CN107274734A - 地质灾害vr模拟演练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质灾害VR模拟演练系统，包括：头戴式VR用户设备和数据处理与控制模块，其中，所述头戴式VR用户设备包括动作采集单元、视角采集单元、VR显示设备和音频播放单元，所述数据处理与控制模块包括数据存储单元、触控显示屏和数据处理单元。本方案可通过超强真实感和现场感的地质灾害演练，展示地质灾害的演变过程，提高学生等演练者在地质灾害中的安全意识和自救能力进行地质灾害应急避险的科普宣传和教育。

Description

地质灾害VR模拟演练系统

技术领域

本发明涉及一种仿真演练系统，尤其涉及一种地质灾害VR模拟演练系统。

背景技术

VR技术，即虚拟现实技术，通过系统软、硬件设备模拟出各种三维立体、模拟真实的异次元场景空间，使人置身于虚拟的数字世界，感觉到很强的真实感，通过VR技术构建模拟场景，可应用于游戏、社交、科教、办公、医疗、观光、驾驶、娱乐、休闲、运动、视频播放等方面。

校园作为人口密集的地方，学校会经常组织学生进行地质灾害应急演练，如：地震、山体滑坡等，而目前针对地质灾害的演练的方式有两种，一种实战演练，一种是桌面演练。而地质灾害应急救援实战演练，前期准备工作复杂、涉及的人员多、组织困难、废墟场景搭建的费用高、危险性大，不适合应用于学生的科普教育；而桌面演练是指参演人员利用地图、沙盘、流程图、计算机模拟、视频会议等辅助手段，针对事先假定的演练情景，讨论推演应急决策及现场处置的过程，这种方式简单适用，但真实性差，可信度较低，而且多数用于应急指挥小组人员之间的模拟演练，不适合大范围的科普教育。

而学校针对地质灾害的应急演练多采用人为组织模仿教学，无实景搭建，真实性差，无法达到很好的学习效果，因此目前急需一种适合教学、科普的，且真实性高的的地质灾害演练系统。

发明内容

本发明意在提供一种地质灾害VR模拟演练系统，提高学生在地质灾害中的自救能力及安全意识的同时学习到地质灾害的演变过程，解决现有方式的地质灾害演练真实感和现场感效果差的问题。

本发明提供的基础方案是：地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，包括：头戴式VR用户设备和数据处理与控制模块，其中，

所述头戴式VR用户设备包括：

动作采集单元，动作采集单元用于采集受训者在演练过程中所采用的动作；

视角采集单元，视角采集单元用于在演练过程中，对受训者的注视点进行追踪；

VR显示设备，VR显示设备用于显示系统产生的地质灾害演练场景，并根据受训者的视线及运动轨迹显示相应视角的场景；VR显示设备还用于显示地质灾害演变过程影响；

音频播放单元，音频播放单元用于播放地质灾害演练场景中的各种声音以及结束提示；

所述数据处理与控制模块包括：

数据存储单元，数据存储模块用于存储各种地质灾害演练场景、演练过程的实时数据和地质灾害演变过程影响；

触控显示屏，触控显示屏用于系统输入输出功能，用于选择数据存储单元中预存的各类地质灾害演练场景，用于实时显示演练过程中的采集数据和反馈数据；

数据处理单元，数据处理单元用于根据选择的地质灾害演练场景向VR显示设备提供相应的地质灾害演练场景、地质灾害演变过程影响和向音频播放单元提供地质灾害演练场景中的各种声音；

数据处理单元还用于根据动作采集单元和视角采集单元采集的受训者运动轨迹及视角向VR显示设备提供相应的场景；

数据处理单元还用于处理受训者以及地质灾害演练场景中人物和物体之间的信息传递与互动；

数据处理单元，数据处理单元还用于在模拟演练过程中收集受训者的执行信息与系统反馈信息，并将这些信息通过触控显示屏展示给参与应急演练观摩的人员。

基础方案的工作原理：

受训者戴上头戴式VR用户设备，启动系统，系统初始化后运行，教授人员通过触控显示屏的输入输出界面，从数据存储单元中预存的各类地质灾害演练模拟场景中选择本次模拟演练的具体地质灾害场景，如：地震演练模拟场景、山体滑坡演练模拟场景等，选择完成后，数据处理单元读取选择的模拟演练程序，VR显示设备开始显示数据处理单元传送的演练模拟场景和实时显示地质灾害演变过程影响，音频播放单元播放相应的声音，视角采集单元和动作采集单元实施跟踪受训者的视线及运动轨迹，并发送至数据处理单元，数据处理单元对视线及运动轨迹进行运算处理，根据处理结果输出相应视角的场景并通过VR显示设备显示场景、音频播放单元输出相应的声音，数据处理单元还对整个演练过程中的执行信息与系统反馈信息进行收集，并存储至数据存储单元，并将这些信息通过触控显示屏展示给参与应急演练观摩的人员。

在演练过程中，受训者可以根据场景的中实时渲染出不同破坏程度的建筑物分布范围，倒塌建筑物的各种状态、地质灾害次生灾害的发生发展过程、不同虚拟角色的动作情况等作出交互动作，数据处理单元根据交互动作实时做出响应，并控制VR显示设备显示相应场景，如在演练过程中死亡，则受训者演练结束，否则演练过程正常结束。

基础方案的有益效果是：本方案不仅可应用于各种地质灾害的模拟演练、应急预案推演及公众科普教育等活动，为地质灾害应急救援培训提供可靠的环境支撑，进一步拓宽了虚拟现实应用的范围，通过超强真实感和现场感的地质灾害演练，展示地质灾害的演变过程，提高学生等演练者在地质灾害中的安全意识和自救能力，进行地质灾害应急避险的科普宣传和教育，让学生们对地质灾害有了本质上的认识。

进一步，头戴式VR用户设备还包括危险感知单元，危险感知单元用于在受训者采取错误的自救方式时进行人体感知提醒；数据存储单元还用于存储应急预案信息；数据处理单元还用于根据应急预案信息判断受训者面对危险时采取的自救方式是否正确，如不正确，则控制危险感知单元动作。有益效果：对于受训者在地质灾害如地震（孕震阶段、临震阶段、发震阶段和余震阶段）的各个阶段中未在合适的时间、地点作出正确的自救方式，通过危险感知单元对受训者进行提醒，加强受训者的记忆，提高演练的效果。

进一步，危险感知单元由若干全彩发光二极管做成，所述若干全彩发光二极管均由的分布在VR显示设备眼镜框的周围，根据危险系数显示不同的颜色与亮度若判断为轻度，则灯光全亮，显示绿色；若判断为中度，则灯光50%亮，显示黄色；若判断为重度，则灯光全亮，显示橙色；若判断为死亡，则灯光显示红色，闪烁。有意效果：通过灯光的亮暗及颜色对受训者进行提醒，加强受训者的记忆，提高演练的效果。

进一步，应急预案信息为在地质灾害演变的各个阶段中不同的自救方案。有益效果：提供给数据处理单元判断受训者在地质灾害演变的各个阶段中不同是否做出了正确的自救方式作为依据，提升了系统的处理应急情况的能力，使系统模拟更加真实、合理。

进一步，数据存储单元还用于存储评分规则；数据处理单元还用于当模拟演练结束，根据评分规则对演练过程中产生的用户执行信息进行分析，得出一个估计的分数与评价，并通过触控显示屏显示分析结果。有益效果：通过对受训者演练过程中的能力进行评估，可进行查缺补漏，有助于提升发生地质灾害时学生们的自救能力，提升学习效果。

进一步，地质灾害的演变过程根据岩土物理力学特性及地质力学作用规律进行模拟建模。有益效果：可真实的还原地质灾害的演变过程，进而加强受训者对地质灾害的了解与认识。

附图说明

图1为本发明机器人行为准则智能监管的方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：头戴式VR用户设备1、动作采集单元10、视角采集单元11、VR显示设备12、音频播放单元13、危险感知单元14、数据处理与控制模块2、数据存储单元20、触控显示屏21、数据处理单元22。

地质灾害VR模拟演练系统基本如图1所示： 地质灾害VR模拟演练系统，包括：头戴式VR用户设备和数据处理与控制模块2，其中，

所述头戴式VR用户设备包括：

动作采集单元10，动作采集单元10用于采集受训者在演练过程中所采用的动作，动作采集单元10，包括加速度传感器、陀螺仪和三轴磁力计，其中加速度传感器采用三轴加速度计，可以测量出人体移动的加速度，进而判断出人体移动的距离；陀螺仪采用三轴陀螺仪，通过测量自身的旋转状态，判断出人体当前运动状态，是向前、向后、向上、向下、向左还是向右、是加速（角速度）还是减速（角速度）；磁力计采用三轴磁力计，判断出人体的运动方位（东西南北），定位人体的方位，测量出当前人体与东南西北四个方向上的夹角，从而确定人体移动方向；三者结合形成9轴惯性测量单元，可精确的判断出人体是否移动，及在某个方位上移动的距离。

视角采集单元11，视角采集单元11用于在演练过程中，对受训者的注视点进行追踪；

VR显示设备12，VR显示设备12用于显示系统产生的地质灾害演练场景，并根据受训者的视线及运动轨迹显示相应视角的场景； VR显示设备12还用于显示地质灾害演变过程影响； VR显示设备12在HTC Vive Pre的基础上加入了眼球追踪传感器对受训者，以提升系统的准确性、速度和稳定性。

音频播放单元13，音频播放单元13用于播放地质灾害演练场景中的各种声音以及结束提示，其中音频播放单元13采用耳麦，通过耳麦进行声音的播放。

所述数据处理与控制模块2包括：

数据存储单元20，数据存储模块用于存储各种地质灾害演练场景、演练过程的实时数据和地质灾害演变过程影响；

触控显示屏21，触控显示屏21用于系统输入输出功能，用于选择数据存储单元20中预存的各类地质灾害演练场景，用于实时显示演练过程中的采集数据和反馈数据；

数据处理单元22，数据处理单元22用于根据选择的地质灾害演练场景向VR显示设备12提供相应的地质灾害演练场景、地质灾害演变过程影响和向音频播放单元13提供地质灾害演练场景中的各种声音；数据处理单元22还用于根据动作采集单元10和视角采集单元11采集的受训者运动轨迹及视角向VR显示设备12提供相应的场景；数据处理单元22还用于处理受训者以及地质灾害演练场景中人物和物体之间的信息传递与互动；数据处理单元22，演数据处理单元22还用于在模拟演练过程中收集受训者的执行信息与系统反馈信息，并将这些信息通过触控显示屏21展示给参与应急演练观摩的人员。

其中，数据处理单元22采用国产龙芯CPU进行数据处理与控制，通过对接收到的动作信号及视角信号进行分析识别，对受训者视角进行追踪。

数据存储单元20为数据库，数据库中预存的地质灾害模拟演练场景通过领域统一的概念描述库为背景，结合自然环境数据进行概念想定建模；然后概念想定模型通过地震灾害想定编辑器，结合实体模型数据，映射到可以运行的仿真想定模型进行仿真运行；数据库用于存储系统中的案例及数据，在系统运行的过程中，可以时时的来调用数据库中的数据，系统中有大量的数据需要动态管理，主要包括两方面：1)各种途径收集到的灾情数据及对灾情数据进行分析整理后的中间数据；2)数据处理单元22推演演练时所需要的各种视频、图片、声音和文字素材数据。

其中数据处理单元22的数据分析采用了海量信息的数据挖掘技术，对收集到的震情数据进行分析整理，对其中的关键信息进行提取、分类；采用MySQL数据库进行数据管理，MySQL不仅支持多平台，还具有无范式要求，采用标准的SQL结构化查询语言，支持大至2GB的二进制数据和分布优化多线索查询等优点，在管理数据的安全性、稳定性方面有着比较突出的性能。需要进行管理的数据主要包括以下几方面：(1)震情信息数据，(2)震情中间分析结果数据，(3)地震基本知识数据，(4)地震应急推演基本知识数据，(5)震例数据，(7)地震现场的视频、图片、声音、文本素材数据。

头戴式VR用户设备还包括危险感知单元14，危险感知单元14用于在受训者采取错误的自救方式时进行人体感知提醒；数据存储单元20还用于存储应急预案信息；数据处理单元22还用于根据应急预案信息判断受训者面对危险时采取的自救方式是否正确，如不正确，则控制危险感知单元14动作。而危险感知单元14由若干全彩发光二极管做成，所述若干全彩发光二极管均由的分布在VR显示设备12眼镜框的周围，根据危险系数显示不同的颜色与亮度：若判断为轻度，则灯光全亮，显示绿色；若判断为中度，则灯光50%亮，显示黄色；若判断为重度，则灯光全亮，显示橙色；若判断为死亡，则灯光显示红色，闪烁。对于受训者在地质灾害如地震（孕震阶段、临震阶段、发震阶段和余震阶段）的各个阶段中未在合适的时间、地点作出正确的自救方式，通过灯光的亮暗及颜色对受训者进行提醒，加强受训者的记忆，提高演练的效果。

应急预案信息为在地质灾害演变的各个阶段中不同的自救方案，可以提供给数据处理单元22判断受训者在地质灾害演变的各个阶段中不同是否做出了正确的自救方式作为依据，如在临震阶段，当接收到上级发布的地震预测后，根据安排迅速转移至避震点；发震阶段，对于无法跑出室外的受训者，根据周围环境选择“生命三角空间”，如承重墙墙角、厨房、厕所、储藏室等开间小的地方，危急中也可以选择桌子、床，在其旁边抱头屈膝，让头部低于床和桌子的高度，而且尽可能用枕头、椅垫保护住头部，这样可以更有效地躲避垮塌物体对人体的伤害，等主震后再逃生；余震阶段，避开危房，远离危险源，防止发生次生灾害，对于未根据应急预案信息进行避险的受训者，数据处理单元22会发出感官提示，提升了系统的处理应急情况的能力，使系统模拟更加真实、合理。

数据存储单元20还用于存储评分规则；数据处理单元22还用于当模拟演练结束，根据评分规则对演练过程中产生的用户执行信息进行分析，得出一个估计的分数与评价，并通过触控显示屏21显示分析结果，通过对受训者演练过程中的能力进行评估，可进行查缺补漏，有助于提升发生地质灾害时学生们的自救能力，提升学习效果。

地质灾害的演变过程根据岩土物理力学特性及地质力学作用规律进行模拟建模，可真实的还原地质灾害的演变过程，进而加强受训者对地质灾害的了解与认识。

模拟时，受训者戴上头戴式VR用户设备，启动系统，系统初始化后运行，教授人员通过触控显示屏21的人机交互界面，从数据存储单元20中预存的各类地质灾害演练模拟场景选择地震演练模拟场景，选择完成后，数据处理单元22读取选择的模拟演练程序，VR显示设备12开始显示数据处理单元22传送的演练模拟场景和实时显示地质灾害演变过程影响，音频播放单元13播放相应的声音，视角采集单元11和动作采集单元10实施跟踪受训者的视线及运动轨迹，并发送至数据处理单元22，数据处理单元22对视线及运动轨迹进行运算处理，根据处理结果输出相应视角的场景并通过VR显示设备12显示场景、音频播放单元13输出相应的声音，数据处理单元22还对整个演练过程中的执行信息与系统反馈信息进行收集，并存储至数据存储单元20，并将这些信息通过触控显示屏21展示给参与应急演练观摩的人员。

在演练过程中，受训者可以根据场景的中实时渲染出不同破坏程度的建筑物分布范围，倒塌建筑物的各种状态、地质灾害次生灾害的发生发展过程、不同虚拟角色的动作情况等作出交互动作，数据处理单元22根据交互动作实时做出响应，并控制VR显示设备12显示相应场景，如在演练过程中死亡，则受训者演练结束，否则演练过程正常结束。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，包括：头戴式VR用户设备和数据处理与控制模块，其中，

所述头戴式VR用户设备包括：

动作采集单元，动作采集单元用于采集受训者在演练过程中所采用的动作；

视角采集单元，视角采集单元用于在演练过程中，对受训者的注视点进行追踪；

VR显示设备，VR显示设备用于显示系统产生的地质灾害演练场景，并根据受训者的视线及运动轨迹显示相应视角的场景；VR显示设备还用于显示地质灾害演变过程影响；

音频播放单元，音频播放单元用于播放地质灾害演练场景中的各种声音以及结束提示；

所述数据处理与控制模块包括：

数据存储单元，数据存储模块用于存储各种地质灾害演练场景、演练过程的实时数据和地质灾害演变过程影响；

触控显示屏，触控显示屏用于系统输入输出功能，用于选择数据存储单元中预存的各类地质灾害演练场景，用于实时显示演练过程中的采集数据和反馈数据；

数据处理单元，数据处理单元用于根据选择的地质灾害演练场景向VR显示设备提供相应的地质灾害演练场景、地质灾害演变过程影响和向音频播放单元提供地质灾害演练场景中的各种声音；

数据处理单元还用于根据动作采集单元和视角采集单元采集的受训者运动轨迹及视角向VR显示设备提供相应的场景；

数据处理单元还用于处理受训者以及地质灾害演练场景中人物和物体之间的信息传递与互动；

数据处理单元，数据处理单元还用于在模拟演练过程中收集受训者的执行信息与系统反馈信息，并将这些信息通过触控显示屏展示给参与应急演练观摩的人员。

2.根据权利要求1所述的地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，所述头戴式VR用户设备还包括危险感知单元，危险感知单元用于在受训者采取错误的自救方式时进行人体感知提醒；

数据存储单元还用于存储应急预案信息；

数据处理单元还用于根据应急预案信息判断受训者面对危险时采取的自救方式是否正确，如不正确则控制危险感知单元动作。

3.根据权利要求2所述的地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，所述危险感知单元由若干全彩发光二极管做成，所述若干全彩发光二极管均匀的分布在VR显示设备眼框的周围，根据危险系数显示不同的颜色与亮度：

若判断为轻度，则灯光全亮，显示绿色； 若判断为中度，则灯光50%亮，显示黄色；若判断为重度，则灯光全亮，显示橙色；若判断为死亡，则灯光显示红色，闪烁。

4.根据权利要求3所述的地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，所述应急预案信息为在地质灾害演变的各个阶段中不同的自救方案。

5.根据权利要求1-4任一所述的地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，所述数据存储单元还用于存储评分规则；

数据处理单元还用于当模拟演练结束，根据评分规则对演练过程中产生的用户执行信息进行分析，得出一个估计的分数与评价，并通过触控显示屏显示分析结果。

6.根据权利要求5所述的地质灾害VR模拟演练系统，其特征在于，所述地质灾害的演变过程根据岩土物理力学特性及地质力学作用规律进行模拟建模。