張 琪，王 瑜，徐 圓，朱群雄

（北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

0 引 言

傳統(tǒng)的應(yīng)急救援［1，2］推理一般采取兩種方式：①案例推理［3－5］，系統(tǒng)通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，得出最優(yōu)解決方案，此類系統(tǒng)必須花費(fèi)大量時(shí)間更新和維護(hù)知識(shí)庫［6］；②既定流程推理方式，系統(tǒng)通過對(duì)文本預(yù)案進(jìn)行剖析組合，形成固定流程的節(jié)點(diǎn)序列，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重現(xiàn)演練流程［7，8］，此類系統(tǒng)的演練流程固定不變，且必須由指定的員工執(zhí)行唯一正確操作，否則系統(tǒng)無法完成所有演練任務(wù)推演。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種以物理實(shí)體為對(duì)象的客觀推理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用XML配置文件［9］來構(gòu)建客觀對(duì)象的推理狀態(tài)關(guān)系集合，客觀推理機(jī)通過讀取配置文件來構(gòu)建具有多種狀態(tài)映射關(guān)系的推理關(guān)系樹，而一個(gè)狀態(tài)內(nèi)具體包含的執(zhí)行語句序列則由狀態(tài)對(duì)應(yīng)的腳本文件控制。最終，根據(jù)初始條件，客觀推理機(jī)重復(fù)輪詢已經(jīng)滿足要求的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，通過消息通信模塊使之與對(duì)應(yīng)腳本關(guān)聯(lián)［10］，從而調(diào)用相應(yīng)函數(shù)接口，改變虛擬人物或設(shè)備的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化工廠的虛擬現(xiàn)實(shí)救援演練中，系統(tǒng)可以根據(jù)客觀對(duì)象狀態(tài)的改變來執(zhí)行不同的演練流程分支，提高了虛擬應(yīng)急演練的多樣性和適應(yīng)性。

1 客觀推理仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1描述了客觀推理仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)總體分為4大功能模塊：狀態(tài)配置模塊、通信模塊、客觀推理模塊、應(yīng)急預(yù)案腳本模塊。狀態(tài)配置模塊負(fù)責(zé)用文本預(yù)案中的抽象邏輯管理構(gòu)建客觀推理的邏輯關(guān)系樹；通信模塊負(fù)責(zé)消息發(fā)送、接收和處理，是客觀推理模塊和三維仿真部分的重要連接樞紐；客觀推理模塊負(fù)責(zé)遍歷邏輯關(guān)系樹，從而查找滿足條件的狀態(tài)和表達(dá)式，并通過luabind將推理機(jī)和腳本預(yù)案連接，達(dá)到執(zhí)行客觀推理仿真的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

1.1 配置文件解析模塊

配置文件是以XML數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ)的應(yīng)急演練邏輯關(guān)系，客觀推理機(jī)通過解析特定的文本格式，將客觀對(duì)象的狀態(tài)集合、表達(dá)式集合以及對(duì)應(yīng)的推導(dǎo)關(guān)系集合存入樹形邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)，方便演練過程中對(duì)任務(wù)的執(zhí)行邏輯進(jìn)行推導(dǎo)。

（1）狀態(tài)集合

＜state id＝"0"funcName＝"smog1"branch＝"br1＿1"＞smog＿state1＜／state＞

狀態(tài)是客觀推理過程的基本單位，一個(gè)客觀對(duì)象可以擁有多個(gè)狀態(tài)，但每個(gè)狀態(tài)只屬于一個(gè)客觀對(duì)象?？陀^推理機(jī)的每一個(gè)對(duì)象及其狀態(tài)都與一個(gè)預(yù)案腳本唯一對(duì)應(yīng)，腳本內(nèi)的一個(gè)狀態(tài)又可以包含若干不可分割的元操作序列。id是狀態(tài)的唯一標(biāo)識(shí)碼，funcName是該狀態(tài)所屬的預(yù)案腳本名稱，branch是狀態(tài)的分支標(biāo)簽，smog＿state1 是狀態(tài)的名稱。

（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)移集合

＜transition backward＝"0"forward＝"1"／＞

通過狀態(tài)的唯一標(biāo)識(shí)碼id來構(gòu)建狀態(tài)間的邏輯推導(dǎo)關(guān)系，包括一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一的狀態(tài)關(guān)系映射。backward表示推導(dǎo)的前件，forward表示推導(dǎo)的后件，經(jīng)由客觀推理機(jī)解析后，上述XML 語句會(huì)構(gòu)建一條狀態(tài)id＝0到狀態(tài)id＝1的推導(dǎo)關(guān)系，要執(zhí)行狀態(tài)id＝1，則至少要保證狀態(tài)id＝0已經(jīng)執(zhí)行完畢。

（3）表達(dá)式集合

＜expression id＝"0"type＝"no＿op"fact＝"a"＞expr1 ＜／expression＞

表達(dá)式可以理解為狀態(tài)執(zhí)行所必須滿足的條件，不同的type產(chǎn)生結(jié)果的方式不同，而只有當(dāng)結(jié)果為true，才說明該表達(dá)式已經(jīng)完成。id 是表達(dá)式唯一標(biāo)識(shí)碼，表達(dá)式type具有4種類型，分別是no＿op （無操作）、not（非）、and （與）、or（或），fact作為標(biāo)準(zhǔn)事實(shí)，作用是根據(jù)不同的type和表達(dá)式產(chǎn)生bool值，從而決定該表達(dá)式的完成狀態(tài)。

（4）表達(dá)式轉(zhuǎn)移集合

＜extransition type＝"bro－bro"backward＝"0"forward＝"1"／＞

表達(dá)式轉(zhuǎn)移集合的作用就是根據(jù)type類型，將表達(dá)式的前后件以對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)。表達(dá)式轉(zhuǎn)移的type具有2種類型：parent－child（父子節(jié)點(diǎn)）、bro－bro（兄弟節(jié)點(diǎn)）。

（5）狀態(tài)—表達(dá)式轉(zhuǎn)移集合

＜exstate type＝"ex－state"backward＝"0"forward＝"58"／＞

該集合的作用是完善推理邏輯關(guān)系樹，當(dāng)表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果為true時(shí)，客觀推理機(jī)通過該轉(zhuǎn)移集合完成表達(dá)式到狀態(tài)的遷移推演。作為現(xiàn)實(shí)世界的抽象，遷移關(guān)系只能由表達(dá)式到狀態(tài)，反之則不行。

1.2 通信模塊

作為客觀推理系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真部分的連接紐帶，利用先進(jìn)先出的消息隊(duì)列來存儲(chǔ)待處理的原始消息內(nèi)容，所有消息都以字符串形式存儲(chǔ)，再通過對(duì)字符串分段解析，得到對(duì)應(yīng)的傳遞參數(shù)，從而完成消息的格式轉(zhuǎn)換和發(fā)送。通信模塊從三維仿真部分接收消息并提取待恢復(fù)執(zhí)行的腳本文件名和腳本執(zhí)行狀態(tài)標(biāo)簽，然后由客觀推理機(jī)在內(nèi)部輪詢查找待恢復(fù)腳本文件中滿足條件的文件，最后恢復(fù)相應(yīng)的腳本，將執(zhí)行指令經(jīng)由通信模塊傳遞給三維仿真部分進(jìn)行操作，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)聽指令執(zhí)行的反饋結(jié)果。

1.3 客觀推理機(jī)和腳本的協(xié)同工作機(jī)制

客觀推理系統(tǒng)用C＋＋設(shè)計(jì)編寫，腳本預(yù)案用lua腳本語言設(shè)計(jì)編寫，二者通過luabind實(shí)現(xiàn)通信。

（1）lua腳本調(diào)用C＋＋函數(shù)

luabind提供了將C＋＋類對(duì)象注冊(cè)給lua腳本調(diào)用的方法，可以讓lua腳本調(diào)用C＋＋數(shù)據(jù)成員、重載操作符和成員函數(shù)。

luabind采用module方式將C＋＋類對(duì)象的內(nèi)容提供給lua腳本調(diào)用。比如要注冊(cè)vector3類，那么首先要申明類名vector3，并注冊(cè)具有3個(gè)形參的構(gòu)造函數(shù)constructor＜double，double，double＞ （），這相當(dāng)于在lua和vector3之間建立起一個(gè)連接。然后可以使用.def＿readwrite（"x"，＆vector3：：x）方法注冊(cè)vector3 類的數(shù)據(jù)成員x，使用.def（self＝＝vector3（））方法注冊(cè)vector3 的＝＝操作符，從而讓lua腳本能使用此操作符進(jìn)行vector3類對(duì)象的不同數(shù)據(jù)成員的比較。也可以使用.def（"register"，＆vector3：：register）方法注冊(cè)vector3 的成員函數(shù)regiseter（），實(shí)現(xiàn)lua腳本調(diào)用C＋＋類的成員函數(shù)。

（2）C＋＋函數(shù)讀寫lua腳本變量

luabind：：object table＝luabind：：globals（Lua）；table［"person"］＝"true"；

通過luabind庫的globals函數(shù)可以得到lua腳本全局變量列表，然后以待修改變量名為參數(shù)，可以讓C＋＋通過luabind修改lua腳本對(duì)應(yīng)全局變量的值。

（3）lua協(xié)程和虛擬機(jī)

客觀推理機(jī)只是負(fù)責(zé)狀態(tài)和表達(dá)式的推導(dǎo)，但它們所對(duì)應(yīng)腳本文件恢復(fù) （resume）和掛起 （yield）需要lua的協(xié)程機(jī)制完成，腳本文件語句的執(zhí)行狀態(tài)需要lua 虛擬機(jī)控制。

lua協(xié)程是多任務(wù)處理的一種機(jī)制，協(xié)程的執(zhí)行控制權(quán)是由程序顯示告知的，可以對(duì)協(xié)程進(jìn)行resume和yield操作，由此控制應(yīng)急演練的多任務(wù)。每一次yield之前都必須調(diào)用register（）函數(shù)來告訴推理機(jī)下次應(yīng)當(dāng)恢復(fù)的腳本名稱。

lua虛擬機(jī)創(chuàng)建成功后會(huì)生成一個(gè)棧，將對(duì)應(yīng)lua腳本的待執(zhí)行語句順序存入棧，配合lua協(xié)程，將執(zhí)行完畢的語句出棧，使得棧中永遠(yuǎn)保存未執(zhí)行語句序列，保證順序流程下的lua語句不會(huì)重復(fù)執(zhí)行。

1.4 推理機(jī)模塊

客觀推理機(jī)以狀態(tài)和表達(dá)式為基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，以設(shè)備為對(duì)象對(duì)應(yīng)急演練流程進(jìn)行推理，推理機(jī)制的建立并非依托于指定的參演真人角色的特定任務(wù)，而是由客觀對(duì)象間關(guān)聯(lián)屬性決定。如石化工廠物料罐起火事件會(huì)推演出消防員噴水救火事件，火勢的減少乃至熄滅過程并不必須由特定消防員在特定時(shí)刻進(jìn)行特殊類型噴水來完成，在客觀推理機(jī)制下，對(duì)火焰和水等粒子對(duì)象都賦予相關(guān)屬性，火焰熄滅的必要條件是一定數(shù)量的水粒子與其發(fā)生作用，抑制火焰粒子自生長。本文提及的客觀推理機(jī)制涉及以下4個(gè)方面的推理：

（1）正向推理

應(yīng)急救援演練設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)性大多都可以由正向推理來完成。當(dāng)待執(zhí)行狀態(tài)的所有前件都執(zhí)行完畢，且沒有表達(dá)式約束或者約束結(jié)果為true，那么推理機(jī)就會(huì)恢復(fù)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的lua腳本文件，執(zhí)行l(wèi)ua文件內(nèi)的相關(guān)語句序列，直到第一次遇到coroutine.yield（）才將lua腳本的協(xié)程掛起，實(shí)時(shí)監(jiān)聽客觀推理機(jī)對(duì)腳本的resume操作。正向推理一般用于對(duì)應(yīng)急救援演練具有決定性質(zhì)的設(shè)備災(zāi)害的推演，因?yàn)檫@樣的節(jié)點(diǎn)事件一旦發(fā)生就具有不可挽回性，更加符合演練真實(shí)情況。

（2）表達(dá)式推理

表達(dá)式作為狀態(tài)執(zhí)行的必要條件，其自身擁有單體或倒序多叉樹結(jié)構(gòu)，能夠滿足條件之間的與、或、非組合。no＿op是判斷演練過程的fact與標(biāo)準(zhǔn)fact的一致性，not可以看做no＿op的取非操作，以上二者都是針對(duì)單體表達(dá)式；而and和or分別表示將當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)的fact值與其所有孩子節(jié)點(diǎn)做與、或操作，是針對(duì)倒序多叉樹結(jié)構(gòu)的表達(dá)式集合。只有當(dāng)應(yīng)急演練過程中某一表達(dá)式經(jīng)過type運(yùn)算后，得到的fact結(jié)果為true，才能繼續(xù)流程的推導(dǎo)。

（3）可逆推理

狀態(tài)是客觀推理系統(tǒng)的基礎(chǔ)不可分割節(jié)點(diǎn)，但狀態(tài)同時(shí)也對(duì)應(yīng)這lua腳本內(nèi)的一段語句序列。當(dāng)客觀推理機(jī)將執(zhí)行主動(dòng)權(quán)交給腳本系統(tǒng)時(shí)，所有滿足條件的lua腳本文件都會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，直到遇到y(tǒng)ield。利用這一特性，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急救援演練的非決定性可逆流程的關(guān)聯(lián)操作。

以閥門valve為推理對(duì)象，根據(jù)valve的狀態(tài)來控制water粒子的產(chǎn)生和消失。在每次的yield 之前必須通過register（）函數(shù)來通知客觀推理機(jī)，下次恢復(fù)的Script－Name。當(dāng)真人操作valve對(duì)象，客觀推理機(jī)會(huì)將執(zhí)行主動(dòng)權(quán)交給腳本，腳本進(jìn)入while循環(huán)嘗試判斷water粒子的狀態(tài)。這樣的推理一直持續(xù)到真人提交done 操作，此時(shí)break跳出循環(huán)，同樣會(huì)跳過下一次yield，這樣便可以執(zhí)行到state＿work＿done（"water＿state1"）通知推理機(jī)產(chǎn)生water粒子的狀態(tài)已經(jīng)完成。

（4）多分支推理

多分支推理是根據(jù)關(guān)鍵事件結(jié)果的不一致性來推演出不同演練流程。系統(tǒng)通過配置文件來設(shè)置分支變量值，再通過lua腳本的goto跳轉(zhuǎn)語句實(shí)現(xiàn)分支的遷移，每一個(gè)分支對(duì)應(yīng)一個(gè)客觀對(duì)象的基本狀態(tài)。

圖2為客觀推理機(jī)4種推理機(jī)制的混合結(jié)構(gòu)，每一個(gè)圓圈序號(hào)表示一個(gè)狀態(tài)或表達(dá)式，每一個(gè)狀態(tài)都至少對(duì)應(yīng)一個(gè)lua腳本文件，支持若干可逆推理流程。圖2以石化廠區(qū)罐體起火的應(yīng)急救援流程為例，不同標(biāo)簽對(duì)應(yīng)含義如下：0表示物料罐起火，1表示打電話給消防部門，2表示開噴淋閥門給罐體降溫，3表示出現(xiàn)黑色濃煙，4表示根據(jù)火勢對(duì)周圍的影響來選擇不同的分支流程，branch＿1表示火焰引發(fā)左側(cè)罐體著火的應(yīng)急救援流程，branch＿2表示火焰熄滅的應(yīng)急救援流程。

圖2 推理流程結(jié)構(gòu)

客觀推理機(jī)執(zhí)行后便輪詢可執(zhí)行狀態(tài)，此時(shí)物料罐起火并伴有黑煙。此時(shí)系統(tǒng)推演出應(yīng)當(dāng)打電話并給罐體降溫，接著根據(jù)火勢的影響推演出不同的分支流程。由于救火不利可能導(dǎo)致次生災(zāi)害，引燃左側(cè)物料罐，若恰好火焰燃點(diǎn)滿足表達(dá)式e6條件，客觀推理機(jī)便恢復(fù)branch＿1的狀態(tài)5對(duì)應(yīng)腳本的執(zhí)行主動(dòng)權(quán)。也可能由于噴水及時(shí)，火勢得到控制，則客觀推理機(jī)會(huì)恢復(fù)branch＿2的狀態(tài)9對(duì)應(yīng)腳本的執(zhí)行主動(dòng)權(quán)。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的化工廠救援客觀仿真推理系統(tǒng)在某石化企業(yè)罐區(qū)應(yīng)用并取得顯著效果。

圖3所示為巡檢人員吸入硫化氫氣體中毒倒地后觸發(fā)報(bào)警，救援人員用擔(dān)架逆風(fēng)向?qū)⑵渌椭涟踩恢玫姆抡孢^程，涉及正向和多分支推理。人員中毒倒地正向地觸發(fā)報(bào)警救人狀態(tài)，但人員救治是否及時(shí)則會(huì)產(chǎn)生不同的分支，救治成功則可繼續(xù)進(jìn)行隔離毒氣的流程推演，救治失敗則應(yīng)急救援演練失敗。

圖4所示為物料罐起火后，消防人員開噴淋罐閥給罐體降溫避免罐體爆炸的仿真過程，過程涉及可逆和表達(dá)式推理。當(dāng)物料罐起火，人員開啟噴淋罐閥則環(huán)繞罐體的水環(huán)出現(xiàn)，關(guān)閉閥門則水環(huán)消失，這一過程可以反復(fù)操作查看效果，直到最終確認(rèn)提交才判定狀態(tài)是否完成。而火焰熄滅的前提表達(dá)式條件則是足夠的水粒子和火焰粒子發(fā)生作用，導(dǎo)致火焰熄滅。

圖3 應(yīng)急救援案例的傷員救治仿真

圖4 應(yīng)急救援案例的起火救援仿真

3 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)急演練的不足，以客觀設(shè)備為推理對(duì)象，仿真實(shí)現(xiàn)了面向化工安全的應(yīng)急救援流程。本系統(tǒng)以客觀設(shè)備為對(duì)象抽取并建立設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，混合使用了正向、可逆、表達(dá)式和多分支這4種推理方式，利用客觀推理機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)急演練腳本，所構(gòu)建的推理邏輯關(guān)系樹中狀態(tài)的完成度只和客觀對(duì)象自身相關(guān)，而無需指定特定人員完成該狀態(tài)。本文所提出的客觀推理系統(tǒng)能夠快速適應(yīng)石化廠區(qū)應(yīng)急演練需求的變化，且在仿真演練過程中，會(huì)根據(jù)操作人員的不同操作產(chǎn)生不同的演練流程，增加了演練的多樣性，有助于提高受訓(xùn)人員的反應(yīng)能力。

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