某型装备典型核事故场景模拟训练系统的设计与实现

袁伟，李藐，陈显波

中国人民解放军96901 部队23 分队，北京 100094

核应急是一项组织复杂、专业性强的系统工程，通常在复杂未知的辐射环境下展开，技术要求高、处置难度大。随着军事实战化进程加快，对部队核应急处置的技术性、连贯性、时效性要求更高，必须“第一时间、第一现场”快速响应、科学处置。现阶段，部队没有处理真实核事故的经历和经验，存在场景无印象、危害无感知等问题。平时训练中，需要经常动用一系列核应急装备及物资耗材，投入经济成本高、维护保养代价大，但实际达到的效果并不理想，客观上参训人员的核心应急能力未有效得到提升[1]。

为了有效解决上述问题，笔者围绕前期与核应急处置有关的阶段性研究成果，开展某型装备典型核事故场景模拟训练系统（以下简称“模拟训练系统”）的设计与研制工作，形成一套操作性好、真实感强、软硬件结合的沉浸式训练装备。通过构设火烧、爆炸等多种典型重大核事故场景，提供互动性强的人机界面以及辐射侦测、污染压制、洗消去污、核材料回收和废物处置等主要核应急装备的三维仿真模型，模拟核事故动态过程和变化情况，评估核处置作业效能以及整体处置流程的合理性，实现复杂环境下的单兵技能、战术协同和应变能力训练，为核事故应急处置能力的快速形成提供重要的技术手段。

模拟训练系统以虚拟现实技术中的“多人协同”为支撑，将交互式硬件、软件和虚拟现实仿真系统进行有机结合，总体采用模块化设计思想，为可扩展的开放式架构，对数据展现、业务逻辑、平台支撑和业务应用进行分离，提高系统整体的鲁棒性[2-4]。采用成熟的技术路线和灵活可靠的权限控制，保证了系统信息资源的可用性、保密性和完整性。各个应用分系统功能通过模块予以实现，具体包括4 个层次，依次为应用层、服务层、资源层和支撑层。图1 为系统的主体架构。

图1 系统的主体架构

应用层直接面向部队训练对象，主要由导调控制、综合管理、指挥筹划、原理示教、虚拟训练和考核评估等6 个分系统组成。服务层是资源层和应用层之间的纽带，为应用层各个应用软件提供数据引接、Web 服务、传输服务、数据存储、场景服务、地理信息、数据采集、调试服务以及异步I/O 服务等基础服务，并预留与其他实装模拟器材的接口[5-6]。资源层集中管理系统运行所需要的各类资源，包括应急预案库、应急装备库、特效库、应急知识库、评估规则库、事故分析与处理数据库和用户信息库等。支撑层为系统运行提供必要的软、硬件支撑。其中，硬件由计算机、服务器、虚拟现实（virtual reality，VR）交互设备、交互式电子沙盘和大空间定位设备等组成；
支撑软件包括场景数据模型，为系统工作运行提供环境支撑。

1.1 拓扑结构

模拟训练系统中的主控计算机承担导调控制和考核评估的功能，是数据交互控制中心。综合管理服务器负责存储整个系统运行数据。

系统训练交互部分由原理示教分系统、指挥筹划分系统和虚拟训练分系统组成。原理示教分系统根据导调控制信息启动对应的训练科目，所有客户端同步学习；
指挥筹划分系统用于进行部队上、下级应急处置指挥筹划任务；
虚拟训练分系统包括VR 虚拟训练和半实物模拟训练2 种操控手段。图2 为系统的拓扑结构。

图2 系统的拓扑结构

1.2 内部接口关系

数据库、各个分系统之间通过内部接口完成数据传输和信息交互。系统内置与核事故应急处置模拟训练相关的算法模型，包括核事故场景数据生成、应急装备物资调用策略、导调控制特情任务以及应急训练考核评估等模型。使用者可以自定义参数，系统自动解算结果存储于数据库。图3 为系统的内部接口关系。

图3 系统的内部接口关系

1.3 运行流程

系统运行流程分为3 个阶段：训练准备阶段、训练实施阶段及训练后处理阶段。

训练准备阶段：导调控制分系统完成训练环境、科目、角色设置，并下发训练想定；
指挥筹划分系统接收并解析训练想定；
虚拟训练分系统根据想定加载相应的程序，地理信息平台提供地理信息支持；
场景生成分系统提供训练所需的场景及模型。训练实施阶段：虚拟训练分系统根据导调指令调整训练环境、监视训练过程及训练数据采集，并可加载生成新的训练场景。训练后处理阶段：考核评估分系统从虚拟训练分系统中采集数据进行分析评估，完成数据存储并将评估结果上报[7-9]。

按照业务功能区分，应用分系统主要包括导调控制、指挥筹划、虚拟训练、原理示教、考核评估和综合管理等6 个部分。图4 为应用分系统框架示意图。

图4 应用分系统框架示意

2.1 导调控制分系统

导调控制分系统主要对核事故场景模拟训练过程进行导调控制，包括训练任务规划、训练进程控制、训练监控回放、训练数据采集以及训练数据通信等模块。图5 为导调控制分系统工作界面。

图5 导调控制分系统工作界面

该分系统实现以下功能：根据训练要求生成任务文件，涉及要素包括事故场景、事故等级、训练内容等；
将训练任务文件下发至其他分系统；
对训练过程进行导调控制，将环境信息、临机导调数据下发至各分系统；
对训练过程进行监视，实时显示训练过程数据、导调指令、训练场景态势等；
接收上级指挥导调系统的指令、文电等数据。

2.2 指挥筹划分系统

指挥筹划分系统重点以地理信息平台、数字地球为支撑，通过加载高精度地理信息数据、三维建筑模型及二维矢量电子地图，创建高效的筹划作业平台，为指挥筹划提供技术支持。该分系统包括想定接收解析、民情社情分析、指挥行动筹划和态势直观展示等模块，并实现以下功能：基于地理信息展示事故危害程度、沾染区域扩散范围、处置效果；
进行兵力装备部署、器材用量、机动路线等分析计算。

2.3 虚拟训练分系统

虚拟训练分系统根据训练任务加载不同的训练场景，每个场景包括不同的装备、建筑、人员等模型，以适应不同事故的仿真模拟和操作培训。该分系统包括空间立体定位、虚拟动作交互和多人行动协同等模块。按照系统建设需求，虚拟训练通过操作手柄、数据手套等交互方式，实现人与装备、环境的有效融合，最终实现受训对象在虚实1∶1 的立体空间中的训练，完成在高沉浸式的环境中的辐射侦测、洗消去污等重要训练任务[10-12]。图6 为虚拟训练分系统工作界面。

图6 虚拟训练分系统工作界面

2.4 原理示教分系统

原理示教分系统着眼核应急专项教学需要，构建面向单兵、分队的在线培训与考核体系，为操作号手和指挥员提供全时便捷、直观高效的基础知识培训与能力测试。该分系统包括在线辅助学习、在线培训考核和教学管理工具模块，具备自然交互方式下的理论教学、自主学习和资料查询等功能。

2.5 考核评估分系统

考核评估分系统采用可视化方法和开放式架构，构建反映核应急处置能力水平的评估体系及算法，包括在线指标体系、考核流程分析、单兵和分队能力评估等模块。该分系统可实现以下功能：评估数据预处理，利用数学算法筛除无效数据；
评估指标体系管理，对评估指标进行可视化配置管理，具备对指标的新建、修改、导入/出、保存等编辑功能；
评估模型管理，具备对指标方法、影响因子等设置功能；
评估结果显示，支持对评估结果进行视图展现，展现形式包括饼图、柱状图、散点图、统计曲线和表格等方式。

2.6 综合管理分系统

综合管理分系统主要任务是存储、管理各种类型训练数据和模型资源，为系统提供一个有效的资源存储数据整合平台。该分系统包括流程管理、模型管理、数据管理、用户管理、日志管理以及字典管理等模块，通过网络与各虚拟训练终端战位进行连接，由导调系统实时控制各训练战位操作进程和装备状态[13]。

本系统运行中需要运用三维模型数据库内的预制资源，包括训练地形、训练阵地、核应急设施及装备、人员以及特效模型等，快速构建典型训练场景以提供虚拟训练环境。

3.1 基础模型构建

采取图纸资料与建模软件相结合的方式实现基础模型构建。获取模型部件尺寸数据，在3D Studio Max 中完成实物主体构建，确保三维模型与实际部件细节保持一致，保证合适的拓扑关系。必要时对模型进行共面、共线简化处理，将采集处理的纹理图赋予模型，以*.FBX 格式输出。图7 为训练场景主要仿真模型。

图7 训练场景主要仿真模型

3.2 环境条件构建

基于系统内置各类三维模型，搭建环境场景条件，可添加多种地形及多种环境，进行包括山丘、平原、丘陵、盆地、沙漠、戈壁和山林等20 种地形以及多种气候的编辑和选择，通过该项功能可为装备、器材的模拟操作提供接近真实独立的配套操作环境。大气环境的背景通过Sky box 制作，气候运用Unity 中的Partical System 完成制作，模拟雨、雪、雾霾等复杂动态特效。

3.3 核事故辐射场构建

核事故辐射场构建用于直观展示放射性污染程度和影响范围。通过输入区域三维坐标和代表辐射程度的数值，在场景中以体积光特效技术来反映辐射情况。由于辐射数据大小存在差异，不同区域呈现不同颜色的雾化效果，从而实现场景强度、释放量、散落范围变化的模拟。同时，具备参数设置功能，可通过设置放射性等级以控制放射性强度参数。图8 为辐射场可视化展示效果。

图8 辐射场危害的可视化展示

交互训练道具包括交互手柄、交互数据手套和训练道具（含半实物驾驶模拟器）等，数据手套可以和训练道具配合使用。根据不同的装备训练科目和训练特点，选择不同的交互设备。表1 为交互训练道具及主要功能特点。

表1 交互训练道具及主要功能特点

交互设备采用无线方式与背负式计算机连接，定位装置发射激光信号实时跟踪操作手柄、数据手套和道具的空间位置。交互设备的空间角度值、三维坐标和使用者触发的操作指令，同步发送给背负式计算机进行姿态解算和碰撞检测，实现场景的漫游、设备装备的改变以及处置效果的变化等功能。图9 为空间定位系统交互设计。

图9 空间定位系统交互设计

5.1 核事故场景设定

为了直观展示系统主要功能，设置典型核事故案例进行演示。案例基本情况为：某型装备行进至开阔区域意外翻车，导致装备内部高能炸药发生化学爆炸。由于装备系统内含有一定质量的核材料，受到炸药爆轰作用，核材料吸收大量能量发生汽化现象，产生大量具有强放射性的气溶胶微粒并扩散形成大面积沾染。基于核事故场景特点，考虑大气相对稳定、地形分布均匀，选用修正高斯放射性扩散模式，确定放射性污染的范围水平。受训人员启动虚拟三维仿真环境，显示终端呈现放射性烟云扩散、装备碎片残骸纷飞等景象，声光同步配合，逼真演示事故发生过程。图10为核事故场景可视化展示效果。

图10 核事故场景可视化展示效果

5.2 核应急处置科目训练

某型装备化学爆炸核事故场景生成之后，受训人员根据具体角色分工，执行核应急处置预案和有关行动程序，按照设置科目分步骤进行训练。

5.2.1 辐射侦测虚拟训练

辐射侦测组模拟进入事故核心区域附近，综合利用机载、车载、单兵等多种方式，对放射性污染区域内的空气、土壤、水源等实施全方位侦测，掌握环境放射性气溶胶浓度、表面污染水平、剂量率、核素种类等重要数据，搜寻放射性危险源，为后续处置行动提供依据。在侦测训练过程中，根据模拟环境地形特点，采用便携式表面污染测量仪、X/γ 剂量率仪等仿真监测设备，重点开展一线平推侦测、“之”字形侦测、螺旋近心侦测和多向聚心侦测等处置方法的训练。图11 为辐射侦测虚拟操作训练。

图11 辐射侦测虚拟训练

在一线平推侦测训练中，班组人员按照“一”字队形并排前进实施辐射侦测，通常适用于在放射性物质分布散乱的开阔地域，实施放射性危险源搜寻和拉网式测量；
在“之”字形侦测训练中，班组人员采取“之”字路线折返前进实施辐射侦测，通常适用于扇形核事故区域的概略性快速测量；
在螺旋近心侦测训练中，班组人员量采取螺旋式行进方式趋近高剂量点位实施辐射侦测，通常适用于中小面积、圆形放射性区域测量；
在多向聚心侦测训练中，班组人员从不同方向趋近高剂量点位实施辐射监测，通常适用于点状放射性危险源的快速搜寻和定位。

5.2.2 污染压制虚拟训练

核事故发生后为了迅速控制污染扩散，必须组织对污染区域实施压制，使得事故污染的区域尽可能缩小。在虚拟训练过程中，污染压制组根据气象条件和污染区域分布情况，采用控制面板、仿真驾驶室等训练器材，结合插件化模块分离设计方法模拟压制喷洒车工作过程，将双组分反应型材料在线动态混合后均匀布洒到地面上，形成连续膜体，对水溶性压制去污剂进行高空喷射，达到放射性污染压制的目的。对放射性污染相对集中区域主要采用多台压制喷洒车成品字型或环型进行压制，最大限度实施快速有效的压制；
对放射性污染相对分散区域主要采用一字纵队、一字横队、V 字队型及分片等方法进行压制。

人机交互过程中，采用骨传导耳机进行语音指令传输。受训人员通过多个自由度动态平台，在压制喷洒车行动路径产生与地面陡度相似的颠簸，继而形成转弯、晃动、刹车的感官效果。控制面板操作界面能够记录车辆运动轨迹、运行状态、喷洒密度、压制剂使用量、压制作业面积等数据，通过分析上述数据并与标准作业要求相对比，从而评判污染压制作业效果以及班组人员之间的协同作业能力。图12 为污染压制虚拟操作训练。

图12 污染压制虚拟操作训练

5.2.3 核材料回收虚拟训练

某型装备由于炸药爆炸受到损坏，产生大量的核材料碎片散落于事故点半径数百米范围之内。为有效减轻放射性污染造成的危害，回收作业组应迅速进行人员防护，按照辐射侦测组的引导和标识，快速对散落的核材料碎片实施回收。在虚拟训练过程中，采用个人剂量仪、长抓取杆、小推车、核废料罐等仿真设备器材，根据模拟环境地形特点进行作业。

当事故区域核材料碎片散落空间横向较宽时，现场人员一字排开，实施地毯式搜索回收；
当核材料碎片散落空间纵向较深时，人员成阶梯状实施交替式递进回收。在回收过程中，应尽量选择剂量率水平较低的路线行进；
作业时要高抬轻落，避免扬尘造成污染，并严格执行剂量监督。回收作业全程安排现场多功能综合保障车，进行模拟伴随保障。图13 为核材料回收虚拟操作训练。

图13 核材料回收虚拟操作训练

5.2.4 洗消去污虚拟训练

洗消去污是一项繁重而复杂的任务，包括对人员、服装、装备等多种对象的消除。这些对象的性质十分复杂，受沾染的类型多，使得实际沾染的情况更加复杂，要考虑消除后产生的放射性废物、废水必须妥善处理，不能造成二次污染。所以，这项工作涉及面广、技术性强、要求严格，而且费时费力、物资消耗大，长期以来一直是较难解决的问题[14-15]。

在虚拟训练过程中，洗消去污组采用控制面板、仿真驾驶室等器材，在规定时间内位于事故上风方向开设综合洗消站，对受到核辐射沾染的人员、装备进行洗消作业。在人机交互过程中，实时记录洗消站开设地点、洗消站开设完成时限、受染人员装备数量和受染人员装备到达时间等数据。训练人员可结合具体情况，灵活应用刷除法、擦拭法、吹拂法等技术手段，降低作业场所和作业对象的辐射场强度，减少作业人员的受照剂量。图14 为洗消去污虚拟操作训练。

图14 洗消去污虚拟操作训练

5.3 核应急处置效能评估

为确保核应急处置效能评估结果能够科学、全面地反映出受训人员在实际场景中的作业能力，结合以往军事能力考核工作相关经验，综合利用主观经验法、层次分析法等确定各个考核因素的权重，构建动态贝叶斯、CIPP 决策导向型评价等模型，将其纳入考核评估分系统，对人员考核数据进行对比分析，以反映单兵、班组、分队行动对于总体效能的贡献[16]。图15 为核应急处置效能评估模型方法。

图15 核应急处置效能评估模型方法

在操作考核中，考官能够在虚拟环境下位于任意位置、角度观摩整个训练情况，根据实际进度进行特情设置和科目导调。其中，在单兵核应急仿真模型操作训练时，设置仪器设备故障等异常事件进行条件干预，检验参训人员临机处置能力；
在班组、分队的协调行动训练阶段，设置气象条件突变、人员受伤、火势加剧等突发事件进行条件干预，要求参训人员能够审时度势，及时调整行动步骤和措施。同时，系统能够通过行动轨迹追踪技术，实时记录单兵、分队行进路线及变化情况，掌握装备防护的气密性、人员防护的时效性、处置行动的合理性，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持[17]。

本文结合笔者前期参与的核应急处置有关研究实践工作，介绍了某型军用装备重大核事故场景模拟训练系统的总体架构、拓扑结构、接口关系、分系统组成与功能、支撑模型和交互训练道具设计等内容。以某型装备发生化学爆炸重大核事故为示例，探讨了应急处置科目训练、处置效能评估的实现过程，说明该系统能给予受训人员良好的技能训练与素质提高。本文提出的系统设计方法和技术实现途径，可为类似仿真训练系统的构建提供有益的借鉴和参考。后续，将结合试用和意见反馈，完善和固化相关技术成果。