基于混合现实技术的情景构建应急演练仿真系统应用浅析

李国和 张家坤 李少春 曹南华 王闯

【摘要】    近几年，混合现实技术得到了迅猛发展，在许多行业得以利用。本文阐述了在抽水蓄能电站使用混合现实技术构建灾害事故情景进行应急演练的优势，并以电站建设过程中边坡垮塌灾害事故仿真演练应用为例进行了分析，可探索优化提升抽水蓄能企业的应急处置训练能力的有效预防、及时控制和消除突发危害的方法，指导和规范企业突发安全事件应急处理工作，最大限度地减少参训人员、设备、场所的投入。

【关键词】    混合现实   情景构建    抽水蓄能   边坡垮塌    应急演练

引言：

随着国民经济的发展，国内抽水蓄能事业有了前所未有的发展。同时，在建设及生产过程中，各类应急突发事件时有发生，给建设及生产顺利开展和运作带来了较大的影响，亟须加强日常应急处置培训。然而，在传统应急处置培训的过程中，缺乏有效的手段，导致存在较大的局限性和不足：一是理论学习多，实践经验少;二是经验积累型，培养周期长;三是模拟训练主要是纸上谈兵，操作性不强;四是指挥能力的训练和考核评价，临机性不足;五是时域、空域限制多，实景复原不易实现。

一、混合现实技术的发展应用

混合现实（MR）技术，同时具备增强现实和虚拟现实仿真能力（MR=VR+AR，混合现实=真实世界+虚拟世界+数字化信息），是合并现实和虚拟世界而产生的融合可视环境，在新的可视环境里物理和数字对象共存，并实时互动。

MR技术实现了虚拟场景与真实世界的无缝融合，借助先进的图像处理技术和显示设备生成具备虚实融合特征的可视化环境，实现相异时空场景的嵌入。混合现实技术凭借其解放双手，空间感知，虚实融合，多人协同，远程辅助等前沿优势，在建筑辅助与培训、工业巡检与协同、学科教学与实训、军事仿真与作训等广泛领域取得成功应用。

二、基于混合现实情景构建应急演练的优势

本项目开创性的基于MR情景构建进行应急演练仿真，具有融合真实现实和虚拟现实的进行情景构建的优势，将极有利于应急事故情景的模拟，不仅给受训人员提供更具沉浸感、真实感的演训体验，还可以通过人为控制情景构建，提高事故情景在演训过程中的灵活性，增加演训难度，提升演训效果。

（一）基于情景构建的仿真演练，掌控精准信息

基于情景构建，精准仿真边坡垮塌事故，便捷模拟适配事故各类要素场景及事故处置过程，进行精准训练。并利用混合现实技术虚拟仿真呈现提前预置好的事故情景构建场景，通过MR全息方式引导受训者进行规范化的操作、考核及科学的评价。既解决实景还原，又能提供客户科学的考评体系和规范化的训练，从训练与考评两个方面极大提升实战指挥能力、处置训练和认知高度

（二）前沿科技武装，高效安全训练

解放现场人员双手，使其注意力集中在事故处理训练中，当演练人员佩戴MR头盔进入虚实结合场景后，系统按训练流程推送对应现场环境、设备等参数，投射于演练者面前，队员通过手势操作图像呈现，强化训练过程。

并支持远程协同演练，可通过多人同步现场查看训练过程，亦可通过远程第一人称视角查看训练过程，并实时协同演练并给予指导。

（三）复用成本低，适用便携性强

相比搭建全真实模型，采用MR技术进行培训演练，成本更低，并可适用于各类训练场合，并适合便捷携带至任何地点进行相关训练。

（四）针对性强，提高应变能力

与真实演练相比，仿真演练系统的优势就是可以方便模拟任何培训项目，受训者可以置身于各种复杂和突发环境中，进行针对性训练，提高自身的应变能力。

在虚拟环境中完全不用担心安全问题，可以大胆的尝试各种演练方案，确保受训人员的安全。

三、情景构建应急演练仿真系统组成

开展基于情景构建模的边坡垮塌应急演练仿真研究，在设计与开发上充分考虑抽水蓄能企业的实际业务情况，以多年形成的工作规范和专业经验为基础进行系统建设，使系统具有良好的实用性。系统按照模块化、结構化、规范化的准则进行设计，以达到系统结构具有较强的灵活性、通用性、复用性和可扩充性。

（一）情景构建平台知识库的建设

对边坡垮塌事故进行知识要素分解，将仿真演练要素的规范内容进行分类管理，既可以根据素材类别（三维模型、视音频、文档、图片、其他工程包）进行管理，也可以根据业务类别管理（场地类、NPC类、人物类、车辆类、建筑类、工具类等）管理。针对知识库素材内容进行在线预览、播放、设置标签、生成缩略图等功能。

按应急预案灾害事件I级、II级、III级和IV级，四个级别分级标准，结构化分级要素，进行情景构建仿真要素知识库建设。

同时，知识库中所有内容，可以与其他软件模块进行交换，为后期项目中规划的MR情景构建编辑器、MR作训演练考评软件中，可以直接引用知识库中的内容。

（二）情景构建虚实结合事故仿真

运用MR系统实时空间定位技术，构建出的空间模型能与实际空间中的设备、墙面、地面等真实物件进行虚实结合体验。通过光学传感器提供融合三维全息图在用户所在的真实环境，将计算机生成的虚拟物体和信息叠加到真实的物理环境中，同时与用户所在的真实环境之间的无缝结合，并且不借助任何外部互动设备就能进行有效的互动，以第一视角进行沉浸式增强体验。利用MR技术进行水电站边坡垮塌事故仿真，主要分为两个应用场景，在应对不同的垮塌场景时，事故处置的流程稍微有些不同，在MR终端设置中可按照标准应急预案处置流程进行虚实结合仿真。

1.由洪水、地质等自然灾害引起的垮塌

利用MR技术可模拟出洪水、地震等灾害，通过虚实结合的方式，演练人员可以第一人称视角参与到现场事故处置流程中，参与感强，为实战积累经验，提升事故处置水平。由地质灾害引起的边坡垮塌事故，主要应急处置流程分为：

（1）当由于地质灾害出现边坡垮塌事故时，应第一时间通知附近工作人员撤离。通过MR技术，模拟仿真出事故地点，显示事故地点周边撤离点，触发通知事件，通知相应撤离点人员进行转移安排;

（2）人員撤离后需要对人员进行清点工作，确认有无人员失踪被埋，及时将现场情况通知相关负责人，可通过MR终端设备自带摄像头实时将现场影像回传至指挥中心;

（3）同时，保护好现场，禁止无关人员进入，以免造成二次伤害。通过MR技术的实时空间感应技术，可模拟在现场建立对应的电子警戒围栏，当有人通过围栏时，围栏闪红提示并出现告警音;

（4）收集好现场人员信息后，指派专人进行抢险救援工作，通过MR技术自动匹配合适的救援人员进行自动通知安排任务;

（5）对现场出现的事故进行勘察、评估，制定恢复方案;

2.因支护不当或施工爆破引起的垮塌

由于人为因素造成的边坡垮塌事故，多数是因支护不当或现场施工爆破引起，在进行事故处置时，与自然灾害引发的事故稍有不同。由人为因素引起的边坡垮塌事故，主要应急处置流程分为：

（1）事故发生后，应第一时间通知附近工作人员撤离到安全区域，并组织清点人数，确认无失踪被埋人员。通过MR技术，模拟仿真出事故地点，显示事故地点周边撤离点，触发通知事件，通知相应撤离点人员进行转移安排，并将现场影像实时回传至指挥中心;

2）如现场出现人员受伤或被埋，应立即组织现场救援工作。通过MR技术，可实时显示当前区域可用医疗资源，选择对应医疗资源即可联通对接，实时查看现场影像，说明事件原因、受伤情况等，安排救援工作;

（3）保护好现场，禁止无关人员进入，以免造成二次伤害。利用MR技术的实时空间感应技术，可模拟在现场建立对应的电子警戒围栏，当有人通过围栏时，围栏闪红提示并出现告警音;

（4）对现场出现的事故进行勘察、评估，组织设计，制定恢复方案，采取合适措施进行加固防护，通过MR技术可虚实结合展示方案内容;

（三）情景构建全息诱导应急演练

MR终端通过传感器数据驱动事故报警，当检测到事故时，会通过全息的方式进行提示，如告警音、事故部件闪烁提醒，应急带上MR设备以后，通过报警音效、可视化定位报警，确定事故源，通过MR系统全息指引方式，在空间中展示报警位置，并规划好路径，确保演练人员能尽快到达事故源。

通过MR全息方式对事故处理过程进行全程诱导操作，将标准化的操作流程全息化展现，通过空间定位感知和虚实结合，精确指引演练人员对出事故部位进行故障定位，并通过标准化的电子手册全息进行诱导操作，每一步操作都有相应的动画指引，并配有相应的语音提示，演练人员只需要按照全息动画指引一步步操作即可完成故障的处理，即使是新手也很容易上手操作，极大提高了培训效率。当演练过程中有错误操作时，系统会给出相应的判断，通过报警音效、画面频闪等方式进行警示，实时警示。

四、结束语

基于情景构建的边坡垮塌应急演练仿真，通过MR仿真的形式，重现事故现场场景，操作人员以身临其境的感官体验，进行相应的实操性的应急行动，从而能较真实形象的锻炼应急处置人员的组织指挥能力和临场处置能力。该项目建设完成后，将具备各类灾情知识体系拓充能力，支持情景构建场景还原、事故仿真编辑、情景构建作业流程设置和指挥考核体系自定义的标准化。并通过编辑仿真场景，配置情景构建作业流程，调用情景构建处置方案，进行规范化实操指挥训练的能力;并可输入考评体系数据，开展指挥作业的能力考评，关联考评指标任务，完成能力评价。从而提升应急处置人员对于事故的认知能力和事故现场排兵布阵、人员调动、现场控制及处置水平。

作者单位：李国和    国网新源控股有限公司

张家坤    山东潍坊抽水蓄能有限公司

李少春    国网新源控股有限公司

曹南华    王闯    山东潍坊抽水蓄能有限公司

参  考  文  献

[1]杨官霞. 抽水蓄能电站事故演习及培训系统设计[D]. 浙江工业大学， 2011.

[2]芦倩，朱朝阳，于振，等.虚拟现实技术在电网应急演练模拟系统中的应用[J].电力信息与通信技术，2015，13（3）：7-11.

[3]王国栋，任钢.基于虚拟现实技术的应急推演沙盘系统的设计和实现[J].软件，2012，33（8）：23-27.

[4]闫瑞杰，李海香，苏华莺，等.情景模式背景下电力应急演练仿真平台研究[J].电子测试，2016，（23）：95-96.