鐘文

摘要：針對化學事故救援訓練訓練組織難度大、危險性大等特點。利用計算機虛擬仿真技術(shù)模擬場景的真實性，重現(xiàn)各類化學事故變化過程；通過人機交互實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中的技戰(zhàn)術(shù)選擇。在Unity3D平臺上進行建模、動作模擬、可視化編輯研發(fā)化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)的使用能有效降低裝備使用消耗等成本，提高救援人員處置化學事故救援技能，減少災(zāi)害事故中人員損傷，合理科學的評估訓練成果，滿足日常消防員教學訓練工作和士兵職業(yè)技能鑒定需要，拓寬了消防部隊安全信息化建設(shè)的道路。

關(guān)鍵詞：化學事故；虛擬仿真；Unity3D

中圖分類號：U412.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0050-02

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)“信息化時代”蓬勃發(fā)展，三維可視化程度不斷躍進，虛擬仿真的應(yīng)用目前成為各領(lǐng)域研究熱點。社會發(fā)展化學災(zāi)害事故頻發(fā)，為消防救援工作帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。針對化學事故救援訓練準備時間長、裝備消耗大、訓練組織難度大、危險性大、訓練效果評估難且手段單一等特點。利用計算機虛擬仿真技術(shù)模擬場景的真實性，重現(xiàn)各類化學事故發(fā)生、發(fā)展等一系列變化過程；通過人機交互實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中的技戰(zhàn)術(shù)選擇，能有效降低裝備使用消耗等成本，提高救援人員處置化學事故救援技能，減少災(zāi)害事故中人員損傷，合理科學的評估訓練成果，滿足日常消防員教學訓練工作和士兵職業(yè)技能鑒定需要，虛擬仿真技術(shù)在危險化學品災(zāi)害事故中的運用，拓寬了消防部隊安全信息化建設(shè)的道路，化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)的研發(fā)工作迫在眉睫。

2 化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)概述

?；返纳a(chǎn)、運輸及儲存自身有很大的危險性，化工廠工業(yè)系統(tǒng)流程復雜、投資巨大、生產(chǎn)連續(xù)性強，必須借助虛擬仿真技術(shù)模擬無法操作的教學訓練，如毒物泄漏、火災(zāi)、爆炸事故影響后果及承載裝置破壞性模擬等，而且虛擬仿真經(jīng)濟、安全，組訓考核不受天氣、場地和環(huán)境的限制。采用虛擬仿真技術(shù)模擬危化品泄漏爆炸、燃燒、擴散等狀態(tài)，建立泄漏擴散模型，對災(zāi)害現(xiàn)象進行數(shù)值表達和情景再現(xiàn)，為化學事故應(yīng)急救援可視化提供了重要手段，為相關(guān)作業(yè)人員對事故過程形成整體化意識提供重要途徑，最大限度接近實戰(zhàn)，使受訓人員身臨其境地處理事故現(xiàn)場。傳統(tǒng)訓練中面臨著事故情景難再現(xiàn)、重復性訓練裝備物資占用損耗大、重點專訓無法實時銜接，訓練過程涉及科目多，人員復雜等問題，而化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)具有實戰(zhàn)性、可重復性、專項專訓重點突擊性、過程可知性等特點。 能讓傳統(tǒng)訓練中的瓶頸問題得以解決，首先情景模式可以模擬設(shè)定，多條件變換的場景能更好的鍛煉訓練者的處突能力；其次，通過虛擬模擬人員、裝備的真實占用或損耗，沒有經(jīng)濟和環(huán)境的制約，利于重復訓練突出重點科目強化技能全面提高[1]。

3 化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)主要由系統(tǒng)設(shè)置、教學訓練模式、考核模式及用戶操作說明幾個子系統(tǒng)構(gòu)成，其中教學訓練模式與考核模式又含多個模塊，在教學訓練模式中各模塊操作可以任意切換，在考核模式中各模塊操作性具有一定順序并不可逆轉(zhuǎn)[2]。

3.1 系統(tǒng)設(shè)置子系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置是為了方便系統(tǒng)的管理者對系統(tǒng)界面的圖形圖像及聲音的控制。

3.2 教學訓練子系統(tǒng)

教學訓練子系統(tǒng)是化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)的重要組成部分。該子系統(tǒng)由教員進行操作和使用，它主要用于進行天氣、訓練場景和化學物質(zhì)的設(shè)定，對訓練項目進行講解示范。操作者可以任意選擇化學事故處置節(jié)點，利于有針對性地練習，同時點擊觸發(fā)相應(yīng)的事件或裝備，屏幕有相應(yīng)知識點的出現(xiàn)，便于學員對知識點的學習掌握。教學訓練子系統(tǒng)含多個功能模塊，每個模塊都可進行相應(yīng)功能的設(shè)置，當受訓員點擊相關(guān)模塊時，就進入可操控的內(nèi)容。

3.3 考核子系統(tǒng)

考核子系統(tǒng)主要負責對受訓者進行訓練和考核。在考核模式中，考核人員需要在指定時間內(nèi)，按照化學事故救援基本程序和系統(tǒng)依次完成化學事故處置任務(wù)。系統(tǒng)會自動的記錄受訓者的操作信息，并根據(jù)受訓者進行操作的時間和問題回答的情況，給出受訓者的訓練成績。

4 基于Unity3D的化學事故應(yīng)急救援虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)

在Unity3D平臺的支撐下，虛擬仿真技術(shù)將真實環(huán)境中無法很好展示的要素如人員位置、車輛位置、風向、風速、危險化學品擴散蔓延方向速度等以可視化、可操控的方式表達并實現(xiàn)交互功能。通過電腦操作及投影大屏幕的顯示，操作者可以在模擬的虛擬場景內(nèi)進行自由步行、鳥瞰，也可以點選重點位置查看，可以多視角、全方位的了解虛擬現(xiàn)實的三維事故現(xiàn)場的各區(qū)域情況。

4.1 界面開發(fā)及數(shù)據(jù)處理

基于Unity3D引擎下的界面開發(fā)技術(shù)是最基本的技術(shù)類型，較為成熟穩(wěn)定，能提供良好的界面，界面的好壞通常直接影響視覺感受，好的界面能夠有效提升訓練成效；數(shù)據(jù)存儲采用Unity3D中SQLite數(shù)據(jù)存儲的方式，這種存儲方式本身并不繁瑣，創(chuàng)建過程非常的快捷簡單且使用方便，和其他類型的存儲方式相比，更加容易實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的獨享；數(shù)據(jù)傳輸使用UDP協(xié)議，實時傳輸保證每臺電腦連接到教師機，并且能夠快速響應(yīng)設(shè)定的情景模式。

4.2 建模及渲染

在建模工作過程中采用了3DStudio Max和Auto CAD軟件。系統(tǒng)中的事故模擬場景包括地形、道路、車輛、設(shè)備、人員、建筑物等，運用虛擬仿真視覺技術(shù)使整體效果能夠充分展現(xiàn)。模型制作范圍為每個模塊所需表現(xiàn)場景范圍，根據(jù)實際需求和系統(tǒng)開發(fā)時間的實際情況來確定。其中，以三維虛擬仿真技術(shù)制作虛擬場景內(nèi)的主要設(shè)施設(shè)備模型為高模，其它為輔助模型，以體量低模制作方式制作。由于系統(tǒng)是實時渲染運行，就如同電腦游戲或軟件運行一樣受計算機運行速率的限制，模型通常要根據(jù)需要進行面數(shù)和材質(zhì)貼圖等方面的優(yōu)化，以滿足流暢的操作，所以在制作模型時會根據(jù)主次進行高低精度模型的建立和場景的優(yōu)化處理。為達到接近實際情況的三維可視化模擬效果，主要場景紋理模擬與現(xiàn)場情況基本一致。在系統(tǒng)中對水進行粒子化模仿，在粒子創(chuàng)建中，進行大量的參數(shù)設(shè)定，參數(shù)修改，粒子的調(diào)整，使水槍、水幕水帶、?；匪?、水流，更為接近真實化。

4.3 動作模擬綁定及表達

在Unity3D中實現(xiàn)動作操作，在界面中對消防人員，給予了設(shè)備、器材選擇及使用，對設(shè)備進行動畫支持，使受訓人員能快捷的針對當前事故進行設(shè)備選擇，從而強化設(shè)備的直觀認識；對機械設(shè)備的運動可進行模擬操作，如運輸、吊裝等動作的模擬，為受訓人員創(chuàng)造更為良好的體驗；對需要傳達的信息及發(fā)生動作的重要環(huán)節(jié)進行可視化虛擬仿真，并結(jié)合文字、圖片、音效等多媒體信息進行綜合表達，運行系統(tǒng)擁有完整的二維圖形用戶界面，同時顯示三維場景，并完成所有的交互操作功能[3-4]。

4.4 可視化編輯

在Unity3D編寫代碼進行可視化編輯，可視化任務(wù)編輯器的使用是為教員更便捷快速的設(shè)定當前訓練任務(wù)及考核點。在設(shè)定系統(tǒng)中可選擇不同災(zāi)害場景及?；罚O(shè)定不同風向、風力，以邏輯交互事件選項進行設(shè)定，并可將設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸至學員端。化學事故應(yīng)急救援虛擬仿真實訓系統(tǒng)場景設(shè)置見圖1。以第一人稱的形式進行角色扮演，在角色上給予邏輯交互腳本，使受訓人員角色與事故中NPC交互。對突發(fā)事件的有效處理，對裝備的直觀使用，接近真實訓練效果，在實戰(zhàn)中做到有的放矢。

5 結(jié)語

化學事故應(yīng)急救援三維虛擬仿真實訓系統(tǒng)可交互操作的模擬化學事故現(xiàn)場，結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備進行模擬操作，實現(xiàn)操作者具有身臨其境的臨場感。在Unity3D平臺的支撐下，逼真的三維圖像，完善的人機交互特性，使該系統(tǒng)成為對消防人員處置化學事故應(yīng)急救援訓練、考核的實用工具。在后期的開發(fā)中，我們將在系統(tǒng)中增設(shè)不同的災(zāi)害事故場景、訓練科目等，開發(fā)多人多角色在不同的電腦上、共同的虛擬災(zāi)害場景內(nèi)完成協(xié)同消防任務(wù)，實現(xiàn)更完善的虛擬仿真實訓。

參考文獻

[1]靳學勝，袁狄平.滅火救援視景仿真中三維虛擬消防隊員的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武警學院學報，2010，（10）：5-8.

[2]徐超.大數(shù)據(jù)時代下云存儲技術(shù)在消防信息化系統(tǒng)中應(yīng)用[J].信息通信，2015，（3）：118.

[3]王江春.運用開源骨骼動畫引擎實現(xiàn)人物動作[J].電腦編程技巧與維護，2007，（4）：61- 66.

[4]吳鴻志，徐麗.3dsMAX 5三維建模與動畫完全攻略[M].北京：北京希望電子出版社，2003：226-249.