张慧 鲍飞 张学亚 沈毅

1. 北京市安全生产科学技术研究院 北京 101100 2. 中安华邦（北京）安全生产技术研究院股份有限公司 北京 100124

1 虚拟仿真技术概述

1.1 技术发展历程

虚拟现实(VR)是一种允许用户与计算机模拟环境进行交互的技术。近年来，虚拟现实技术被广泛应用于教育和培训，通常与其沉浸式、高度可视化、三维(3D)环境联系在一起。虚拟现实技术作为一种新型的学习媒介，可以为学习者提供具有交互性的实时体验，有效地提高学习效果。在虚拟环境中实践突发事件演练任务有助于促进培训和帮助将知识转移到现实生活中。同时，虚拟现实可以有效地解决实际设备带来的时间、空间和安全约束问题。

1.2 技术发展现状

虚拟现实场景中立体视差的生成属于计算机视觉研究领域的研究热点。这项技术有着广泛的应用，包括虚拟现实场景监控，虚拟人机交互，等等。然而，虚拟现实场景具有独特的特点，因此其人脸再现较为困难。它还受到其他东西的影响，比如光线和遮蔽物。当前基于透视的 LOD 四叉树已经形成了多种立体视差虚拟现实场景。目前，关于视点相关 LOD 四叉树在立体视差生成虚拟现实场景中的应用研究还不多。利用视点相关的 LOD 四叉树技术，可以很容易地获得许多未标记的虚拟现实场景。利用视点相关 LOD 四叉树技术捕捉虚拟现实场景的重要组成部分、外观、空间模式等，并在坐标系中表示相应的坐标位置。总的来说，有一些重要的部分和空间模式，包括躯干的中心点，左右手腕的空间模式，左右地理，等等。利用中心点设置极点，通过坐标变换可以有效地转换其他节点。最后，得到下列公式(1)所示的坐标：

套接字在英语中是插座的意思。对于使用 TCP/IP 协议完成的计算机之间的通信，套接字提供了两者之间的通信接口。它是一个基本的运行单元，是双方的相互协议。它的功能被打包在 DLL 中，并通过相应的功能完成。有两种类型的套接字 :其一是流接口，通过对网络传输层的分析和处理，为接收端和发送端提供一定顺序、无重复、无记录的边界数据流交互，更适合处理大量的数据。它还支持发送方和接收方之间的数据通信，但在传输过程中，不能保证数据包的可靠性、附属性和不可重复性[1]。

2 多人协同应急演练中虚拟仿真技术的应用分析

虚拟现实多人协同应急演练涉及多部门、多人在同一空间和时间维度上的活动。静态的三维场景和动态的变化需要在不同的参与者之间同步进行。突发事件多人协同应急演练虚拟仿真系统需要满足以下要求：

（1）参与者的状态同步。参与者可以通过系统看到三维场景和其他参与者，并可以实时看到其他参与者的位置和运动变化。

（2）场景状态和事件同步。在事故发生后，需要对不同参与者之间的事故相关信息进行实时同步。

（3）场景生成与仿真。突发事件处置场景的范围很广，涉及的元素和人员很多。如何生成一个大型的地形系统，如何模拟各种真实的物体和元素是该系统的一个重要问题。

（4）参与者对身体状态的感知。参与者的身体状态包括健康状态和身体状态：健康状态表明身体的健康程度，包括身体是否受伤，以及周围的有害气体是否对身体有害; 身体状态表明参与者的行动能力，参与者在行动过程中将消耗身体能量，他们需要恢复身体能量来继续行动后的身体消耗。每个参与者的身体状态需要在不同参与者之间实时同步。

（5）参与者之间的沟通。沟通和联络使参与者之间能够进行有效的沟通，这有利于参与者之间的合作活动。沟通包括两种形式：文字、电话语音。

（6）多人合作。在应急演练过程中，有些活动需要多人完成，如两人一起关门、一起开门、多人一起灭火、多人一起抢救伤员等，参与者需要分配好动作和活动周期才能成功完成这些活动。

（7）虚拟现实模拟。通过建模与模拟的设备和技术，模拟和再现了真实的突发事件指挥环境和事故现场环境[2]。

3 案例探究与实践

3.1 系统设计

突发事件多人协同应急演练系统分为三个层次：表示层、服务层和存储层：

表示层采用3d 的三维场景渲染、粒子系统、动画、声音等模块，实现了三维场景渲染、水、火、烟雾、爆炸等事故特效、人物动画、语音通信以及通过 JSON 消息的服务层通信。

服务层提供登录、脚本策划、演练计划和演练管理、参与者状态同步、参与者身体状态感知、参与者虚拟、实时语音通信、环境模拟、日志服务等功能。系统数据结构包括三维场景、演练角色、演练事件、语音录制、评分等信息。系统状态同步利用套接字技术实现了 TCP 网络服务，并给出了实现方法。在演练过程中，以指令的形式将参与者的演练操作传输到演练服务器。基于套接字技术，实现了钻机服务器的网络通信广播和高速网络传输。在字符虚拟过程中，统一行为树 AI 是一个高性能的逻辑判断框架，它提供了基本的人工智能支持。目前，支持的特征包括感知、决策、行动等。参与者的虚拟功能是通过统一的行为树实现的。每个虚拟参与者对应一个行为树，该行为树根据参与者的状态和行为被组织成不同的判断逻辑节点。整个演练过程通过日志信息按时间顺序记录，包括演练过程中发生的所有事件信息、参与者的状态变化以及其他动态内容。与日志对应的时间由时间片表示。Net 框架对日志信息进行定时和保存。

存储层包括三个部分：系统数据结构、三维模型和三维场景文件，提供数据存储服务。数据结构以 XML 文件形式保存，三维模型和三维场景数据以文件形式存储，方便程序调用。

3.2 平台搭建

平台包括两部分内容：后台管理系统和前端虚拟仿真VR演练系统。

后台管理系统是在 Windows 10操作系统上进行开发，实现了基于虚拟现实的突发事件多人协同应急演练系统的开发与运行，主要实现用户、应急演练任务、演练脚本、演练计划等管理。前端虚拟仿真VR演练系统主要通过 unity3d2017、3dmax2016等软件开发，并借助HTC、Pico等VR硬件设备，进行多人协同虚拟仿真演练。硬件环境为 CPU i7-7500k，内存8Gb，显卡 NVIDIA geforce gtx1060，系统可以在 PC、 平板 等平台上发布，运行平稳，效果较好。实践证明，该系统具有良好的可移植性，可以在多种硬件和软件平台上运行[3]。

4 结束语

从多人协作和虚拟现实的角度，分析了多人协作在城市运行突发事件应急演练中的应用需求，设计了突发事件多人协同应急演练系统。测试结果表明，该系统能够满足近百人在线协同应急演练的需求，为参与者提供了一个可重复、安全、高效的应急演练仿真培训平台，有效地提高了参与者的应急响应能力。