基于NFC物联网的虚拟现实防洪应急演练云平台的研发与应用

张 盈，张仁贡，吴钦华

(1.浙江同济科技职业学院，杭州 311231；2.浙江禹贡信息科技有限公司，杭州 310009；3.苍南县桥墩水库管理处，浙江 苍南 325806)

0 引 言

按照《中华人民共和国水法》、《水库大坝安全管理条例》以及国家防洪应急救援相关法律法规，每年大中型水库都要开展防洪应急演练，传统的防洪应急演练的缺陷主要在于：①时间长。防洪应急演练前期需要做长时间的准备，需要实际准备防洪应急演练所需的各种物资、材料、场地等。②成本高。很多防汛物资一次性消耗，同时需要组织相应的人力物力，耗费相当多的经济成本。③效果差。由于防洪应急演练缺少趣味性、互动性、竞赛性等科目，以应付为主，达不到预期的效果。④现代化缺乏。未采用一些现地技术的融合，达不到防洪应急演练先进性、现代化的要求。为了解决上述问题，在应急演练领域，随着虚拟现实技术、物联网互联网等技术的发展，国内很多学者在这方面有了诸多的研究。河南大学李森[1]2015年在硕士毕业论文《虚拟现实系统ViWo中的数据可视化和应急演练》中，论述了一种在ViWo系统中利用外部大规模数据嵌入式开发，实现了应急演练的可视化展现和交互，但数据存储、APP互交及后期升级方面存在困难。燕山大学刘鹏博[2]在其2016年硕士论文《基于虚拟现实技术的应急演练系统设计与开发》中研究了基于遮挡剔除算法的k-d树遮挡查询优化算法的虚拟现实应急演练系统，但属于设计和开发阶段，项目设计和案例应用存在诸多不足。同时，国内诸多学者在交通、军事、电力等领域，对虚拟现实技术进行研究和应用，如北京交通大学的马骏博士[3]将虚拟现实技术应用到应灾导航。燕莉等[4]学者将虚拟现实技术引入的军事领域的作战演练中；霍闻军[5]将虚拟现实技术应用到电力应急抢修演练, 中国海洋大学程强伟[6]将虚拟现实技术应用于石化消防等。蔡苏等[7]则将虚拟现实技术应用于应急类教学。这些研究为笔者开展水利领域的防洪应急演练提供了很好的参考借鉴价值。目前专门将虚拟现实技术研究应用到水利工程防洪应急演练的学者很少，笔者团队依托教育部和浙江省水利厅科技课题，结合目前的NFC技术、VR技术、APP技术、物联网技术、无线通信技术、移动通信技术、云技术、云数据库技术等先进技术，开展研究开发工作，利用虚拟现实技术和物联网技术，使水利水电工程防洪演练的成本大大降低，且更具有趣味性、互动性、竞赛性、先进性等。

1 系统构架

本系统主要分为3大部分，由NFC型防洪演练团建装置、虚拟现实应急演练系统和大数据自学习系统组成，最后由防汛应急演练云协同平台进行统筹管理，总体框架如图1所示。

图1 总体框架原理图Fig.1 Overall framework schematic diagram

(1)NFC型防洪演练团建装置。该系统要求手持终端必须具有NFC感应功能[9]，参加防洪演练的团队成员到达某一个场景时，必须在该处通过手持终端NFC感应，在弹出的对话框中完成填表、拍照(语音或小视频)、上传等功能。完成后系统会自动生产路径节点，并将刚才完成的任务上传到云数据库保存。该功能有效地防止团建团队跳跃或遗漏了某一个防洪演练设计场景关口，记录的到达节点时间可以用以后续成绩的统计、计算和自动排名。

(2)虚拟现实防洪演练系统。手持终端安装AR场景APP程序，防洪演练团建团队队长可以打开APP程序，按照设定的路径提示，开展活动。一个AR场景通过APP提示来扫描，通过扫描关口进入后，将在APP中自动获取后台云数据库中的防洪演练试题库，按某种特定的方式出现在界面中，防洪演练团队人员将按照必须完成项目后通关，才能进入下一个防洪演练场景。

(3)大数据管理及自学习系统。该功能将每次演练及防汛物资数据进行存储积累，进行大数据管理，并具有自学习的功能。电脑端有客户端程序，通过界面可以设置云数据库用户、密码及用户权限；生产AR感应码，用以增加、修改或删除AR感应卡的数目；生产NFC感应码，用以增加、修改或删除NFC感应卡的数目[10]；后台管理功能还包括试题库管理、AR点位配置及AR场景内容管理、AR路径管理、防洪演练人员的名单管理、每次活动的成绩管理、自动排名及打印等。通过数据积累，进行自学习，为下次防洪演练的改进提供决策。

(4)防洪应急演练云协同平台。该平台主要将以上三个子系统进行协同。当防洪演练团队队长NFC扫描记录后，通过APP程序完成通关，关口通关，现场团队各个人员就可以通过现地控制单元(LCU)的触摸屏[11]，用自己分配好的用户名和密码登录现地平台，现地平台与单片机链接，平台中将出现该场景的实训内容，必须充分观察和了解现场的知识后，才能准确无误地完成平台界面出现的提问。完成防洪演练提问后，每个人可以提交自己的答案。每个团队成员登录后出现在平台上的防洪演练试题将不相同，需要独立完成后或团队其他成员协助完成。团队成员所完成的所有试题及答案将通过无线网络传输到云数据库，直至后台[12]。

2 关键技术

作为一个综合诸多高端技术为一体的实用型防洪演练云系统，它所涉及的技术很多，一些通用技术如基于云服务的数据库开发技术、基于现地LCU的流程化开发技术、基于Android的APP开发技术等本文不作详细介绍。本文着重介绍NFC型防洪演练团建装置研发技术、虚拟现实防洪演练系统研发技术、大数据管理的自学习系统算法技术、防洪应急演练云协同路径优化决策路径技术[13]等。

2.1 NFC型防洪演练团建装置研发

NFC型防洪演练团建装置(专利号：201821906021.X)由VR感应码、NFC感应芯片扣、单片机、无线数据发送装置、触摸屏装置、微型变压器、电源接口、塑胶盒、橡皮吸附盘，手持终端等组成，可以很方便吸附在某一场景内，通电即可使用，原理图见图2。

图2 NFC型防洪演练团建装置原理图Fig.2 Overall framework schematic diagram

外部配合系统包括台式电脑管理机、激光打印机和云服务器组成。台式电脑管理机和激光打印机采用并行接口数据线链接，台式电脑管理机与云服务器采用无线通信链接。激光打印机可以打印VR感应码。

NFC型防洪演练团建装置的外壳采用了长50 cm、宽35 cm、高10 cm的正方形塑胶盒，盒子中央靠下方，挖出一个长30 cm、宽30 cm的口，刚好可以嵌入触摸屏装置。具有NFC感应功能的圆形小芯扣(在电子市场上可以买到，半径1 cm左右，具有感应码)，在塑胶盒正面中央上方挖出一个小孔，用胶水将NFC感应芯片扣贴在盒子内侧，芯片中央对准小孔，便于手持终端靠近感应。手持终端必须是具有NFC感应功能的APP程序化手机，可以在10 cm距离范围内靠近感应NFC感应芯片，手持终端通过移动数据通信与外部配合系统的云服务器通信链接。装置内部的NFC感应芯片扣通过数据线与单片机RS485接口链接，单片机与触摸屏装置采用VG线通信接口链接，单片机与无线发送装置采用网线链接。单片机可以通过无线数据发送装置与外部配合系统中的云服务器进行无线数据通信。无线数据发送装置上插有移动数据卡，可以通过移动数据网络发送数据。触摸屏装置和单片机都与微型变压器采用普通双绞导线链接，微型变压器与电源接口采用普通双绞导线链接。NFC感应芯片扣、单片机、触摸屏装置，微型变压器、电源接口都安装在塑胶盒内，采用螺丝固定并采用万能胶加固。各种线路，包括数据线、VG通信线、RS485串行线、普通双绞导线、网线等都整齐布置在塑胶盒内部，电源接口布置在塑胶盒右下方开口处，并部分突出到外部，便于电源线链接到电源插座。本系统利用NFC技术，结合基于Android的APP开发技术，采用了基于SaaS互联网+架构的新型软件架构模式[14]，在移动终端开发APP，实现了靠近NFC卡感应即触发，通过读取现场NFC的感应代码，触发3个触发器[15]，其工作流程如图3所示。

图3 NFC感应物联网技术Fig.3 NFC induction internet of things technology

从图3可知，触发器1将触发登录界面，启动APP应用程序，以便登录人员完成任务，并将完成任务数据传输到云数据库；触发器2将触发GPS定位，记录定位，自动绘制路径，传输到云数据库；触发器3将触发时钟，将时间信息进记录并传输到云数据库中；所有数据将可以到达后台电脑程序进行处理。

2.2 虚拟现实防洪演练系统研发

增强现实(Augmented Reality，简称 AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。本系统采用AR技术，结合场景现实照片及其他特色素材，预先利用后台程序，导入到云数据库中，数据流图如图4所示。

从图4可知，后台程序生产AR感应码，AR感应码与数据库素材一对多关联，由打印机打印AR感应码， 贴在装置外壳特定的位置。每个AR感应码对应一个场景，一个场景对应多个素材，每个素材对应一个或多个云数据库中的问题，同时实现了随机抽取功能。场景信息保存在云数据库的云场景库中，素材存储在云数据库的云素材库中，问题库则存在云问题库中，所有的云数据库皆由后台计算机程序统一调度[16]。

图4 AR技术数据流图Fig.4 AR technical data flow diagram

2.3 大数据管理的自学习系统算法

研究和实现基于大数据和深度学习的防汛演练自学习算法。首先根据历史数据(防洪演练的人数、成绩、通关频次、天气特征等)，拟采用深度残差神经网络进行有监督的特征提取，有效提取不同区域，不同环境下发生汛情对应的防汛物资消耗的历史数据特征和汛情特征。深度残差神经网络具备深度神经网络中卷积、池化、非线性激活操作，提高了其非线性、抽象描述能力，并且通过“跳跃连接”避免网络学习恒等映射[17]，使得更深层次的网络结构在训练时不产生额外的参数。在提取出底层特征后，需要采用标记分布进行逼近学习，项目所面临的更多是多个变量的标记分布问题，先用多变量标记分布方法给出样本汛情对应的底层特征标签分布，再采用JS度量衡量标准的标记分布和模型的预测标记分布之间相似程度来构建分布式学习模型，JS度量值可表示为：

(1)

式中：P和Q为两组离散的概率分布，P(p1,p2,p3,…,pn) ，Q(q1,q2,q3,…,qn)。再通过对回归结果的标准进行拟合[18]，以拟合误差作为防洪演练终止的约束条件。

把防洪演练样本通过训练好的模型来预测它们对应的标记分布，根据预测标记分布的结果，按照以一定的条件，选出可用样本。对选定的样本，根据其对应的汛情把它们划分到不同的子集合中。然后，对每一个划分好的子集，根据该子集中样本所对应的标记分布，采用JS散度作为度量标准，用内点法进行标准差拟合，由此获得不同子集上样本标记分布的标准差，根据获得的标准差为样本进行对应的标签重新生成标记分布，并由此更新训练集。不断重复迭代上述多变量标记分布学习和标准差拟合两个过程，直到满足终止条件为止，则完成回归模型的建立。根据当前数据和建立好的回归模型，输出预测结果并进行报警结果，从而实现科学合理的防汛物资储备。

2.4 防洪应急演练云协同路径优化决策路径

令Rik表示大中型水利工程的防汛物资仓库编号为i的防汛物资k的存储量，Wijkv表示在防汛车辆v上防汛物资仓库i分配到防洪应急救援点j的防汛物资k的数量。考虑到物资仓库i分配到所有防洪应急救援点的防汛物资k数量不超过防汛物资仓库i的防汛物资k的存储量，则防汛仓库物资存储量约束为：

(2)

为了避免浪费和有效利用防汛物资，则要求所有仓库到救援点j的防汛物资k的数量不超过防汛应急救援点j对防汛物资k的需求量，则物资需求约束为：

(3)

由于每一辆防汛车辆的运输能力有限，即车辆的防汛物资运输容量不超过其最大运载能力，且为了快速充分利用车辆进行运输，车辆的防汛物资运输容量应大于一定的阈值，则车辆运输约束为：

(4)

根据 GIS 系统和洪灾分布情况，可确定两个位置之间能避开洪灾淹没道路的最短路径。根据同一个车辆上各种防汛物资需要到达的各个救援点位置，采用最近邻算法计算遍历所需要到达救援点的移动路径，从而获得该车辆到达各个救援点的移动路程Pijkv和到达时间tijkv=Pijkv/v，其中v表示防汛车辆行驶数量。由于应急救灾现场对各个防汛物资的送达时间要求不一致，因此运输时间约束为：

max(tijkv, ∀i,v)≤Tjk, ∀j,k

(5)

式中：T表示应急救援点j对防汛物资k的需求时间。则防汛物资满足率模型是尽可能满足救援点对防汛物资的需求，即：

(6)

式中：Bkj表示救援点j对防汛物资k的需求量。同时，考虑公平的分配防汛物资，则需要尽可能使每一个救援点的物资满足率方差最小。

(7)

式中：Ratj表示救援点j的物资满足率，则需要：

(8)

式中：NJ表示救援点j的个数。

由于防汛抢险资源的调度是实现险情快速准确处置的前提条件，如果防汛物资不能在第一时间抵达现场，将导致抢险方案实施困难。因此需要让防汛物资的平均调度时间尽可能小。

(9)

式中：NI表示储备仓库i的个数；NK表示防汛物资的个数；NV表示车辆的个数。

则根据多目标函数，对每一个目标函数值进行归一化，并采用引入 3 个因子x1,x2,x3，确定3个因子的取值。最终建立车辆数量充足的调度优化模型：

(10)

式中：Byu表示防汛物资需求归一化阈值；Ryu表示物资满足率方差归一化阈值；tyu表示平均调度时间归一化阈值。

虽然标准粒子群算法可求解优化模型(10)，但是随着迭代次数的不断增加，有可能收敛到局部最优解。混合粒子群算法摒弃了传统粒子群算法中的通过跟踪极值更新粒子群的方法，而是引入遗传算法的交叉和变异操作，可较好的搜索最优解。因此采用修正的混合粒子群算法求解优化模型，即针对模型，研究个体编码、适应度值计算、交叉操作、变异操作、粒子修正等步骤，获得车辆数量充足下的防汛物资调度方案，指导存储仓库准备防洪防汛物资数量，并将上述计算嵌入到虚拟防汛系统平台中，用以协同管理各个子系统。

3 系统应用

桥墩水库矗立在美丽的温州地区苍南县，是一个大中型水库综合管理单位，有水库、水电站、灌区、饮水水源地等，每年都要开展防洪演练。桥墩水库建设有温州市苍南县水电科普基地，利用该场地安装AR_NFC型防洪演练团建型装置，可以很好地开展虚拟防洪演练工作，设本次水库管理单位共有40个员工参加虚拟防洪演练，一位指导教官。员工通过分组，8人一组，为5组，分别取名为铁骨队、汛安队、灭洪队、先锋队和平安队。每组尽量男女比例均匀，将安装有APP的NFC手持机分给每个小组1台。指导教官备课时，将该装置提前到室外场景，本次场景为水电科普基地的防洪教育区，选择了6个场景，在馆中安装好6个NFC型防洪演练团建装置，因为采用便携式装置，安装非常容易，将装置吸附在场景的离电源近的地方，插上插头通电即可。

可以开启办公室台式电脑管理机，台式电脑管理机安装有后台防洪演练管理程序软件，该软件由发明人采用ASP.net语言的Microsoft.NET ADO.NET Framework 3.5组件[19]开发而成，主要用来管理云数据库、生产AR感应码等后台管理功能。可以取不同的字“禹”、“舜”、“尧”或者大禹治水不同时期的照片，上传到台式电脑，台式电脑客户端程序采用visual basic.NET可视化语言开发[20]，作为AR感应码的一部分，AR感应码保存在云数据库中。云服务器中安装有防洪演练云数据库，该数据库由发明人设计，可以通过台式电脑的后台防洪演练管理程序进行修改或删除。通过云数据库中的防洪演练数据库，设置不同场景所要完成的任务，这些任务将远程派发到现场电脑触摸屏装置。员工进入后，按照手持机APP中预设的团队任务，到达每个场景时，先要到装置上感应NFC芯片，记录到达的时间、GPS路径等信息，再通过扫一扫AR感应码，认证通过后，进入APP登录界面，然后完成团队任务。网络链路及数据传输应用原理如图5所示。

每年汛期开始时间为4月15日，一般选择3月份开展防洪演练工作，案例水库3月份共开展了12次，在管理系统中，可以统计参与人员总数、任务数、平均错误率、未完成任务等，由大数据模型分析统计排名，同时系统将提醒队伍下次的优化路径，经过演练人员的素质逐步提升，错误率明显降低，总体来看，铁骨队成绩最优，平安队成绩最差。如图6所示的界面。

图6 防洪演练虚拟现实团建管信息系统界面Fig.6 Flood control practice virtual reality group construction management information system interface

在APP中根据提示完成任务，这些任务都是这堂课所要掌握的一些知识点，完成后提交，正确后才可以通关。可以通过手机GPS定位记录完成任务的路径，通过触摸屏完成相对应的任务。触摸屏链接的单片机中安装有防洪演练的任务程序，便于参加团建的各位员工完成防洪演练任务，并可以将完成的任务提交到云服务器。这样一来，各个团队从科普基地入口到达出口的时间将会不一样。同时云数据库统计团队的任务完成错误次数，错误率等，形成综合评分，最终得出团队的名次。

4 结 论

实践应用表明，该NFC型防洪演练团建型教学系统能够有效地完成防洪演练任务，得出如下结论。

(1)节约成本。通过虚拟模拟技术，将存储物资通过场景模拟，通过优化计算，实现了成本的节约。

(2)效果好。通过闯关的形式实现了防洪演练的竞赛、竞争、积分、奖励等环节，再结合实际演练操作，激发员工的积极性，增加了防洪演练的趣味性，效果比传统好很多。

(3)先进性高。该系统将先进的NFC技术、VR技术、APP技术、物联网技术、无线通信技术、移动通信技术、云技术、云数据库技术等结合在一起，使该系统具有一定的先进性。

目前，该系统还没有对接视频、对讲、现场场景采集等功能，这些将作为下一步升级和研发的任务。