袁伟 李藐 李霄 陈显波

0 引言

核应急是一项组织复杂、协调面广、专业性强的系统工程，在极其复杂的未知辐射环境下展开，技术环节多、处置要求高、安全风险大。随着军事实战化进程加快，核安全链条加长、风险因素增加，部队核事故概率增大，其危害特征与民用核设施核事故相比，具有明显区别：源项核素为非裂变产物，释放量相对较小，但丰度极高；部队长期野外驻训，事故发生地点不固定，危害范围受地形地貌、气象环境影响程度大；危害扩散过程为瞬时性释放，可以理解为

在较短时间内瞬间释放了一个气体气团，不同于连续稳定释放。上述特点对部队核应急提出了高要求，必须“第一时间、第一现场”迅速响应、科学处置。

现阶段，部队没有处理真实核事故的经历和经验，客观存在事故场景无印象、危害无感知等问题。在平时核应急训练中，侧重于教条化、流程化的行为动作，对于处置的规范流程、行动要点并不完全熟悉。此外，训练中需要频繁动用应急装备及耗材，运行成本高、维护代价大，而实际训练效果并不理想，参训人员核心应急能力未得到有效提升。

为了解决这些实际问题，结合前期开展的核事故源项计算与试验、污染物大气扩散模型设计、核应急处置流程动态仿真等研究实践工作，提出某型装备重大核事故应急处置模拟训练系统的设计方案。通过实例分析与推导，证明其在实际运用中能够取得良好效果，满足单兵技能、战术协同、应变能力训练以及效能考核评估，可为部队核应急能力提升提供技术支持。

1 系统总体架构设计

图1 核事故模拟场景构设子系统基本组成

军用装备重大核事故应急处置模拟训练系统采用并行的数字化模型开发环境，具备事故危害动态模拟、虚拟三维场景体验、应急装备模拟操作、应急训练考核评估等功能[1]。按照实际需求，目前阶段设计内容包括核事故模拟场景构设子系统、核应急模拟训练器材和核应急训练与考评子系统三个部分。

1.1 核事故模拟场景构设子系统

核事故模拟场景构设子系统(图1)主要包括运行支撑环境、事故危害基础数据库和场景可视化演示模块。

1.1.1 事故危害基础数据库

该数据库包括不同场景下空间坐标点放射性污染特征数据，如气溶胶浓度、γ剂量率、α/β表面污染水平等信息，决定危害程度与影响范围。在前期研究中，考虑到事故发生区域差异，分为地下狭小空间和地上开阔空间两类进行构设。

其中，地下狭小空间重点采用流体动力学扩散仿真方法，建立事故环境有限元模型，加载源项数据和气流扩散参数，模拟分析放射性污染局部扩散分布规律。地上开阔空间应结合具体环境特点选择不同的扩散模式进行分析研究，对于平原、场坪等开阔区域，当大气环境相对稳定、地形分布均匀，放射性物质随风向下风区域扩散、浓度随运动半径递减，考虑选用基于高斯修正的扩散模型，源强、烟云形态等参数借鉴部队前期开展的爆炸烟云野外示踪实验结果；对于复杂山区地形，局地尺度的大气扩散受地形、气象影响极大，考虑选用拉格朗日粒子扩散模型，应用大量蒙特卡罗抽样质点的随机扩散方法模拟污染物空间运动分布情况和趋势。相关扩散分析数据可按照具体要求，采用TXT、OBJ、XML等多种格式存储，进行传输、读取和调用。

1.1.2 场景可视化演示模块

场景可视化演示模块采用DipperVR三维平台进行开发，建立应急装备仿真实物模型，以及十余种复杂地形、气象环境场景模型库。

DipperVR平台是一款国产化自主引擎，兼容商用计算机环境和搭载麒麟操作系统的国产化计算机环境，可进行模拟训练、场景浏览等业务需求开发。平台包括物理渲染、动作捕捉、图像处理等功能，设置专用接口层，通过导入前期仿真运算平台获取的事故序列特征化数据，得到所需要动态展示的核素种类、浓度等数值。

1.1.3 运行支撑环境

主要包括视频终端、高性能计算服务器、图形工作站、PDA、音频处理器等，各仿真节点间采用网络交换机以局域网的形式进行交互。

1.2 核应急模拟训练器材

核应急模拟器材包括模拟核事故放射性部件、模拟便携式辐射监测设备、模拟无人机核辐射侦测系统和模拟现场应急处置关键车辆装备。

1.2.1 模拟核事故放射性部件

根据应急训练需要，设计一系列不同尺寸的受损核部件仿真碎片，内装电磁信号释放装置，等效放射性特征中子、γ射线能量，配合采用ZigBee无线通信技术，实现近距离通讯信号传输。定位碎片目标配有不同强度的超宽带UWB有源标签，定位区域布设UWB端节点，形成事故等效辐射场分布(图2)。

1.2.2 模拟便携式辐射监测设备

图2 模拟部件通讯信号空间传输

图3 所需模拟的便携式辐射监测设备

模拟便携式辐射监测设备(图3)包括气溶胶浓度监测仪、α/β表面污染测量仪、γ剂量率监测仪等，操作面板、使用方法、测量显示与实装一致。该类设备与核事故现场放射性部件配套使用，内置接收信号终端，通过测量有源标签和端节点之间的电磁波传播时间，再现辐射源强度与探测器因距离产生的函数关系，真实呈现辐射监测环境效果。

1.2.3 模拟无人机核辐射侦测系统

无人机核辐射侦测系统（图4）主要用于在核事故发生初期部队无法全面掌握情况条件下，第一时间代替人员进入核心区域，快速获取现场景象、划定污染范围、获取辐射数据。模拟系统外形构设、操作面板、使用方法与实装一致，可视化显示无人机飞行作用状态，实现空中巡测、定位测量等功能。系统可由使用者通过操控设备切换手控模式、自控模式，根据指令进行悬停、转向、下降、爬升、采样等动作训练。

1.2.4 模拟现场应急处置关键车辆装备

模拟现场应急处置关键车辆装备包括核污染压制去污剂喷洒车、核应急洗消去污车，均为已经定型列装的核应急与反核恐怖专用车辆。模拟训练装备的操作面板、界面设计、使用方法等，与实装基本一致，可视化显示作业过程、步骤和状态。

核污染压制去污剂喷洒车（图5）是实现大面积压制去污方法应用的关键性移动式作业装备，其主要功能是将专用双组分反应型材料在线动态混合后均匀布洒到地面上，快速形成连续膜体后剥离清除；或采用水溶性压制去污剂进行高空喷射，有效防止放射性物质进一步扩散，达到放射性污染压制的目的。该型车辆模拟训练装备用于训练人员操作使用压制去污剂对核污染区域空中、近地面区域的放射性粉尘、气溶胶进行压制，并对作业工况进行参数设定和状态监控。

核应急洗消去污车主要功能是在核事故应急过程中开设洗消站，对遭受放射性沾染的武器装备、车辆、人员实施洗消。该型车辆模拟训练装备用于训练人员实现洗消功能操作控制，完成车辆装备外表面、底盘的污染清除以及放射性沾染人员体表去污，并对作业工况进行参数设定和状态监控。

1.3 核应急训练与考评子系统

核应急训练与考评系统主要依托远程音视频、数据传输链路，实现对单兵、单装操作过程，班组协同训练和分队综合训练过程远程监控，实时记录。同时，可对事故现场场景、事故演化过程、部队处置特情实施远程调控，对单兵技能训练、班组协同训练、分队指挥应变能力和综合演练效能进行考核评估。

1.3.1 单兵技能训练考评子系统

图4 所需模拟无人机核辐射侦测系统及操控设备

图5 模拟核污染压制去污剂喷洒车操控界面

图6 山区地形爆炸核事故场景界面

远程设置调控事故场景和辐射场，监控单兵训练过程中使用的模拟训练器材、实装状态和参数，实时跟踪受训人员操作过程，建立训练考评数据库，分析评判辐射侦测与评估、污染压制、洗消去污、回收处置等单兵技能训练效果。

1.3.2 班组战术协同训练考评子系统

设置火烧、爆炸、放射性泄漏等事故场景，全程监控辐射侦测与评估、污染压制、洗消去污、回收处置各专业班组人员行动与操作过程，建立训练考评数据库，分析评判战术协同训练效果。

1.3.3 分队指挥员应变能力训练考评子系统

在分队应急行动中，远程导调设置不同现场特情，全程监控指挥员现场指挥、临机处置过程，实时跟踪受训人员特情处置作业过程，建立训练考评数据库，分析评判分队指挥员应变能力，综合考评分队核应急训练效果。

2 系统实例演示

对于系统使用者而言，主要是通过三维模拟的场景来直观感知核事故发展态势和应急行动处置流程。为了更好地诠释系统功能，从一个实例角度简要推演展示系统应用过程，并证明其实用性和有效性。

2.1 事故场景选取生成

本实例设想情况为：某型军用装备野外机动过程中，行进至山区峡谷位置发生意外，车辆翻车引发化学爆炸，造成车辆损毁、大面积放射性污染扩散。受训人员根据实例登录系统，在十余种核事故场景库中选择山区地形场景，启动虚拟三维仿真环境。大屏显示终端呈现事故车辆发生爆炸起火，放射性烟云成形、扩散、装备碎片残骸纷飞等过程。声光特效同步配合，逼真展示事故演示效果（图6）。

2.2 应急处置科目训练

核事故场景生成后，受训人员按照应急处置科目分步骤进行训练。

2.2.1 辐射侦测训练

辐射侦测组按照规定要求做好应急人员防护，重点保护口鼻、呼吸道，防止吸入放射性气溶胶造成内照射危害。此后，模拟进入事故核心区域附近，分步开展空中辐射侦测、地面辐射侦测作业。

空中辐射侦测过程中，飞控号手在虚拟仿真环境中，利用操控设备控制无人机核辐射侦测系统，按照既定路线进入事故核心区域，跟踪爆炸烟云扩散方向，实时监测与传输放射性气溶胶浓度、瞬时γ剂量率等数据，在地面平台快速生成污染态势分布图（图7）。

地面辐射侦测过程中，设置一定范围的场坪训练区域。分队指挥员根据空中辐射侦测回传数据，分析判断虚拟事故现场大致严重程度，确定人员徒步行进路线，下令班组协同分工，使用模拟便携式辐射监测设备有序进入，开展模拟核事故放射性部件搜巡定位、地面污染水平监测等工作。

2.2.2 污染压制训练

压制车分队根据事故现场污染区域分布情况，可在虚拟仿真环境下，利用操纵杆、驾驶训练舱等实体训练器材，结合插件化模块分离设计方法，开展单兵、多人协同压制作业。

在人机交互过程中，受训人员通过三自由度动态平台在车辆行驶中形成与地形起伏相一致的颠簸，产生等同于实车行驶中的前倾、侧滑、碰撞、震动等感觉。通过耳麦和界面相结合，模拟对讲机的使用、选择对讲频率、发送对讲语音等，为受训人员带来逼真的情景体验。系统实时记录压制车行进路线和速度、压制剂流速、压制时间等参数，结合虚拟环境气溶胶浓度模拟分布扩散情况，判断压制效果以及评价单兵、分队处置能力和协同能力。

图7 模拟空中辐射侦测及污染态势获取

2.2.3 洗消去污训练

洗消去污分队采用操纵杆、驾驶训练舱等实体训练器材，在规定时间内完成洗消场开设，对遭受放射性沾染人员、武器装备进行洗消。系统实时记录洗消时间，人员装备洗消场地选址，进出道路、补测补消点位、放射性废物收集地点设置。受训人员通过操作，选择分区消除、分类消除、尾追消除、盲喷消除等方法，快速去除放射性污染，回收放射性废物，以达到人员和环境可以接受的水平[2]。

2.3 应急处置考核评估

为了使核事故应急处置考核评估结果能全面、准确地反映受训人员在实际作业场所中的作业能力，在前期大量训练演练研究的基础上，灵活运用层次网络评估模型、CIPP评估模型、AHF评估模型，构建了适应部队需要的应急能力考核评估方法和指标体系，有机融入考核评估系统，使其评估结果客观地反映单兵、班组、分队行动对于总体效能的贡献。

在实际考核中，考官可在虚拟环境下位于任意位置、角度观察训练全过程，根据实际情况进行人工干预，考察人员的应变能力。其中，在单兵仿真实物模型操作训练过程中，可通过构造突然事件进行人工干预考核参训人员的应变能力；在战术协同训练各阶段，可通过构造天气变化、设备故障、二次爆炸等突发事件进行人工干预，受训人员根据事故变化，及时调整处置措施[3]。系统通过轨迹追踪技术，实时监测记录单兵、分队行进路线及变化情况，为综合评判指挥人员指挥调度、班组协同能力以及单个参训人员对突发事件应变能力提供支撑。

3 结语

基于核事故场景的应急处置模拟训练系统开发，不仅能够帮助官兵熟悉应急装备的基本操作控制，拓展培训技术手段，而且对提高应急处置流程的掌握能力有着重要促进作用，使得训练场景和过程更加接近实战状态。现阶段主要完成了训练系统的设计方案，后续还需要将核事故危害数据、应急处置考核评估方法融入到系统中，仍有大量工作需要进一步深入探讨研究。