基于VR技术的逃险演练系统研发

广东蓝盾乐庚信息技术有限公司　郑绵彬

0　引言

面对地震和高层火灾等突发事件，许多人在第一时间都惊慌失措，不能正确应对。应急演练是检验、评价和改进应急能力的重要手段。各国政府都高度重视“应急演练”的作用，也在加大对应急演练平台研发的投入[1]。美国应急演练模拟中心(National Exercise Simulation Center NESC)已开发出能在虚拟环境下运用烟羽模型(Plume Modeling)、疾病传播模型(Disease Propagation)等进行基于组织机构的多人参与的模拟演练[2]。此外，德国、韩国、日本等国家都在积极从事演练仿真平台的研制。我国也有开展类似系统的研发，以地图展现和数据查询的决策支持系统为主，还有一桌面展现的3D仿真系统[3-6]，此类系统缺少沉浸感，实际中面对突发事件的复杂演化，传统逃险演练系统不能很好的发挥训练正确第一反应的作用。

近年来随着沉浸式VR (Virtual Reality)软硬件技术的高速发展，VR逐渐被引进安全教育领域[7-9]，这给我们研发训练正确第一反应的逃险演练系统提供了机遇。本文将介绍研发基于VR技术逃险演练系统架构和关键问题，以及实现途径。

1　逃险演练系统体系架构

基于VR技术的逃险演练系统，在理论层面，需要根据应急能力培训需求，通过网络和社会数据和信息的统计和收集，利用调研等方法，抽象逃险演练的特殊需求，提供全面的演练数据准备，并为演练过程中所需要的计算模型进行机理分析、建模以及模型的形式化描述；在技术层面，需要充分对可视化交互技术、物联网技术、VR技术进行研究突破和综合集成，实现基于VR技术的逃险演练系统研发。

图1　基于VR技术的逃险演练系统体系架构

逃险演练系统体系架构包括底层的VR、物联网和网络通信硬件环境，以及突发事故演化扩散、交通、复杂网络、案例形式化、预案形式化模型的模型和数据层。案例驱动的逃险演练引擎是系统的核心，包括仿真计算部件和虚拟情景两部分，在特定案例生成的情景下，仿真计算部件通过对模型层计算模型的调用和对数据层数据的导入自动生成虚拟情景可视化展示给系统用户，演练交互界面提供情景展示、可视化交互演练、响应策略选择、应急培训等功能，如图1所示。

2　关键技术研究

2.1　VR体验场景的构建及动作行为

解决灾害模型数字化，根据情景构建一个个VR体验场景和定义人物动作行为，另外还需要创建可以运动和可为训练者交互的动态虚拟物体，以及用于提示正确行为和纠正违法的危险行为的虚拟人物等。

2.2　VR行为检测的算法研究

逃险演练系统需要设计多个场景供体验和训练，通过在不同虚拟场景中利用手柄指使虚拟行走路线和方式，来检验其行为是否违反规则或正常行为。在这里主要需要研究和实现利用操纵杆对虚拟人的行走方向和虚拟摄像机运动方向进行交互控制。

2.3　移动炫耀问题研究

同PC和移动端游戏不同，VR重视的是沉浸感，所以移动这种最基础的功能却变成了比较难处理的部分。如果移动处理不当会造成沉浸感的破坏，或者移动时视觉眩晕，通常采用定点传送或者外设手柄控制人物的移动，但在人物的蹦，跳等行为上面开发具有一定的难度，这会减少了VR沉浸式体验的乐趣，需要在技术上面有较大的突破。

3　逃险演练系统实现

沉侵式VR系统能实现VR环境中的人机交互作用，它包括硬件和软件系统：

3.1　硬件

（1）感应端：感应端包括一对感应器（部署在杆上），一般对角部署，实现对其中间的立体空间进行采集处理传输。

（2）传输渠道：传输渠道包括无线和有线，手柄通过无线传输信号，头盔需要传输大量数据和电量，目前主要采用有线方式。但有线限制了人物在虚拟场景中的行动，这是比较大的局限性，随之硬件技术水平提高，无线头盔将成为趋势。

（3）体验端：VR头盔包括显示和陀螺仪功能，佩戴者旋转头部时身边的场景也在同步变换，体验者如同身临其境般。

图2　带VR头盔和手柄体验者

图3 体验者视觉情景

3.2　软件

使用Unity平台，结合SteamVR、VRTK、_MK等组件，并且利用C#编写功能函数方法，开发出各种逃险虚拟场景（例如图2、图3所示：火灾逃险情景），包括UI、射线、路径、各种渲染、手柄和头显交互反馈等功能。

4　结论

本文讨论了现有的应急演练仿真平台的不足，介绍了研发基于VR技术的逃险演练系统体系架构和关键问题，以及实现途径。研发基于VR技术的逃险演练系统，旨在通过系统情景推演和沉侵式逃险演练，提高正确的第一反应的应急处置能力。研发基于VR技术的逃险演练系统，不仅可以提高逃险演练的科学性，同时也可以降低逃险演练的成本。

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