基于MVC模式的大型港口油料消防演练虚拟仿真系统

易祥烈， 鲁梦昆， 孙兆龙

(海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033)

0 引 言

港口作为舰船油料补给的集中地，储油量大，管路复杂，存在较高的安全风险，一旦发生火灾等事故，灾害危险性和救援难度会较大，加强港口油料消防技能训练是增强灭火救援效果的重要途径。目前，港口油料消防培训仍以实操为主[1]，存在投入大却难有成效的问题。虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术发展迅速，在教育、科研、军事、医学、工业生产等领域已得到广泛应用[2]。一般的虚拟仿真系统主要围绕个别典型火灾情形进行设计，针对大型港口系统化的油料消防演练虚拟仿真系统较少，主要原因是需要考虑的因素较多，软件规模过于庞大，难以系统化构思设计。针对此问题，研究基于模型-视图-控制器(Model-View-Controller，MVC)模式[3]分层结构设计实现程序的模块化，为大型港口油料消防演练虚拟仿真系统的设计提供一种新的思路。

1 MVC模式分层结构设计

MVC模式包括3个部分：模型、视图和控制器。模型是指模型表示的业务规则，为多个视图提供数据；视图是指用户看到并与之交互的界面；控制器则接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求，负责接收请求并选择对应的模型去处理请求，然后选择视图显示返回的数据。

MVC模式分层结构设计对虚拟仿真系统中的显示、数据和算法进行分离，并按照一定的规则划分为仿真部分、场景部分和交互部分。MVC模式的优点包括耦合性低、重用性高、生命周期成本低、部署快、可维护性高和利于软件工程化管理等[4]。大型港口油料消防演练虚拟仿真系统采用具有组件式架构的UE4引擎实现，根据MVC模式分层结构设计将系统软件按照系统功能划分为训练管理子系统、模型仿真数据库、训练导调子系统和模拟训练子系统，在模型仿真数据库下建立训练场景库、装备设施库、特效库、角色库，组成仿真系统资源层。在此基础上，开发预案想定、预案推演、态势显示、数据记录、辅助评估、导控评分等操作应用，各部分均为分离工作，保证软件模块的通用性和复用性。系统在数据服务总线的支持下进行联网工作，数据服务总线通过角色数据同步服务和虚拟现实周边网络(Virtual Reality Peripheral Network，VRPN)服务为各子系统提供数据支持。在仿真计算服务器的支持下，建立事故联动发生逻辑、人机交互逻辑、评估逻辑等基于事件驱动的仿真模型，形成仿真系统软件系统的应用层。系统结构关系如图1所示。

图1 基于MVC模式分层设计架构的大型港口油料消防演练虚拟仿真系统结构

在功能设置上，系统可实现预案想定生成、预案验证、实时干预控制、训练回放、态势显示、数据记录、训练复盘评估、机器评分、虚拟实体操作、人工智能(Artificial Intelligence，AI)实体等功能，实现指挥中心(值班指挥员)应急指挥、事故现场(现场指挥员)指挥训练、事故处置人员演练(单兵训练及分队协同训练)等3级处置训练，满足基础训练、模拟训练、预案推演、训练考核的系统功能要求。

2 子系统功能

2.1 训练管理子系统

训练管理子系统提供知识库管理、训练计划的制订与发布、理论及模拟训练考核、综合评分、训练成绩记录与分析、参训人员管理、系统权限管理等功能，可对参训人员进行理论知识、操作、模拟训练考核与评分，系统管理员可对用户及权限进行管理。用户通过该子系统对训练的不同阶段、不同科目、不同场景、不同训练内容进行全生命周期管理。训练管理子系统包括知识库管理、训练计划管理、训练考核评估、系统管理等模块。知识库管理模块分为基础知识库管理、专业知识库管理、应急处置知识库管理、理论知识题库管理等4类；训练计划管理模块分为单兵训练计划和协同训练计划；训练考核评估模块分为油料补给操作考核评估、消防设备操作考核评估、单兵应急处置操作考核评估、现场指挥考核评估等4类；系统管理模块分为人员数据库录入和人员权限管理。

2.2 模型仿真数据库

模型仿真数据库子系统内设训练场景库、装备设施库、特效库、角色库等数据储存与管理模块，提供训练场景、装备设施模型、特效模型、角色模型等模型数据的存储与管理。该子系统是根据项目需求建设的一个动态的项目资产库，不仅保存三维模型、模型参数、场景、贴图材质等静态数据，而且保存代码、伪代码、仿真模型和交互模型等动态内容。

模型仿真数据库中的模型按照模型属性主要分为静态模型、动态模型、交互模型和模型附加资源等4类。静态模型是指在突发事故应急处置任务场景中不会发生变化的模型，如道路、植被、设施、器材等。动态模型是指在上述场景中具有运动特征的模型，运动机制包括刚体运动模型和骨骼动画模型。交互模型是指在上述场景中与操作者发生交互并可将信息反馈至操作者的模型，如可开合的门、可拾取的装备、可乘坐的车辆及舰船等；交互模型在三维环境中通常通过蓝图类实现，交互的主要逻辑是获得物体的实例然后调用对应的反馈函数，用继承或接口实现。模型附加资源是指模型的材质与贴图等资源。

2.2.1 训练场景库模块

训练场景库模块主要模拟油料消防事故场景、自然灾害事故场景、油料泄漏事故场景、战损事故场景等4类典型事故场景。油料消防事故场景包括燃油泄漏事故、常规性火灾事故、爆炸性火灾事故、流淌火事故、油罐爆燃[5]事故、油罐破损引起的超大型燃油泄漏事故、油罐爆炸引起的超大型火灾爆炸事故、海面漏油事故等。自然灾害事故场景包括山火、台风、雷暴、暴雨、地震及其他港口类专项训练科目规定的场景等。油料泄漏事故场景包括管线破损导致的油料溢流、管线破损导致的油料喷射泄漏、储罐油料溢流、储罐破损导致的油料喷流、油料泄漏造成的海洋污染等。战损事故场景包括在战争状态时受到武器打击后的各种管线、储罐等设备设施的战损情况。

2.2.2 装备设施库模块

装备设施库模块主要包括建筑体系、道路及植被、交通工具、装备器材等类别，用于构建任务场景及实施虚拟应急处置训练。建筑体系包括油库建筑模型、港口设施模型、指挥中心模型、住宅模型等，根据项目建设需要，对港口、油库、指挥中心模型依据实际的完整建筑体系布局和真实地形数据库进行仿真，对指定重要场所的室内基础建筑和电子设备进行高仿真建模，支持虚拟实体进入指定建筑物并与指定建筑物设施及电子设备进行交互，典型建筑物模型的构成要素和纹理贴图以数据形式储存在模型工具库中，支持直接从模型工具库中反复调用，系统预留编辑修改和操作接口，方便针对后期演练所需要的场景进行自定义修改。道路及植被主要以港口为中心，构建港口内部专用道路、周边道路及地形表面的草木等场景元素。

2.2.3 特效库模块

特效库模块主要包括火灾爆炸特效、油料泄漏特效、自然灾害特效、环境条件特效等4类。火灾爆炸特效包括火焰燃烧、爆炸、爆炸蔓延等。油料泄漏特效包括烟雾、海水污染、空气污染等。自然灾害特效包括山火、台风、雷暴、暴雨、地震抖动等。环境条件特效包括云、雾、风、雨、雷电、潮汐、昼夜等。特效仿真包括自身变化仿真和连锁反应仿真，连锁反应仿真是在特效仿真的基础上根据不同事故等级进行的事故叠加与增强。

2.2.4 角色库模块

角色库模块包括虚拟实体和AI实体两种模型数据，系统可支持多达200人的角色运行。加油员、物资搬运员、灭火员、现场指挥员、指挥中心指挥员等角色不仅可由参训人员进行操作驱动，而且可由AI实体代管。训练场景中的消防员、医生、驾驶员、后备人员、普通群众等非核心人员角色统一设定为AI实体，其根据环境变化和接收的指令作出相应反应，满足虚拟仿真训练系统中的单兵、协同、指挥各级应急处置演练任务。

2.3 训练导调子系统

训练导调子系统提供导调控制、预案推演和态势显示功能，并在电子沙盘上进行显示。训练导调子系统是确保训练正常有效运行、实现人与系统交互的关键系统模块，对虚拟仿真系统进行导演、运行管理和控制，使系统按照设计模式运行。该子系统针对训练中的难点重点问题进行系统设计，通过训练导调控制解决在应急指挥集中、环境复杂严酷、整体性强、合成性强等方面的问题。

2.3.1 态势显示模块

态势显示模块在导控台的工作站上提供电子沙盘功能，主要通过虚拟仿真引擎实时计算虚拟实体在场景中的运行轨迹，与场景信息融合后形成综合态势，可实时同步向现场处置人员呈现，支持二维态势及三维态势显示并支持图上作业。向指挥员显示受训人员、车辆和舰船等二维态势的运动轨迹，在电子沙盘上可实现电子地图的区域放大、缩小、复原、拖动等交互功能。三维态势是以第一人称视角漫游等监控模式在导控台指挥员工作站上分屏实时显示的各类仿真实体的行动和状态，构建逼真的三维虚拟场景，向指挥员呈现多角度的应急处置态势，为其快速反应与实时干预提供技术支持。

2.3.2 导调控制模块

导调控制模块提供实时干预功能，使指挥员具备多种进程控制和人工干预手段，对虚拟仿真演练的进程实施干预，主要包括：时间设计，按照不同仿真步长对虚拟仿真训练进程进行加速、减速、暂停操作；自然环境条件及灾害设置，可设置和调整风向、风速、潮汐、雾等各种气象水文情况和威力等级，生成台风、雷电、暴雨等自然灾害和战损情况；条件设置及兵力设计，按照演练需要干预事故损失结果、调整装备设施参数、临时增添后备人员等；实时指挥功能，及时响应油库、港口指挥中心的指令，模拟向上级进行报告，模拟向周边发出警告，通过语音喊话或发送文字指令对单兵及分队的训练实施动作进行实时指挥，实现训练内容的动态调整。

2.3.3 预案推演模块

预案推演模块可供指挥员对油料补给突发事故所涉及4类突发事故场景下的环境设计、兵力设计、灾害设计、初始状态设计、行动线路设计、自然环境条件设计、演练时间设计等要素的任务想定配置，完成方案的推演、评估、验证与发布。

2.4 模拟训练子系统

模拟训练子系统提供基础训练、单兵训练、协同训练、自定义训练等功能，利用这些功能开展模拟仿真训练，主要包括基础训练、单兵训练、协同训练、自定义训练、辅助功能和视景显示等模块。基础训练模块为参训人员提供油料补给与消防基础知识，消防设备使用及维修专业知识，应急处置基础知识及案例等理论知识的学习。单兵训练模块是指在系统提供各种AI实体的支持下，参训人员独立完成不同事故场景中的模拟训练。协同训练模块是指在同一事故场景下，各分队成员之间进行协同训练。模拟训练子系统在对具体的科目训练组织上同时满足单兵训练和协同作业训练两种组训方式，并可灵活组合。

2.4.1 基础训练模块

通过基础训练模块，参训人员可根据训练计划或自行选择学习内容，油料补给及消防基础知识、消防设备使用及维修专业知识、应急处置基础知识及案例的学习形式以文字教材、视频、动画、PPT为主。该模块可记录参训人员学习时间、学习内容等学习数据，提供试题库自测功能，使参训人员可查找理论知识掌握的薄弱环节，有针对性地补强。

2.4.2 单兵训练模块

单兵训练模块依托仿真支持系统综合运用VR技术、3D仿真技术及操纵杆、VR眼镜、可穿戴设备等，为单兵提供PC端和VR眼镜端两种不同的训练环境，支持开展在不同事故等级下典型事故环境中的应急处置模拟训练，如应对油料消防要求的燃油泄漏、常规性火灾、爆炸性火灾、流淌火事故、油罐爆燃、超大型燃油泄漏、超大型火灾爆炸、海面漏油等事故，应对防灾害训练要求的防山火、防台风、防抗雷暴、港口类专项训练等内容，应对油料泄漏要求的管线油料溢流、管线油料喷射泄漏、储罐油料溢流、储罐油料喷流、海洋污染等，应对战损情况下的管线战损及储罐战损等情况，使受训人员熟练掌握专业基础知识、装备操作技能、事故应对处置流程等。

2.4.3 协同训练模块

协同训练模块按照油库指挥中心的室内布局进行指挥作业环境的构建，使指挥员具备实时干预模拟训练进程的能力，如与上下级进行通信、多角度多模态监控、二维/三维态势显示及交互等，同时支持目标指定、距离测算、损失评估等功能，为指挥员提供导调决策依据。

在训练场景中，参训人员可自由移动并收听虚拟场景中的各种环境声效，按照任务要求携带或装备角色制订类别的应急处置装备及相关设施，根据角色权限，可进入指定建筑、设施、船舶内部，可指挥、驾驶和搭乘指定交通工具。在处理各类应急事故的过程中，参训人员控制的角色根据自身装备防护情况、灾害附近不利位置及其他类型危险因素，会受到指定数值的伤害，最后导致重伤或死亡。在AI实体的支持下，可对由AI实体驱动的普通群众角色下达集结、引导、疏散的命令，群众角色作出相应反应。参训人员可通过台位的耳机、麦克风进行异地点对点语音无线通信，在指定范围内可面对面谈话与旁听，通过耳机可实时收听油库、港口广播，以便及时对上级指令和分队人员的交流作出正确反应。通过上述功能的支持，参训人员可在复杂困难环境下协同训练，达到协同模拟训练的目的。

2.4.4 辅助功能模块

辅助功能模块提供对模拟演练的过程数据进行采集、记录的功能。系统将全程采集记录演练训练过程中的参训人员行为，包括语音信息、文字信息、台位界面显示信息、台位操作记录等，在自动记录过程中支持指挥员人工实时插入演练关键事件的相关文字描述或注释，按时间顺序存储记录在指定的关键事件列表中，支持事后检索和关键字查询，以提升复盘评估的时效性，并为参训人员的总结讲评、指挥员的考核评分提供依据。

2.4.5 视景显示模块

视景显示模块负责二维/三维信息的输出管理，参训人员通过VR技术进行训练场景交互，同时该场景以大屏幕显示，使指挥员及观众可通过大屏幕观察参训人员的操作流程和训练状况，另外电子沙盘为指挥员提供实时干预接口。

3 数据服务总线

数据服务总线提供可靠高效的网络服务，保证系统在多人联机状态下的可靠运行，其作用是连接虚拟空间、实体空间和仿真空间。数据服务总线如图2所示。角色数据同步服务实现训练用户和AI实体在场景中的数据同步，主要功能包括管理客户端的接入控制，对客户端进行上下线的心跳检测，在各分系统中统一时钟的时间校对，在协同训练中分组组队的团队管理，AI实体的生成、消灭和同步等计算机生成兵力(Computer Generated Forces，CGF)管理。VRPN服务主要实现服务器、各客户端、各子系统之间的时间同步、空间同步、交互同步[6]，通过标准接口支持实物与半实物仿真器、刚体设备与输入输出设备虚拟化接入，打通虚实空间的关系，实现虚拟空间与实体空间的一致化操作，满足VR训练高帧率、强交互的需求。

图2 数据服务总线

4 结 语

分析大型港口油料消防演练虚拟仿真系统的MVC模式分层设计结构，将复杂的全局系统划分为多个子系统，逐一介绍其功能模块。结果表明，MVC模式分层设计结构利用控制器将模型与视图分离，降低三者之间的耦合度，使该系统具有逻辑结构清晰、功能划分有序的特点，有助于开发人员分工协作，提高开发效率，增强系统程序的可维护性和可拓展性，为其他大型港口消防演练虚拟仿真平台的研制提供借鉴。