探索VR技术在防汛抢险培训中的运用

赵志文，李 飞，陈 鹏，陈 哲，余 颖

（江苏省防汛防旱抢险中心，江苏 南京 211500）

加强信息化建设，督促指导水利生产经营单位开展风险管控工作是水利运行标准化、现代化管理的重要内容，进一步完善预报、预警、预演、预案功能，需纳入数字孪生流域、数字孪生水利工程灾害处置，积极运用信息化手段提升风险管控水平。随着社会经济的发展，人们对防灾减灾日益重视，对防汛抢险成效也日益关注，各地都加强了对防汛抢险人员的技能培训。平原、丘陵、山区等多种地形地貌所面临的险情侧重点也不一样，为有效预防、及时控制和消除水旱灾害，最大限度地减少损失，探索运用VR虚拟仿真技术建立专业防汛抢险培训平台。

1 VR虚拟现实技术在防汛抢险培训中的优势

防汛抢险是一件专业性较强的工作，参与人员必须进行专业培训，才能辨识险情、及时处置险情。目前，各地开展的防汛抢险培训项目仍然以传统的培训方式，即教师用课件上课和场地实操，内容是教师向受训人员单向传递，效果反馈不及时，缺乏互动性和趣味性。VR 技术是一种利用计算机生成的虚拟环境来模拟真实场景的技术，将VR 技术应用于防汛抢险培训中，具有较为明显的优势。

1.1 加强培训安全性

抢险培训现场往往机械、水电、土石料混杂，存在一定安全隐患，易发生伤害事故。通过VR技术，可以在不同的环境中进行模拟操作，能够将高风险或潜在危险的情况转变为安全环境中的沉浸式互动体验。

1.2 增加培训吸引力

VR 培训能够为受训者带来更高的专注度和临场感，从而让受训者在应急培训中更加认真。强烈的临场感也能让受训者更加习惯紧急的场景，从而在突发事件来临时更加冷静［1］。

1.3 降低培训成本

防汛抢险培训往往需要场地大的水域环境，并进行场地布置和机械物料准备，往往投入大、工作量大、培训复杂、不可重复。VR技术不需要重复构建现实场地，大大降低了不必要的成本，实现了一套系统通用，不受地域、人员限制。

1.4 增强培训灵活性

抢险人员可以根据自己的工作生活实际情况，在合适的时间进行训练、培训，控制学习内容和进度，不受时间或地域的限制，具有较强的灵活性［2］。

2 防汛抢险VR虚拟仿真训练平台建设要求

2.1 瞄准实操，注重实效

以确保学员有效掌握水利应急抢险技能为核心，以切实提高学员实操水平为落脚点，为学员提供贴近实际工作的训练环境，整体提高不同层次人员实际解决问题的能力，力争做到实用、管用。

2.2 立足现实，放眼长远

以常规实训数据为支撑，以基础设施为平台，充分利用现有训练成果，深入总结险情处置实训经验。不仅考虑现有人员设施基础上的实训训练，还要着眼设施升级发展和人员长期培养条件下的实训训练，放眼长远构建科学规范的训练体系。

2.3 任务牵引，训管结合

以水利应急抢险为任务引导，突出水旱灾害场景环境、天气状况、装备应用、突发状况处置等日常实训任务重点，以训练、提升为主线，充实训练科目，突破实装限制，拓展训练内容，努力实现训练内容可控、训练过程可管、训练效果可测。

2.4 整体规划，合理分工

在整体考虑训练各系统构成、专业分工、训练需求、现有训练资源的基础上，结合实操，真实还原训练场景和各实操分系统岗位的任务，整体规划模拟训练系统组成。加强专业协作和任务分工，细化需求对接，为系统研制提供业务和信息支持。

3 防汛抢险VR虚拟仿真训练平台设计原则

3.1 先进易用，逼近真实

吸收国内外已有的成熟技术与经验，合理应用虚拟现实技术、组件化建模等技术的新成果，采用数字孪生、虚拟现实、AI数据分析、空间定位等易用的交互技术。构建友好的交互界面，逼真再现训练环境及设施形态、功能原理、操作反馈，水利灾害事故现象，提高训练效率，丰富训练手段。

3.2 架构开放，支持扩展

设施与环境的不断更替扩容，要求训练系统具有一定的可扩展性和可自定义性。因此需采用开放扩展架构和组件化应急模型框架，使用统一的技术标准、规则和协议，配套完备的开发指导规范体系，充分预留扩展接口，为模拟训练系统扩展提供支撑。

3.3 应急可靠，便于维护

模拟训练系统可以应急，运行可靠，单点故障不影响系统功能，同时系统内部信息的流动受到严格控制，能保证信息的完整性、可用性和可控性，并具备防病毒能力。系统具备简易清晰的管理维护界面和规范、齐全的技术文档，方便维护人员对系统进行维护。

4 防汛抢险VR虚拟仿真训练平台功能设置

基于虚拟现实技术的水利应急抢险训练系统需要实现渗水、管涌、漏洞、漫溢、滑坡、裂缝、决口、泥石流、堰塞湖等险情处置业务训练。通过建设实训模拟训练系统，达到如下功能。

（1）构建典型河流堤防三维模型，通过加入堤防环境、天气环境、昼夜环境、水文环境等，实现逼真虚拟环境的实操训练。此外，可针对重大影响的洪水灾害，进行情景复现，提高各参与人员的代入感，达到训练、科普作用。

（2）实现洪水、降雨、险情等水利抢险知识课程，具有水力学模型，可实现水力学模拟、漂浮物模拟、淹没模拟、溃堤模拟、封堵模拟、管涌模拟等各类险情模拟。提供防汛指挥长、处置专家、巡堤查险人员、抢险队伍等多种角色训练，提高教学训练系统的覆盖性和实效性［3］。

（3）提供定制化的VR抢险道具，切实提高实训人员的实操水平。

（4）提供个人档案存储，方便考核人员对人员训练内容和时长审核。同时，让学员对自己学习的内容和进度自行进行把控。

（5）具有教学模式和演练模式，教学模式提供学员学习理论知识的功能，对险情发生的原因、过程，以及抢护方式、原理等进行沉浸式演示。演练模式提供学员对险情识别、判断、处置的场景环境，并对处置结果进行自动判别。

（6）可以针对不同知识掌握程度人员进行难易分级学习，使其更易于掌握。

（7）在多人协同训练中，系统可以设置多种视角展示各个训练者的训练情况，例如全局总览视角和学员的第一视角。考察者可以通过总览视角观察总体状况，对状况处置结果做出评价，也可以通过对某一学员的第一视角进行查看，了解当前学员具体情况，更深入地对学员个体状况进行分析评价。

5 防汛抢险VR虚拟仿真训练平台系统架构

系统可以基于以上功能模块实现单人自主训练、多人协同训练2种教学训练形式。同时，按照防汛抢险中发现险情、制定方案、指挥抢险、实施抢险、善后处置5 个流程，学习险情基础知识，寻找场景内险情，判断险情，处理险情。根据随机险情发生，在规定时间内选择处理流，对应设备、工具，进行险情处理，完成后结束学习并积学分，即可对学员处置流程、学习时长、操作规范进行记录，并考核评分，对处置结果进行分析回放。此外，通过接入显示屏幕，可以支持应急训练教学、访客观摩讲解等各种教学训练活动，提高系统的运用场景。

系统采用分层设计，即应用层、业务层和数据层。应用层提供用户界面，通过训练人员选择相应的功能；业务层主要是处理训练人员的请求，并将请求向应用层和数据层交互；数据层进行数据汇总处理，是平台数据的管理核心［4］。采用虚拟现实技术、分布式交互应急技术等，模拟水利工程设施的部件形态、功能结构、运行原理、水利灾害处置，建立集教学、训练、考核、演练于一体的综合模拟训练系统。架构可分为空间定位系统、道具系统、服务器、学习端、教师端、展示端。

防汛抢险VR虚拟仿真训练平台拓扑图见图1。

图1 防汛抢险VR虚拟仿真训练平台拓扑图

与此同时，还需加强数据算法研究。多人交互需要将每个人的训练数据同步到其他所有人，随着参训人数的提升，数据量迅速扩大。系统首先利用数据差分压缩算法，压缩后的姿态数据大小不超过原来10%，并通过可视条件，中央服务器统一同步等技术，使得网络吞吐压力由原来的参训人数平方关系减少到线性相关，扩大了多人交互的使用范围。

6 结 语

综上所述，模拟防汛险情处理的稳定性，为VR虚拟仿真训练平台建设提供了较好的条件。同时，数据传输的便捷性，可以实现多地部署，有效降低培训成本。VR 虚拟仿真训练平台可构建现实感强、训练内容可控、训练结果可预测的水利应急实训模拟训练环境，突破日常教学的场景限制，大大缩减训练时间，提高训练效率。VR 虚拟仿真训练系统具有的独特优势，将在防汛抢险培训工作中发挥更大的作用。