基于Unity3D化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统研究

钟文

摘要：针对化学事故救援训练训练组织难度大、危险性大等特点。利用计算机虚拟仿真技术模拟场景的真实性，重现各类化学事故变化过程；通过人机交互实现在虚拟现实中的技战术选择。在Unity3D平台上进行建模、动作模拟、可视化编辑研发化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统。该系统的使用能有效降低装备使用消耗等成本，提高救援人员处置化学事故救援技能，减少灾害事故中人员损伤，合理科学的评估训练成果，满足日常消防员教学训练工作和士兵职业技能鉴定需要，拓宽了消防部队安全信息化建设的道路。

关键词：化学事故；虚拟仿真；Unity3D

中图分类号：U412.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0050-02

1 引言

随着大数据“信息化时代”蓬勃发展，三维可视化程度不断跃进，虚拟仿真的应用目前成为各领域研究热点。社会发展化学灾害事故频发，为消防救援工作带来了严峻的挑战。针对化学事故救援训练准备时间长、装备消耗大、训练组织难度大、危险性大、训练效果评估难且手段单一等特点。利用计算机虚拟仿真技术模拟场景的真实性，重现各类化学事故发生、发展等一系列变化过程；通过人机交互实现在虚拟现实中的技战术选择，能有效降低装备使用消耗等成本，提高救援人员处置化学事故救援技能，减少灾害事故中人员损伤，合理科学的评估训练成果，满足日常消防员教学训练工作和士兵职业技能鉴定需要，虚拟仿真技术在危险化学品灾害事故中的运用，拓宽了消防部队安全信息化建设的道路，化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统的研发工作迫在眉睫。

2 化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统概述

危化品的生产、运输及储存自身有很大的危险性，化工厂工业系统流程复杂、投资巨大、生产连续性强，必须借助虚拟仿真技术模拟无法操作的教学训练，如毒物泄漏、火灾、爆炸事故影响后果及承载装置破坏性模拟等，而且虚拟仿真经济、安全，组训考核不受天气、场地和环境的限制。采用虚拟仿真技术模拟危化品泄漏爆炸、燃烧、扩散等状态，建立泄漏扩散模型，对灾害现象进行数值表达和情景再现，为化学事故应急救援可视化提供了重要手段，为相关作业人员对事故过程形成整体化意识提供重要途径，最大限度接近实战，使受训人员身临其境地处理事故现场。传统训练中面临着事故情景难再现、重复性训练装备物资占用损耗大、重点专训无法实时衔接，训练过程涉及科目多，人员复杂等问题，而化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统具有实战性、可重复性、专项专训重点突击性、过程可知性等特点。 能让传统训练中的瓶颈问题得以解决，首先情景模式可以模拟设定，多条件变换的场景能更好的锻炼训练者的处突能力；其次，通过虚拟模拟人员、装备的真实占用或损耗，没有经济和环境的制约，利于重复训练突出重点科目强化技能全面提高[1]。

3 化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统结构

化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统主要由系统设置、教学训练模式、考核模式及用户操作说明几个子系统构成，其中教学训练模式与考核模式又含多个模块，在教学训练模式中各模块操作可以任意切换，在考核模式中各模块操作性具有一定顺序并不可逆转[2]。

3.1 系统设置子系统

系统设置是为了方便系统的管理者对系统界面的图形图像及声音的控制。

3.2 教学训练子系统

教学训练子系统是化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统的重要组成部分。该子系统由教员进行操作和使用，它主要用于进行天气、训练场景和化学物质的设定，对训练项目进行讲解示范。操作者可以任意选择化学事故处置节点，利于有针对性地练习，同时点击触发相应的事件或装备，屏幕有相应知识点的出现，便于学员对知识点的学习掌握。教学训练子系统含多个功能模块，每个模块都可进行相应功能的设置，当受训员点击相关模块时，就进入可操控的内容。

3.3 考核子系统

考核子系统主要负责对受训者进行训练和考核。在考核模式中，考核人员需要在指定时间内，按照化学事故救援基本程序和系统依次完成化学事故处置任务。系统会自动的记录受训者的操作信息，并根据受训者进行操作的时间和问题回答的情况，给出受训者的训练成绩。

4 基于Unity3D的化学事故应急救援虚拟仿真技术实现

在Unity3D平台的支撑下，虚拟仿真技术将真实环境中无法很好展示的要素如人员位置、车辆位置、风向、风速、危险化学品扩散蔓延方向速度等以可视化、可操控的方式表达并实现交互功能。通过电脑操作及投影大屏幕的显示，操作者可以在模拟的虚拟场景内进行自由步行、鸟瞰，也可以点选重点位置查看，可以多视角、全方位的了解虚拟现实的三维事故现场的各区域情况。

4.1 界面開发及数据处理

基于Unity3D引擎下的界面开发技术是最基本的技术类型，较为成熟稳定，能提供良好的界面，界面的好坏通常直接影响视觉感受，好的界面能够有效提升训练成效；数据存储采用Unity3D中SQLite数据存储的方式，这种存储方式本身并不繁琐，创建过程非常的快捷简单且使用方便，和其他类型的存储方式相比，更加容易实现对数据库的独享；数据传输使用UDP协议，实时传输保证每台电脑连接到教师机，并且能够快速响应设定的情景模式。

4.2 建模及渲染

在建模工作过程中采用了3DStudio Max和Auto CAD软件。系统中的事故模拟场景包括地形、道路、车辆、设备、人员、建筑物等，运用虚拟仿真视觉技术使整体效果能够充分展现。模型制作范围为每个模块所需表现场景范围，根据实际需求和系统开发时间的实际情况来确定。其中，以三维虚拟仿真技术制作虚拟场景内的主要设施设备模型为高模，其它为辅助模型，以体量低模制作方式制作。由于系统是实时渲染运行，就如同电脑游戏或软件运行一样受计算机运行速率的限制，模型通常要根据需要进行面数和材质贴图等方面的优化，以满足流畅的操作，所以在制作模型时会根据主次进行高低精度模型的建立和场景的优化处理。为达到接近实际情况的三维可视化模拟效果，主要场景纹理模拟与现场情况基本一致。在系统中对水进行粒子化模仿，在粒子创建中，进行大量的参数设定，参数修改，粒子的调整，使水枪、水幕水带、危化品水源、水流，更为接近真实化。

4.3 动作模拟绑定及表达

在Unity3D中实现动作操作，在界面中对消防人员，给予了设备、器材选择及使用，对设备进行动画支持，使受训人员能快捷的针对当前事故进行设备选择，从而强化设备的直观认识；对机械设备的運动可进行模拟操作，如运输、吊装等动作的模拟，为受训人员创造更为良好的体验；对需要传达的信息及发生动作的重要环节进行可视化虚拟仿真，并结合文字、图片、音效等多媒体信息进行综合表达，运行系统拥有完整的二维图形用户界面，同时显示三维场景，并完成所有的交互操作功能[3-4]。

4.4 可视化编辑

在Unity3D编写代码进行可视化编辑，可视化任务编辑器的使用是为教员更便捷快速的设定当前训练任务及考核点。在设定系统中可选择不同灾害场景及危化品，设定不同风向、风力，以逻辑交互事件选项进行设定，并可将设定数据传输至学员端。化学事故应急救援虚拟仿真实训系统场景设置见图1。以第一人称的形式进行角色扮演，在角色上给予逻辑交互脚本，使受训人员角色与事故中NPC交互。对突发事件的有效处理，对装备的直观使用，接近真实训练效果，在实战中做到有的放矢。

5 结语

化学事故应急救援三维虚拟仿真实训系统可交互操作的模拟化学事故现场，结合相关硬件设备进行模拟操作，实现操作者具有身临其境的临场感。在Unity3D平台的支撑下，逼真的三维图像，完善的人机交互特性，使该系统成为对消防人员处置化学事故应急救援训练、考核的实用工具。在后期的开发中，我们将在系统中增设不同的灾害事故场景、训练科目等，开发多人多角色在不同的电脑上、共同的虚拟灾害场景内完成协同消防任务，实现更完善的虚拟仿真实训。

参考文献

[1]靳学胜，袁狄平.灭火救援视景仿真中三维虚拟消防队员的设计与实现[J].武警学院学报，2010，（10）：5-8.

[2]徐超.大数据时代下云存储技术在消防信息化系统中应用[J].信息通信，2015，（3）：118.

[3]王江春.运用开源骨骼动画引擎实现人物动作[J].电脑编程技巧与维护，2007，（4）：61- 66.

[4]吴鸿志，徐丽.3dsMAX 5三维建模与动画完全攻略[M].北京：北京希望电子出版社，2003：226-249.