(yùn)行管理單位在上報險情后，應(yīng)根據(jù)所轄渠段特點(diǎn)制定應(yīng)急處置方案，組織現(xiàn)場人員進(jìn)行先期處置工作。對于管涌險情，應(yīng)在涌水口處及周邊采用砂礫石填壓，等待專業(yè)應(yīng)急搶險隊(duì)伍運(yùn)送搶險物資，再進(jìn)行專業(yè)搶險設(shè)施搭建。

綜合以上應(yīng)急流程，將預(yù)演培訓(xùn)分為發(fā)現(xiàn)異常、險情確認(rèn)、險情上報、應(yīng)急搶險和搶險結(jié)束五個階段。具體培訓(xùn)流程如圖2所示。

圖2：培訓(xùn)流程設(shè)計圖

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于1.2節(jié)的培訓(xùn)流程需求，系統(tǒng)主要由管涌險情三維場景可視化、應(yīng)急搶險演練培訓(xùn)、人機(jī)交互仿真和培訓(xùn)效果評價四個模塊組成，如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)功能設(shè)計圖

管涌險情三維場景可視化模塊主要負(fù)責(zé)在虛擬場景中復(fù)現(xiàn)管涌險情特征，使受訓(xùn)人員在虛擬場景中巡檢時發(fā)現(xiàn)異常并上報，主要包括構(gòu)成特征的地形系統(tǒng)與粒子特效、動畫等。

應(yīng)急搶險演練培訓(xùn)模塊負(fù)責(zé)播放等級確認(rèn)過程中的音頻資源、向受訓(xùn)人員展示不同等級險情的上報流程圖、展示管涌險情發(fā)生原理、提供應(yīng)急決策待選方案、介紹不同搶險物資的應(yīng)用場景和搶險物資的搭建方法等。

人機(jī)交互仿真模塊響應(yīng)用戶在虛擬場景中的交互行為，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

培訓(xùn)效果評價模塊負(fù)責(zé)記錄培訓(xùn)任務(wù)的開始與結(jié)束時間，培訓(xùn)任務(wù)完成情況，受訓(xùn)人員操作熟練度等信息。

2 流程實(shí)施與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 場景基本地物三維模型

管涌應(yīng)急搶險預(yù)演平臺主要以土石壩邊坡滲漏這一典型險情展開。虛擬場景中的地物模型選取河南省輝縣市某段高填方渠段為參考，將該渠段施工時使用的圖紙參考等比縮放，在三維工程建模軟件中進(jìn)行基本地物模型的制作。完成三維模型制作后，通過現(xiàn)場采集貼圖素材，經(jīng)過圖片處理軟件制作紋理平鋪無縫貼圖?？紤]場景的真實(shí)性，地物模型統(tǒng)一使用基于物理的材質(zhì)。圖4為渠道邊坡、馬道和防浪墻在虛擬場景中的最終渲染效果。

圖4：地物模型渲染效果圖

2.2 搶險物資三維模型

在水利應(yīng)急搶險過程中，需要用到許多種防汛物資。根據(jù)不同種類的險情或同種險情發(fā)展階段不同，所需搶險物資也不同。針對這一特征，參考《防汛搶險技術(shù)手冊》，對滲漏險情所需防汛搶險物資進(jìn)行三維建模。圖5為一些搶險物資示例。

圖5：搶險物資建模示例圖

2.3 虛擬角色行仿真

參考南水北調(diào)中線干線工程應(yīng)急預(yù)案相關(guān)文件，邊坡滲漏險情應(yīng)急搶險過程涉及多個專業(yè)組，不同組擔(dān)任不同搶險任務(wù)，具體功能分組情況如表1所示。

表1：不同角色的職能

用戶在場景中進(jìn)行交互時，其他身份的角色需要對用戶的行為做出實(shí)時響應(yīng)。本文通過事件系統(tǒng)驅(qū)動虛擬角色行為。用戶在與場景中虛擬物體交互時，將產(chǎn)生一個事件碼，通過事件系統(tǒng)廣播至虛擬角色的行為腳本，虛擬角色收到事件碼后，根據(jù)設(shè)定好的行為函數(shù)，對事件進(jìn)行響應(yīng)。具體的事件設(shè)計如表2所示。

表2

除了事件驅(qū)動虛擬角色行為外，為了使虛擬角色更加智能，根據(jù)信息感知模型與有限狀態(tài)機(jī)結(jié)合方法[11]，使場景中的虛擬角色對環(huán)境進(jìn)行感知，如圖6所示。

圖6：虛擬角色信息感知模型

其中R1、R2、R3是各自感知區(qū)的范圍；θ是人體的最大視角；A、B、C是環(huán)境中的對象；O為虛擬角色所在位置。

當(dāng)用戶在虛擬場景中丟失下一步的目標(biāo)時，虛擬角色將根據(jù)當(dāng)前的險情發(fā)展進(jìn)度，以真實(shí)合理的動作和語音，提示用戶當(dāng)前的任務(wù)，提升場景的真實(shí)感，如圖7所示。

圖7：虛擬角色提示用戶下一個目標(biāo)

2.4 演練場景構(gòu)建

管涌應(yīng)急搶險場景由高填方渠道（馬道、防浪墻、邊坡）、護(hù)林帶（圍網(wǎng)、刺絲和綠植帶）、交叉建筑物、出水口搶險物資（防汛沙袋、背水月堤、無濾圍井等）、入水口搶險物資（水下機(jī)器人、示蹤劑、混凝土攪拌車、混凝土輸送泵車、隔水圍堰）等部分組成，根據(jù)流程設(shè)計的五個階段分為五個子場景。為了不破壞流程的整體性，子場景之間不通過場景轉(zhuǎn)跳的方式進(jìn)行切換。用戶在完成上一個子場景的最后一個交互時，場景管理器將收到一個切換場景的事件碼，異步加載下一個子場景所需資源。當(dāng)上一個的場景的所有內(nèi)容播放完畢后，通過銀幕淡入淡出的形式，將已經(jīng)載入內(nèi)存的下一階段資源顯示在場景中，同時卸載掉上一階段資源，如圖8所示。

圖8：演練場景展示圖

3 結(jié)論

通過對虛擬演練培訓(xùn)技術(shù)研究，本文對高填方渠段進(jìn)行了三維場景構(gòu)建。以管涌險情應(yīng)急預(yù)案流程為基礎(chǔ)，設(shè)計了符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)急流程的劇情；以“所見即所得”的方式驅(qū)動用戶主動對場景進(jìn)行探索，完成觀察-確認(rèn)-決定-行動循環(huán)；設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了以虛擬角色為牽引的人機(jī)交互方式，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在沉浸感方面的優(yōu)勢，為工程安全巡檢人員培訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)探索了新的表現(xiàn)形式。未來將考慮引入物理仿真技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)場景的真實(shí)感，以及針對當(dāng)前虛擬演練培訓(xùn)場景開發(fā)工作量大的問題，考慮引入程序化建模技術(shù)，減少場景模型的制作周期。