CN107170320A - 基于vr技术的环境应急模拟演练*** - Google Patents

基于vr技术的环境应急模拟演练*** Download PDF

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赵书娴
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Abstract

本发明公开了一种基于VR技术的环境应急模拟演练***，主要由三维场景实施***、步进跟踪子***、烟热模拟子***、体征遥测及毒气侦检子***、控制及显示子***构成。本发明具有贴近应急需求、人机交互便捷、设备配置简便、场景可定制、评估体系科学、可并行仿真的优点。

Description

基于VR技术的环境应急模拟演练***
技术领域
本发明涉及基于VR技术的环境应急模拟演练***。
背景技术
随着全球经济的发展，近年来突发环境污染事故频发逐渐增加。和一般的环境污染事故相比，突发性环境污染事故不仅具有一系列为确定性，如排放点、排放方式等，而且突发性环境事故的发生可能在短时间内或者瞬间释放大量环境污染物质，容易对周边区域造成严重破坏和污染，从而对国家和人民生命财产造成重大损害。我国民众受到传统“先污染，后治理”思想的影响，使得部分企业在环境应急管理上不够重视和安全管理基础建设准备不足，同时在面对突发应急事故时受技术和应急设施资源的限制，使得由突发环境事故造成人员伤亡和财产损失事件时有发生。因此，加强企业环境安全管理工作，提高企业环境事故应急管理水平，做出完善合理的应急***就变得尤为重要。通过对突发环境事故的定性、定量和可视化模拟研究，分析污染物对周边环境造成破坏和污染的程度和浓度，丰富了现有应急***理论基础，在维护社会稳定，保障公众生命健康和企业财产安全等方面具有重要的知道意义。
纵观应急***的发展历程，在20世纪70年代之前，应急***和方案多数仅仅停留在书面形式上，没有强力的计算机软件技术的支持，对事故的预测能力和处理能力相对来说比较低下。随着计算机技术的迅速发展，进入21世纪后，出现了虚拟现实技术，而虚拟现实（VR）技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。利用VR技术，信息技术、通讯技术、网络技术和数据库技术，构建包括环境风险源管理、应急预案管理、决策支持、指挥调度、现场处置、后期评估在内的环境应急指挥平台，全面提升环境应急管理效能，这将为建立并完善我国环境应急体系奠定坚实基础，具有长远的战略意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种人机交互便捷、设备配置简便、评估体系科学的基于VR技术的环境应急模拟演练***。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于VR技术的环境应急模拟演练***，主要由三维场景实施***、步进跟踪子***、烟热模拟子***、体征遥测及毒气侦检子***、控制及显示子***构成；
三维场景实施***包括演练想定生成子***、三维视景渲染子***、建模与仿真子***以及沉浸显示与交互子***；演练想定生成子***包括为概念想定编辑器、仿真想定编辑器、仿真运行管理器；概念想定编辑器，用于负责想定的概念模型开发；仿真想定编辑器，用于管理和建立仿真运行想定；仿真运行管理器，用于控制和管理想定仿真运行；三维视景渲染子***，用于渲染出环境灾害分布范围，环境灾害的发生发展过程、不同虚拟角色的动作情况，并传递给沉浸显示与交互子***呈现给受训者，接收来自受训者的交互动作信息，并实时做出响应；建模与仿真子***，用于生成虚拟演练所需要的各种模型，并实时运行该模型，将模型运行的结果提交给三维视景渲染子***，并接收三维视景渲染子***的实时反馈信息，根据反馈信息建立新的模型运行结果，再实时提交给三维视景渲染子***；沉浸显示与交互子***，用于与受训者交互，使受训者能够得到身临其境的临场感，并实时采集来自受训者的交互动作，并将交互动作信息传递给三维视景渲染子***；
步进跟踪子***，在行进线路上安装了带感应传感器，只要有人经过，即可在控制台上显示出演练者所在的位置，感应传感器产生的电信号通过远程I/O模块进行数据采集，通过RS485网络传送到中控计算机，由专用监控软件完成显示、记录、分析、对比；
烟热模拟子***的主要功能是实现主训练室烟、热、状态显示、设备控制。该***以工业触摸屏作为人机界面，用远程I/O模块作为RTU，并将所有现场监控信号通过RS485总线传给中控主机，主要设备为发烟装置以及热风机；
体征遥测及毒气侦检子***包括体征遥测主机；
控制及显示子***主要由12个12寸监视器、4个46寸大屏幕监视器构成电视墙，在大屏幕上可显示现场视频信号及中控室内各计算机显示画面。
本发明的进一步改进在于：三维场景实施***中的主驱动程序的功能为建立启动引擎、碰撞检测、特效模拟、人机交互；VR显示***的功能配合操作平台，负责与现实相应的场景和装置现实；网络通信服务***负责在网络中传递消息，协调各子***运行。
本发明的进一步改进在于：视像监控子***中的各种摄像机不仅在正常光照下可以使用，还可在黑暗、浓烟和高温环境下监控训练活动；硬盘录像机可将整个训练过程录制下来，并可在监视器上回放，音视频信号能通过局域网或因特网传到远程计算机上。
本发明的进一步改进在于：体征遥测主机的参数为电源：220V±22V，50/60Hz±1Hz 监测人数：8人显示分辨率：1024×768 显示波形：ECG、SPO2、RESP 波形显示颜色：任选数据显示：心率、血氧饱和度、血压、呼吸率、体温 血压显示范围：0mmHg～270mmHg 血压测量精度：±3mmHg 呼吸显示范围：2次/分～100次/分呼吸测量精度：±2次/分脉搏显示范围：0次/分～254次/分脉搏测量精度：±2次/分体温显示范围：0℃～50℃体温测量精度：±0.2℃心电ECG导联：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ心电扫描速度：25mm/s、50mm/s 心电采样率：100s/s 心电带宽：0.5～75Hz(3dB) 共模抑制比：80dB SPO2显示范围：0％～99％ SPO2显示分辨率：1％SPO2测量精度：±3％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
贴近应急需求：综合环境应急演练应用共性需求，可定制用于各类应急场景使用，从总体定位、功能结构、组织使用等方面都能够很好地满足各领域的业务需求。
人机交互便捷：在界面组织上，***采用了导航栏模式，能够很好地引导用户对***进行操作使用；在***操作上，采用了地图操作和数据录入相结合的方式，大大提升了人机交互操作的便捷性。
设备配置简便：采用通用成熟的设备接口管理模式，为用户提供易于安装、学习使用帮助功能强大的终端设备。
场景可定制：采用基于插件的模型编辑和想定动态生成技术，实现了场景库与事件库的定义，并支持多种类型三维数据文件的导入。
评估体系科学：结合应急模拟演练特点，建立了科学的演练评估体系，包括评估模板维护，评估方法定义、专家打分、评估报告自动生成等。
可并行仿真：平台采用了线程并行计算技术，实现了模型的并行运行分组，有效了利用现有的硬件资源，最大提高***运行效率。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
VR环境应急模拟演练***以VR技术为支撑，通过多角色场景同步协同演练，动态编组构建环境应急组织机构，丰富的导调功能及事故分析模拟表现，文字、语音等多形式指令发布等。功能实现逼真、全方位的协同模拟演练，检验预案的执行效果。***采用分布式服务器软件***，具有低延迟和高稳定性；采用大厅-房间网络通讯模型，支持多组演练同时进行；并可对演练过程和用户操作进行记录和回放，以评估预案的可行性及检验队伍的执行能力。为上层决策、队伍磨练、协同演练提供了可靠有效的可视化模拟演练***。
该***主要由三维场景实施***、步进跟踪子***、烟热模拟子***、体征遥测及毒气侦检子***、控制及显示子***构成。
三维场景实施***包括演练想定生成子***、三维视景渲染子***、建模与仿真子***以及沉浸显示与交互子***；
演练想定生成子***按照使用功能和过程来划分，分为概念想定编辑器、仿真想定编辑器、分布仿真运行管理器：
(1) 概念想定编辑器
概念想定编辑器，负责想定的概念模型开发，它不涉及到具体的实体模型。概念想定的开发类似于军事标图，但它不是简单的把军事想定照搬过来，而是要以环境污染现场救援的想定习惯和操作规程为蓝本进行领域内的概念开发，使想定描述标准化、形式化、无二义性。
它的基础是相关领域的统一的概念描述库，这个描述库相当于美国军方CMMS 建立的权威数据源。它包含描述实体、聚集实体和过程等元素的概念的信息，这些信息能够确认和描述这些元素可能的状态、任务、事件、行为以及性能、参数和属性等等。概念想定模型就是建立这些元素的关系，约束，分配任务等等。它的描述包括：想定模型层次关系，合成自然环境描述( 地理信息、地物信息、大气信息、天气或气候等)，参训实体及配置，实体关系，任务集合等等。
概念想定模型的建立不但需要统一的概念描述作为基础，而且还要使用由环境编辑器生成的合成自然环境数据。概念想定建模支持想定模型的层次化，支持协同建模过程，支持想定模型的耦合等，从而满足大规模想定模型的开发。
(2) 仿真想定编辑器
仿真想定模型是直接用于仿真运行的，仿真想定编辑器则负责管理和建立仿真运行想定。前面建立的想定概念模型导入仿真想定编辑器，在仿真想定中主要考虑仿真模型资源的映射，使概念模型在添加了必要的信息后，变成可以仿真运行的想定模型。映射包括模型类映射，模型参数映射，任务映射，关系映射，等等。
仿真想定建模过程吸收了概念想定建模的特点，并且提供给用户修改想定的功能，用户不但能对原来的概念想定进行映射，而且还能对想定模型进行二次建模，添加、删除、修改原来的想定模型。并且允许用户在此直接建立仿真想定。
(3) 仿真运行管理器
仿真运行管理器，负责控制和管理想定仿真运行，底层基于HLA/RTI。
仿真资源管理层是虚拟仿真***的重要组成部分，为虚拟仿真***提供模型、数据等资源服务，该模块底层通过Oracle9i 支撑，负责管理包括模型库、数据库、想定库、方案库及演练环境库等各类基础资源。
沉浸显示与交互子***直接与受训者交互，使受训者能够得到身临其境的临场感，并实时采集来自受训者的交互动作。这些交互信息会传递给三维视景实时渲染子***。
沉浸显示与交互子***直接与受训者交互，使受训者能够得到身临其境的临场感，并实时采集来自受训者的交互动作。这些交互信息会传递给三维视景实时渲染子***，三维视景实时渲染子***实时渲染出虚拟环境灾害现场、虚拟救援设备、虚拟救援人员等视觉触觉信息，表现给受训者。这种表现是通过沉浸显示与交互子***实现的。另一方面，三维视景实时渲染子***也通过沉浸显示与交互子***获取来自受训者的交互信息，并实时做出响应。同时三维视景实时渲染子***把虚拟环境中产生的声音传递给多点音频通信子***，通过多点音频通信子***表现给受训者。
建模与仿真子***通过环境灾害过程的仿真建模方法与再现技术，能更加形象地再现环境灾害的全过程和相对真实的灾害场景，为相关人员提供一个相对逼真的虚拟环境灾害现场环境。建模与仿真子***中虚拟环境的三维建模是整个三维视景生成***建立的基础，主要包括三维视觉建模和三维听觉建模，以3D Studio MAX 和Maya 的建模为基础，再导入VR-Platform 虚拟现实平台中，从而制作环境灾害的虚拟场景。
选择3D Studio MAX 做为环境灾害视景仿真建模工具，主要体现在以下几个方面：
(1) 工作流模式使得工作组的协调更容易，效率更高。3D Studio MAX R3 引入了工作流模式，在具体的实现上从外部参考体系(XRef)、示意视图(Schematic View) 的引入以及现在3D MAX 可以使用其他程序从外部加以控制，而不必激活它的工作界面。
(2) 易用性的改进。操作界面的改进是Release3.0 版本的最显著的变化，除了外观的变化之外，R3.0 版本还增加了诸如用户自定义界面、宏记录、插件代码、变换Gizmo、轨迹条等功能。
(3) 渲染的改进。Autodesk 公司在收购了以渲染和视频技术闻名的DiscreetLogic公司，吸收了该公司的先进技术，3D MAX R3对其渲染器几乎做了重新设计，不仅增加了渲染的速度，而且提高了画面渲染的质量。
(4) 建模技术的增强。建模技术的增强是3D Studio MAX 最重要、最突出的改进，这也是在虚拟现实***构建中应用它的一个有力的原因。
三维视景渲染子***在构建虚拟环境中是最为复杂的技术，如果细分的话，可以分为，声音渲染，地形渲染，物理渲染等。其最终目的就是最大程度地模拟真实世界的物理特性。如盖一所房子需要很多原材料，我们把房子盖好需要把各种材料有机的组合在一起才行。同样用电脑做3D 图形的时候也是很多东西组合在一起的，包括三维建模，材质搭配，光线效果，动画效果等等，把这些东西合理的组合在就是3D 渲染过程，这个过程是完成环境灾害现场环境最重要的环节。
VR-Platform 虚拟现实平台
基于PC 平台的虚拟现实制作软件VR-Platform(VRP)，可为用户提供成熟的虚拟现实仿真项目解决方案。
VRP 以VRP 引擎为核心，衍生出5 个相关三维产品的软件平台：VRP-IE 三维网络浏览器、VRP-BUILDER 虚拟现实编辑器、VRP-PHYSICS 物理***、VRP-DIGICITY 数字城市平台、VRP-SDK 二次开发工具包。
VRP-IE 三维网络浏览器：将VRP-BUILDER 的编辑成果发布到互联网，并且可让用户通过互联网进行对三维场景的浏览与互动。
VRP-BUILDER 虚拟现实编辑器：三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布的工具。
VRP-PHYSICS 物理***：可逼真的模拟各种物理学运动，实现如碰撞、重力、摩擦、阻尼、陀螺、粒子等自然现象，在算法过程中严格符合牛顿定律、动量守恒、动能守恒等物理原理。
VRP-DIGICITY 数字城市平台：具备建筑设计和城市规划方面的专业功能，如数据库查询、实时测量、通视分析、高度调整、分层显示、动态导航、日照分析等。
VRP-SDK 二次开发工具包：提供C++ 源码级的开发函数库，用户可在此基础之上开发出自己所需要的高效仿真软件。环境灾害仿真建模与再现运用了VRP-PHYSICS 物理***，模拟有毒有害物质泄漏等灾害。使用VRP-BUILDER 虚拟现实编辑器作为环境灾害三维场景的模型导入、后期编辑、交互功能的制作、特效制作、界面设计、打包发布的工具。搭建虚拟数字城市时，还用到VRP-DIGICITY 平台搭建虚拟中小数字城市。而后续开发虚拟地震灾害应急救援处置平台还需运用VRP-IE 三维网络浏览器开发网络协同演练平台当已有的功能不满足需求时，我们还将使用VRP-SDK 二次开发工具包，开发符合自己需求的功能。
VRP 可以利用3dsMax 中各种全局光渲染器所生成的光照贴图，因而使得场景具有非常逼真的静态光影效果。支持的渲染器包括Scanline，Radiosity，Lighttracer，Lightscape，Finalrender，VRay，Mentalray 等。同时，VRP 拥有的实时材质编辑功能，可以对材质的各项属性进行调整，如颜色、高光、贴图、UV 等，以达到优化的效果。
VRP 运用了游戏中的各种优化算法，提高大规模场景的组织与渲染效率。无论是场景的导入导出、实时编辑，还是独立运行，其速度明显快于某些同类软件。经测试，在一台Geforce128M 显卡上，一个200 万面的场景经过自动优化，仍然可以流畅运行。用VRP 制作的演示可广泛的运行在各种档次的硬件平台，尤其适用于Geforce 和Radeon 系列民用显卡，也可在大量具有独立显存的普通笔记本上运行。
VRP 中可对物体的三维坐标进行任意的调整，包括平移、旋转、缩放和镜像，并且还可以对物体进行复制。这样我们可以在三维场景中任意摆放建筑物、救援设备、废墟的组合搭建等。
VRP 支持适时导航地图，在行走相机或飞行相机状态下，通过单击导航地图上任意一点可以快速切换到当前相机视角；同时也支持固定热点，单击某一热点也可以快速切换到当前相机视角。因此满足环境灾害应急处置演练平台中，针对宏观场景中的决策分析，任务分配的需求。
VRP 的多通道模块，可以在百M 的局域网内，实现最多达32 台主机的帧同步互联。
所有机器运行同一个场景，通过一个服务器，可以为每一台客户机指定一个显示窗口，将这些显示窗口拼接起来，即可形成一个多通道的展示环境。VRP 帧同步效率非常高，在机器性能一致的情况下，每台机器均不会发生丢帧现象，联网运行时的刷新率(FPS)与单机运行时基本一致。这样一方面，针对协同演练时，不同的队员运行不同的机器，可以同时在一个场景中演练，而不造成不同步的画面，另一方面更好地支持4D 影院环形幕的多通道展示。
步进跟踪子***：在模拟演练过程中，指挥员及观摩者需要实时监测演练人员的工作状态，或当演练人员出现异常时，需要紧急采取救援措施。在行进线路上安装了带感应传感器，只要有人经过，即可在控制台上显示出演练者所在的位置。这样即使演练中漆黑一片或充满烟雾，监控人员仍能掌握受训人员所处位置。感应传感器产生的电信号通过远程I/O模块进行数据采集，通过RS485网络传送到中控计算机，由专用监控软件完成显示、记录、分析、对比等功能。
烟热模拟子***：烟热模拟子***的主要功能是实现主训练室烟、热、状态显示、设备控制。该***以工业触摸屏作为人机界面，用远程I/O模块作为RTU，并将所有现场监控信号通过RS485总线传给中控主机，主要设备为发烟装置以及热风机。
体征遥测及毒气侦检子***：包括体征遥测主机，其参数为：电源：220V±22V，50/60Hz±1Hz 监测人数：8人显示分辨率：1024×768 显示波形：ECG、SPO2、RESP 波形显示颜色：任选 数据显示：心率、血氧饱和度、血压、呼吸率、体温 血压显示范围：0mmHg～270mmHg血压测量精度：±3mmHg 呼吸显示范围：2次/分～100次/分呼吸测量精度：±2次/分脉搏显示范围：0次/分～254次/分脉搏测量精度：±2次/分体温显示范围：0℃～50℃体温测量精度：±0.2℃心电ECG导联：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ心电扫描速度：25mm/s、50mm/s 心电采样率：100s/s 心电带宽：0.5～75Hz(3dB) 共模抑制比：80dB SPO2显示范围：0％～99％ SPO2显示分辨率：1％ SPO2测量精度：±3％。
控制及显示子***：基本配置：大屏幕子***主要由12个12”监视器、4个46”大屏幕监视器构成电视墙。在大屏幕上可显示现场视频信号及中控室内各计算机显示画面。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (4)

1.一种基于VR技术的环境应急模拟演练***，其特征在于：由三维场景实施***、步进跟踪子***、烟热模拟子***、体征遥测及毒气侦检子***、控制及显示子***构成；
所述三维场景实施***包括演练想定生成子***、三维视景渲染子***、建模与仿真子***以及沉浸显示与交互子***；
所述演练想定生成子***包括为概念想定编辑器、仿真想定编辑器、仿真运行管理器；
所述概念想定编辑器，用于负责想定的概念模型开发；
所述仿真想定编辑器，用于管理和建立仿真运行想定；
所述仿真运行管理器，用于控制和管理想定仿真运行；
所述三维视景渲染子***，用于渲染出环境灾害分布范围，环境灾害的发生发展过程、不同虚拟角色的动作情况，并传递给沉浸显示与交互子***呈现给受训者，接收来自受训者的交互动作信息，并实时做出响应；
所述建模与仿真子***，用于生成虚拟演练所需要的各种模型，并实时运行该模型，将模型运行的结果提交给三维视景渲染子***，并接收三维视景渲染子***的实时反馈信息，根据反馈信息建立新的模型运行结果，再实时提交给三维视景渲染子***；
所述沉浸显示与交互子***，用于与受训者交互，使受训者能够得到身临其境的临场感，并实时采集来自受训者的交互动作，并将交互动作信息传递给三维视景渲染子***；
所述步进跟踪子***，在行进线路上安装了带感应传感器，只要有人经过，即可在控制台上显示出演练者所在的位置，感应传感器产生的电信号通过远程I/O模块进行数据采集，通过RS485网络传送到中控计算机，由专用监控软件完成显示、记录、分析、对比；
所述烟热模拟子***的主要功能是实现主训练室烟、热、状态显示、设备控制；该***以工业触摸屏作为人机界面，用远程I/O模块作为RTU，并将所有现场监控信号通过RS485总线传给中控主机，主要设备为发烟装置以及热风机；
所述体征遥测及毒气侦检子***包括体征遥测主机；
所述控制及显示子***主要由12个12寸监视器、4个46寸大屏幕监视器构成电视墙，在大屏幕上可显示现场视频信号及中控室内各计算机显示画面。
2.根据权利要求1所述基于VR技术的环境应急模拟演练***，其特征在于：所述三维场景实施***中的主驱动程序的功能为建立启动引擎、碰撞检测、特效模拟、人机交互；VR显示***的功能配合操作平台，负责与现实相应的场景和装置现实；网络通信服务***负责在网络中传递消息，协调各子***运行。
3.根据权利要求1所述基于VR技术的环境应急模拟演练***，其特征在于：所述视像监控子***中的各种摄像机不仅在正常光照下可以使用，还可在黑暗、浓烟和高温环境下监控训练活动；硬盘录像机可将整个训练过程录制下来，并可在监视器上回放，音视频信号能通过局域网或因特网传到远程计算机上。
4.根据权利要求1所述基于VR技术的环境应急模拟演练***，其特征在于：所述体征遥测主机的参数为电源：220V±22V，50/60Hz±1Hz 监测人数：8人显示分辨率：1024×768 显示波形：ECG、SPO2、RESP 波形显示颜色：任选 数据显示：心率、血氧饱和度、血压、呼吸率、体温 血压显示范围：0mmHg～270mmHg 血压测量精度：±3mmHg 呼吸显示范围：2次/分～100次/分呼吸测量精度：±2次/分脉搏显示范围：0次/分～254次/分脉搏测量精度：±2次/分体温显示范围：0℃～50℃体温测量精度：±0.2℃心电ECG导联：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ心电扫描速度：25mm/s、50mm/s 心电采样率：100s/s 心电带宽：0.5～75Hz(3dB) 共模抑制比：80dB SPO2显示范围：0％～99％ SPO2显示分辨率：1％ SPO2测量精度：±3％。
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