基于VR的左排渡槽洪水漫溢险情应急演练培训系统

谢歌 仝晓阳 杜江岳

摘  要：左排渡槽洪水漫溢是一种因持续降雨而导致的水灾害现象，发生时可能会影响南水北调中线工程总干渠正常输水，对建筑物和渠道造成一定程度的损害，危及下游村庄企业人员的人身安全。为了在灾害形成初期进行相应的处置，降低灾害进一步演变的可能性，使用Unity3D引擎开发左排渡槽洪水漫溢险情应急抢险虚拟演练培训系统，通过剧情演绎将抢险流程展现给用户，使用户能够沉浸式地体验险情并能够知晓在当时情况下应采取何种举措。实验结果表明，基于VR的演练培训系统能够提高巡检人员应对突发事件的能力，对洪水漫槽入渠灾害的预警防治具有重要意义。

关键词：Unity3D；虚拟应急演练；虚拟现实

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）05-0156-04

VR-based Emergency Drill Training System for Flood Overflow of Left Aqueduct

XIE Ge， TONG Xiaoyang， DU Jiangyue

（School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou  450046， China）

Abstract： The flood overflow of the left aqueduct is a kind of water disaster phenomenon caused by continuous rainfall. When it happens， it may affect the normal water delivery of the main canal of the South-to-North Water Transfer Project， cause some damage to the buildings and channels， and endanger the personal safety of enterprises in the downstream villages. In order to deal with the disaster at the early stage of its formation and reduce the possibility of its further evolution， the Unity3D engine is used to develop a virtual emergency drill training system for the flood overflow of the left aqueduct， and the rescue process is presented to users through scenario interpretation， so that users can experience dangerous situations immersively and know what measures to take under the current situation. The experimental results show that the VR-based drill training system can improve the ability of patrol inspectors to deal with emergencies， and is of great significance for the early warning and prevention of the disaster of flood overflowing into the channel.

Keywords： Unity3D; virtual emergency drill; virtual reality

0  引  言

南水北調中线工程沿线城市众多，沿线人口密集，已成为其沿线城市生活用水及农业用水的重要来源。南水北调中线工程是国家水网的重要组成部分，是保障沿线居民生活及工农业用水、修复和改善周边生态环境、推动城市生态文明发展、支撑沿线经济可持续发展的重要支柱。因此，一旦工程运行时发生滑坡失稳、洪水等自然灾害，或设备损坏等硬件破坏情况，会影响工程的输水工作，甚至会危及人民生命财产安全，造成重大经济损失和社会危害[1]。

在工程日常运行中，工作人员主要通过安全监测系统、中线工程巡检APP系统等软件对其运行状况做常规检测，但中线工程沿线环境复杂，建筑物种类与构造多种多样，检测系统难以完全覆盖工程区域，一些工程地段仍需巡检人员到现场检测，但由于风险事件种类众多，巡检人员难以对不同的工程运行环境做出正确的判断。适时开展演练培训活动，是提升南水北调中线工程应急保障能力的有效途径之一。

然而，目前的演练培训形式单一，主要有桌面演练、沙盘演练、全面演练等方式[2]，这些培训方法缺乏真实度、内容单一，并且实现困难，难以控制成本，无法让参与培训人员切身体验到灾害现场的真实状况。近年来，虚拟应急演练发展迅速，用户借助VR头盔、手柄等配件置身于虚拟场景中，身体发出的动作能够在场景中得到回应，实现了人体和虚拟仿真系统的结合，可以使用户沉浸式融入虚拟灾害场景中。Unity3D平台作为一款能够带来虚拟可视化体验的工具，目前已经被广泛应用于虚拟应急演练培训中。

随着虚拟现实技术的迅速发展，国内外已有多个对虚拟应急演练应用的开发案例，这些案例覆盖多个应用领域，并能够达到节约时间、可重复使用、培训过程安全、培训效果良好的目标，比如，地铁基坑施工安全教育演练[3]；火灾消防事故应急演练[4]；地铁车站紧急情况应急演练[5]；建筑安全培训[6]等。这些系统使用三维建模软件建立三维模型，再把模型集成到Unity3D引擎或虚幻引擎中开发出可交互的培训系统，实验结果表明，使用基于虚拟现实的系统进行培训均能达到预期效果。

本文在Unity3D引擎上进行开发，使用三维建模技术和虚拟仿真技术构建左排渡槽洪水漫溢险情的发生环境及险情真实特征，还原了从险情发生到险情结束的一系列预案流程。通过虚拟现实技术构建出沉浸式演练培训系统，实现了左排渡槽洪水漫溢典型险情应急方案的预演，能够有效解决传统演练培训形式的弊端，达到良好的培训效果。

1  左排渡槽洪水漫溢险情应急演练系统仿真方法

1.1  系统架构分析

本系统结合应用需求，设计玩家通过物理设备（如键盘、鼠标、手柄）输入信号到物理设备层，实现信号到脚本的转变，在Windows、VR等多平台进行应用。事件层将用户输入信号转换成事件码，系统在视图层显示用户可见的场景内容，其中视图层包括地物模型、天空盒、人物角色模型、抢险物资模型、主要险情等内容。業务层负责整个系统的业务逻辑信息调度。如图1所示。

1.2  应急演练系统流程设计

根据应急预案文本的要求，系统按照发现险情—险情确认—险情上报—应急抢险—险情结束的流程开发。以用户漫游场景时发现灾变险情作为引导，使用户主动发现险情，在对险情进行进一步确认之后做出正确的处置工作。确认险情后应按照此次灾变的工程安全事故等级向上级汇报险情，在上级单位救援之前做出先行处置工作。系统使用一系列前后相关事件引导用户对险情的处置方法主动思考，做出规范的应急抢险措施。具体流程如图2所示。

发现险情阶段：强降雨天气，中控室值班人员在调用摄像头时发现深挖方渠段左排渡槽入水口水位不断抬升，逼近水尺的警戒水位。安排工程巡检员对排水渡槽易发生险情的部位进行工程巡检，包括：排水渡槽、渡槽周围的马道、渠道、边坡等。

险情确认和上报阶段：工巡人员在巡检过程中，发现挖方渠段左排渡槽入水口水位已经到达临界水位、右岸衬砌板发生滑塌破坏、排水渡槽发生洪水漫溢现象。通过电话联系的方式上报险情，并请求相关工作人员到达现场进行险情抢险。

应急抢险阶段：根据《防汛抢险技术手册》，此类型的险情有如下抢险方式：

（1）对渡槽进出口两侧顶部进行碎石编织袋堆砌加高，长度为延伸至渠道水面线内侧。

（2）左岸衬砌板水面以下进行压重，压重自下而上进行，水面以下压重3层编织袋碎石压重，水面以上2层编织袋碎石压重。

险情结束阶段：在险情处置完成之后，水质监测员对渠水水质进行检测，监测结果说明渠水水质合格，险情结束。

2  虚拟演练系统实现

左排渡槽洪水漫溢灾害场景的可视化信息包括地物地形信息、抢险物资、主要灾变信息等内容展示，在Unity3D中创建C#脚本把整个流程联系在一起，形成整个虚拟演练培训系统。

2.1  场景地物地形构建

左排渡槽洪水漫溢险情地形以河南省辉县市某深挖方渠段作为参考，根据渠道的AutoCAD图纸数据，使用Blender三维建模软件对挖方渠道以及左排渡槽进行1：1精细建模，渠道模型包括渠坡、衬砌板、路缘石、马道、土质边坡等内容。为了对渠道三维模型的纹理进行贴图，需要通过图像处理软件对现场采集到的图像进行平铺无缝处理。采用物理光照方式对场景内容添加光照信息，包括反射光、折射光以及环境光照。

深挖方渠段的山脉环境、出水口、入水口使用Unity3D引擎的Terrain三维地形工具绘制。首先创建Terrain游戏对象，依据场景的真实景象，在游戏对象上描绘出地势的高低起伏、平滑度。为了丰富地形内容，可以在地形上使用Paint Trees工具种出不同形态的树木。在基本的地形地势上对山地表面的白膜进行贴图处理，达到真实绘制效果。实验表明，相比于手动建立三维地形的方式，使用Unity3D软件大大提高了建模效率与真实度，渲染效果如图3所示。

2.2  抢险物资构建

根据1.2节的应急演练流程，设计应急决策交互进行培训，提高用户的应急决策能力。在交互时应显示出可能用到的抢险物资，因此需要对应急抢险阶段使用到物资、工具做出直观展示。这些物资主要包含土工膜、沙袋、填充密封胶、水质监测车等，在系统开发之前使用三维建模软件对这些抢险物资进行三维建模，然后集成到Unity3D引擎中，设计脚本实现剧情的流程。三维模型在场景中的应用效果如图4所示。

2.3  虚拟角色构建

为了给用户带来沉浸式体验，系统中设计了多个虚拟角色，这些角色能够在演练时和用户语音对话，在用户丢失下一行为时提示用户进展方向，推动剧情发展。虚拟角色包括巡检人员（第一人称）、应急保障员、抢险队员、水质监测员等。在场景中，用户作为巡检人员例行检查渡槽周围安全状况时，能够发现异常并及时上报异常。应急保障员协助巡检人员向上级管理处上报异常情况、操作正确的险情处置措施。抢险队员按照上级的要求做出应急抢险行动，水质监测员判断渠水是否被污染。

Unity3D把人物的一段动作的动画当作一个状态，多个状态组成一个动作状态机，动作状态机存储了角色的多种不同状态以及状态之间的切换规则。以应急保障队员为例，根据剧情主要有如表1所示的动作，人物行为切换需要特定的条件，通过判断参数的变换进行动作的切换。

2.4  降雨及左排渡槽洪水漫溢效果实现

由于应急演练系统的背景是强降雨天气，因此需要对降雨效果仿真，包括雨滴以及水波纹扩散效果的实现；同时需要模拟左排渡槽洪水漫溢险情。由于粒子系统具有可操作性强、表现效果真实的特点，经常被用来模拟烟、雾、雪、火等物体特效。场景中使用粒子系统来模拟降雨特效以及洪水漫溢特效。

使用粒子系统通常有如下操作步骤：

（1）创建Particle System游戏对象。

（2）在游戏对象上生成粒子，设置粒子的生命周期、大小、运动方式等基本属性。

（3）设置粒子发射器的属性，包括每秒发射的粒子数量、发射器形状、发射器大小等。

（4）粒子渲染。

构建水波纹所使用到的粒子系统，各参数如表2所示。

使用粒子系统模拟的水波纹扩散效果以及洪水漫槽入渠，效果如图5所示。

2.5  虚拟交互仿真

系统场景中设计有三种交互方式：被动视角交互、漫游交互、选择决策交互。

2.5.1  被动视角交互

在剧情内容开始的引导阶段，为了使用户融入剧情中，播放工巡人员跑到灾害现场的一段动画。动画播放时，视角内的场景不再随用户转动头盔而变化，此时的用户界面如图6所示。

2.5.2  漫游交互

为了推动剧情发展，使用箭头提示、语音提示、高亮提示来引导用户的下一阶段行为。系统设计了多段语音，在用户丢失方向时，箭头以及语音的提示能帮助用户快速找回方向，同时提高场景的真实感。高亮的提示帮助用户发现险情、对险情做出正确的处置措施，如图7所示。

2.5.3  选择决策交互

在进行险情上报以及应急处置时，系统通过弹窗出选择题的方式供用户进行应急决策过程。为了提升UI面板的创建效率，创能一套够自动适应不同题目的脚本，依据设置的题干和选项，自动把题目匹配到面板中，在用户指向某一选项时，会在场景内预览这种做法，显示在用户视角内。以滑塌衬砌板的处置为例，选择面板如图8所示。

3  结  论

本文设计了基于VR的左排渡槽洪水漫溢险情的应急演练方案，通过研究虚拟应急演练的实现方法，对南水北调中线工程深挖方渠段的场景以及演练涉及的虚拟人物进行三维建模；使用粒子系统实现了增强场景真实感的降雨特效以及洪水漫槽入渠特效；实现了三种不同交互方式的仿真，增强了用户在抢险演练时的参与感。实验表明，本系统沉浸感强、视觉效果显著、培训效果明顯，在实际应用中有很大的价值。

参考文献：

[1] 槐先锋，王晓蕾，陈晓璐.南水北调中线干线工程防汛风险及对策研究 [J].水利发展研究，2016，16（11）：9-11+26.

[2] 甘黎嘉，黄辉，何淼，等.应急救援技术专业实训室建设标准研究 [J].实验技术与管理，2022，39（7）：219-223.

[3] 何江，蒙泳君，赵庚亮，等.基于VR的地铁基坑施工安全教育系统设计与应用 [J].中国安全生产科学技术，2021，17（8）：124-129.

[4] 潘卫军，徐海瑶，朱新平.基于VR技术的机场应急救援虚拟演练平台 [J].中国安全生产科学技术，2020，16（2）：136-141.

[5] 王朔，朱士友，俞军燕，等.地铁车站应急预案VR模拟与情景设计 [J].中国安全科学学报，2019，29（7）：183-188.

[6] AZHAR S，HAN D，DASTIDER S G. Immersive VR Modules for Construction Safety Education of Generation Z Students [C]//Associated Schools of Construction Proceedings of the 56th Annual International Conference，[S.I.]：EasyChair，2020，1：482-490.

作者简介：谢歌（1998—），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实、水利信息化；仝晓阳（1999—），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实；杜江岳（1998—），男，汉族，河南安阳人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实、水利信息化。

收稿日期：2022-10-25