CN114004051B - 一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法。该方法使用虚拟仿真技术搭建常见的机场灾害模型并演练救援方案，可提高实际操作时的救援能力和救援效果。该系统的构建方法具体包括机场应急救援虚拟演练场景构建理论、机场应急救援虚拟演练方案推演、机场应急救援虚拟演练效果评价三个部分，且所述三个部分共同集成于机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台。该系统可使用户产生“沉浸”于等同真实应急环境的感受和体验，支持用户基于救援职责分工实现个性化演练参考，提出机场灾害应急救援虚拟演练效果评价方法，实现动态和精确的演练效果评价。

Description

一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法

技术领域

本发明属于机场应急救援管理领域，尤其涉及一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法。

背景技术

航空安全为全社会广泛关注，具有极大的社会和政治影响。应急演练是为检验应急技术有效性和救援人员协同性而进行的一种模拟应急响应的实践行为。机场事故虽为小概率事件，但若救援人员平时缺乏应急演练，在应急处置中就容易出现纰漏，机场应强化应急处置协调机制，加强应急演练，提高实战能力。近年来，计算机辅助的应急救援虚拟演练已成为一个热门的研究方向，并在多个领域得以应用。目前国内外关于矿山、地震灾害应急救援虚拟演练研究较多，针对民用机场应急救援虚拟演练的研究仍欠系统深入。

本发明提出面向机场的灾害应急救援虚拟演练场景构建方法，使用户产生“沉浸”于等同真实应急环境的感受和体验；设计面向机场的灾害应急救援虚拟演练的应急预案推演方法，支持用户基于救援职责分工实现个性化演练参考；提出机场灾害应急救援虚拟演练效果评价方法，实现动态和精确的演练效果评价。

发明内容

本发明为解决当前民用机场在应急救援领域可能存在的救援经验不足、处置程序不熟悉、救援协同水平低下的问题，提出了一种可应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建办法，用于应急处置人员开展机场应急救援事件处置过程训练。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其使用虚拟仿真技术搭建典型的机场灾害场景模型，并依据对应灾害的应急救援处置程序设置演练救援，通过救援演练提高参演人员单兵救援实战能力和水平，同时也促进各救援小组的救援水平；具体包括机场应急救援虚拟演练场景构建方法、机场应急救援虚拟演练预案推演、机场应急救援虚拟演练效果评价三个部分，且所述三个部分共同集成于机场应急救援虚拟演练仿真系统。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练场景构建理论包括如下步骤：

S1：建立民用机场基本地物三维虚拟模型。包括地景和运动目标，地景目标主要涉及机场建筑物、道面、设施和设备；运动目标主要涉及航空器、车辆、救援人员、以及气象环境。

S2：建立民用机场典型灾害事件应急救援虚拟演练场景模型。依据民用机场灾害事件类型及处置预案，虚拟场景模型采取分细节度方式建模，以三层不同细节度模型方案实现三维场景建模，分别是宏观灾害场景、救援督导场景和救援作业场景，不同细节度场景模型根据不同参演用户需要，采取不同实现方式。其中，宏观灾害场景主要用于宏观了解灾害事件救援演练场景和任务，采用地形高程数据模型加三维纹理贴图；救援督导场景主要用于虚拟演练督导，采用复杂实体模型与三维表面模型相结合；救援作业场景面向救援协同施救，采用全三维实体模型建模；

S3：设计虚拟特情特效及动态衍生事件场景特效。采用粒子系统模拟并加入光线跟踪技术来对具体的救援作业场景进行渲染以提高沉浸感，同时，通过设立粒子的大小、纹理、初始位置、速度、旋转角度、生命周期等来表现爆炸、着火效果，以实现衍生事件场景特效；设置粒子的大小、发射速度矢量以及喷射时间确定灭火泡沫的喷射量。同时，通过碰撞检测技术来检测泡沫是否喷射到着火点，并采用粒子来实现泡沫与飞机机体撞击溅射特效。

S4：整合场景模型并融合外界多用户交互数据，将各细节度场景模型以脚本形式进行整合，基于应急事件时空演变动力学模型纳入用户人机交互及协同数据，同时将用户协同声效、演练现场声效融合实现虚拟演练场景动态呈现。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练方案推演包括如下步骤：

S1：建立应急预案复杂知识网络模型。将机场应急预案分解为事件和响应两类要件，并对其进行模糊化处理，确定模糊事件集和隶属度函数，在此基础上建立应急预案复杂知识网络模型，其中节点为预案知识，包括事件和响应，并附有前后节点要件的模糊匹配方法；

S2：设计应急预案多模式推演规则，将机场应急预案中的事件和响应视为应急预案推演的最小单元，并根据应急事件时空演变规律，分一对一、一对多、多对一和多对多四种类型来设计应急预案多模式推演规则；

S3：应急预案推演规则的约简，针对机场应急预案推演规则模糊不确定性，以及预案推演的多事件多维特征，采用模糊粗糙集和模糊熵相结合，进行预案推演规则的约简；

S4：设计应急预案推演规则匹配方法，以组态化方式将预案推演脚本内容存储并形成推演规则专家库，综合考虑推演过程中可能存在的人机交互，设计基于模糊专家知识的应急预案推演规则匹配方法，从而支持完成预案推演。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练效果评价包括如下步骤：

S1：构建层次化评价指标体系，采用物理、事理、人理系统方法论构建机场应急救援虚拟演练效果评价的主、客观层次化评价指标体系；

S2：设计指标权重计算方法，对客观评价指标，考虑机场应急救援虚拟演练效果评价需求，采用基于单纯的熵权方法进行指标权重赋值；对纯主观评价指标，采用AHP层次分析方法对指标权重进行计算；

S3：分层熵权模型构建，基于用户响应数据，考虑应急救援虚拟演练过程评价和结果评价的双重需求，设计应急事件灾害熵、演练行为偏离熵、演练时间偏离熵、演练顺序偏离熵计算方法，从而构建面向机场应急救援虚拟演练效果评价的分层熵权模型；

S4：主客观指标权重融合算法设计，对主观评价指标权重进行规范化，并计算主观评价体系的熵；同时，对客观评价指标得到客观评价体系的熵；进一步地，设计主客观指标权重融合算法，对需要混合的每层主、客观评价指标进行融合，从而实现虚拟演练的主客观混合评价。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台包括如下步骤：

S1：提炼机场消防救援场景的主要环境特征信息，利用3DMax创建应急救援虚拟演练所需的三维实体模型，包括飞行区场景、消防车、航空器等三维模型，并将其导入Unity3D引擎进行模型绑定；同时，对于消防车的行驶集结过程进行动画制作；

S2：利用Unity3D软件开发虚拟演练任务想定模块，并实现与典型消防救援场景关联、逻辑整合和系统优化，利用Unity3D引擎为虚拟演练场景模型添加特效，开发预案推演及虚拟演练进程控制处置；

S3：采用协同程序处理方式和多线程技术，实现虚拟演练系统人机交互界面，包括虚拟演练场景设置界面、演练效果评价界面。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练效果评价包括整体性评价和单兵评价。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台可借助于现实头盔和手柄支持学员进入虚拟演练场景展开交互。

在一种可能的实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台的组成包括用户虚拟演练席位终端、总控位终端、外界注入数据激励、仿真事务处理服务器、虚拟演练业务服务器、用户协同通信服务器六个部分，各部分的具体功能为：S1：用户虚拟演练席位终端：将开发的虚拟演练客户端部署于各席位终端，实现“沉浸式”虚拟演练场景，各终端支持用户通过操作手柄、鼠标等方式进行人机交互；S2：虚拟演练总控位终端：将虚拟演练任务设置、预案推演脚本、演练记录与回放等模块部署于该终端，实现对应急救援虚拟演练动态控制与评价；S3：仿真事务处理服务器：针对应急救援虚拟演练场景构建要求，纳入应急演练声效特征，构建民航应急救援虚拟演练的分细节度场景，含宏观灾害场景、救援督导场景和现场作业场景；S4：虚拟演练业务服务器：负责应急救援虚拟演练预案推演引擎和进程控制器，实现基于复杂知识网络的虚拟演练应急预案模糊推演，运行基于多Agent的虚拟演练进程控制核心算法；S5：用户协同通信服务器：针对多用户协同施救进行通信的需要，完成协同语音或文字信息的集中收集与分发，并支持总控位终端实时向各用户终端传递督导信息；S6：外界注入数据激励：依据具体的民航应急救援虚拟演练场景需要，激励生成相应的民航运行现场背景信息，并将其注入到仿真场景中，以提高虚拟演练场景逼真度。

本发明提出的一种应用于机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，与现有技术相比优点在于：

应用虚拟现实技术构建接近于机场应急事件现场的虚拟演练场景、多人多客户端参演以保证人的主观因素加入、最大限度地接近实战且节约大量的人力物力成本，支持构建面向多用户、高性价比的机场应急救援虚拟演练平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例中虚拟演练场景构建示意图。

图2是本实施例中虚拟演练预案推演示意图。

图3-4是本实施例中虚拟演练关键技术验证平台工作示意图。

图5是本实施例中虚拟演练关键技术验证平台组成部分示意图。

具体实施例

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，机场应急救援虚拟演练场景构建理论的一种实施例为：设计一种以3DMAX和Unity 3D混合建模完成场面仿真场景构建，以考虑机场管制运行实际和三维视景需求，建立航空器机场场面活动运动学模型，给出了具体的场面三维仿真软件设计思路和实现方法，并通过实例验证了方法的有效性，仿真结果表明：所给方法可支持快速构建场面仿真场景和活动模型，并有效地增强了场景真实感和用户体验性，实现仿真程序和三维场景的实时交互。

如图2所示，机场应急救援虚拟演练方案推演的一种实施例为：

一、建立应急预案领域知识模型。对机场特定类突发事件预案内

容进行聚类特征分析，包括：

①适用范围：包括突发事件种类以及事件信息。以航空器火警突发事件预案为例，应明确预案所适用的突发事件地点，地点位置包括机坪、滑行道，跑道等。

②信息传递程序：各部门之间的信息传递是双向的，各部门及时上报部门所属任务的处置情况，指挥部根据各部门的处置情况及时作出下一步的响应指示；信息传递程序包括在复杂情况下的信息传递途径，例如在通讯设备失效的情况下考虑靠人力传递信息等途径。

③信息传递内容：信息传递的内容包括发生事件的航空器航班号、机型、事故发生时间地点，旅客及机组情况、救援所需人力、设备以及其他相关情况。

④救援处置程序：应包含各部门的救援处置程序，包括机场塔台、消防和救援、执法和安保、医疗服务和机场运营人等的职责以及在突发事发生后应急准备、应急响应，应急恢复中的标准处置流程并实时记录处置过程。

二、建立应急预案数字化本体模型。机场应急预案本体为：AERPO_Ontology:＝{AERPO_Concepts，AERPO_Relations，AERPO_Functions，AERPO_Axioms，AERPO_Instances}，AERPO_Concepts指该本体模型中机场应急预案领域的概念集合，AERPO_Relations指该本体模型中概念间关系的集合，AERPO_Functions指该本体模型中函数的集合，AERPO_Axioms指该本体模型中公理的集合，AERPO_Instances指该本体模型中概念实例的集合。

三、实现基于VR的机场应急救援虚拟演练推演。提出一种基于VR技术的民用机场应急预案推演方法。建立了机场飞行区的基本VR静态视景，实现了典型机型三维模型的导入集成，并完成应急响应阶段进程的可视化。该演练方式有助于相关人员掌握救援技能，提高救援效率，最大限度地减少生命和财产损失。

如图3所示，机场应急救援虚拟演练效果评价的一种实施例为：

1、建立应急救援虚拟演练效果整体性评价方法。结合虚拟演练参演部门操作流程以及虚拟救援交互行为所能够采集到的响应数据类型，建立机场应急救援虚拟演练效果整体性评价指标，主要包括：①组间协同数据：包括信息传递时间和信息生效时间，信息传递时间是指部门之间传递信息的时间；信息生效时间是指部门接到指令到准备工作完成的时间，例如消防组接到指令进行集结所用的时间。②组间交互数据：组间交互数据是指各小组履行各部门职能所产生的交互数据，包括各部门到达处置现场的时间、消防警戒组完成警戒的时间、消防灭火组完成火势控制的时间、消防救援组救援时间和医疗救护的时间。

进一步，在评价过程中按照部门任务进行细分，鉴于任务单元与时间之间存在的对应关系，且每一任务单元均不是独立存在，分段任务单元会对后续任务产生影响，因此项目建立了基于时间约束的任务完成度模型来开展虚拟演练效果的整体性评价。

2、应急救援虚拟演练效果岗位单兵评价方法。在机场应急演练过程中涉及到多部门共同协作参与应急处置流程，每个部门处置规范及救援效率都会对整体演练效果产生重要影响，而部门整体的演练效果又受到部门各岗位单兵应急救援能力的制约。以往实地演练综合演练大多通过演练结束后对演练效果进行宏观评价，存在一定的主观性。在应急救援虚拟演练中，岗位单兵通过虚拟交互设备与虚拟环境进行实时交互，虚拟演练平台可以收集到大量的人机交互数据，例如用户在场景中的位置坐标、完成演练任务的用时等，项目基于用户响应数据的演练效果评价研究，建立了基于轨迹异常检测的岗位单兵效果评价模型。

在单兵演练效果评价时，虚拟演练系统中可以完成对来自不同部门的参演人员进行虚拟演练，也可以通过终端控制对来自不同部门的参演人员进行演练科目调整，设置不同的灾害场景来展开具体技能评价。

如图4和5所示，机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台的一种事实例为：

1、人机界面设计。基于系统功能需求，采用Unity3D自带的GUI模块设计基本界面，主要包括教员席、学员席。教员席主要涉及个人账户登录、演练想定设置、学员演练角色设定、演练计划导入、演练进度控制等；学员席界面相对简单，主要涉及个人账户登录、领受演练任务。采用分席位和层次化UI的界面设计，保证整个平台软件有较好的交互性，同时考虑平台功能性需求，采用多线程技术以优化整体性能。

2、虚拟演练场景特效设计。利用Unity3D粒子系统实现消防灭火中的航空器火灾及泡沫特效。设置火焰粒子源来模拟飞机火灾场景。视景中灭火泡沫的喷射方向、扬程可通过平台实时感知虚拟现实操纵手柄的姿态来实时解算。设置粒子的大小、发射速度矢量以及喷射时间可确定灭火泡沫的喷射量。同时，通过碰撞检测技术来检测泡沫是否喷射到着火点，并采用粒子来实现泡沫与飞机机体撞击溅射特效。此外，依据泡沫喷射的时间长短估算喷射量，可进一步确定是否熄灭火情。视景中，可在机身前部段、机翼、发动机等典型部位放置火灾特效发射源，根据演练需要支持不同部位灭火虚拟演练。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

Claims (5)

1.一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其特征在于，使用虚拟仿真技术搭建典型的机场灾害场景模型，并依据对应灾害的应急救援处置程序设置演练救援，通过救援演练提高参演人员单兵救援实战能力和水平，同时也促进各救援小组的救援水平，具体包括机场应急救援虚拟演练场景构建方法、机场应急救援虚拟演练预案推演、机场应急救援虚拟演练效果评价三个部分，且所述三个部分共同集成于机场应急救援虚拟演练仿真系统；

在一种实现方式中，所述机场应急救援虚拟演练场景构建方法包括如下步骤：

S1：建立民用机场基本地物三维虚拟模型；包括地景和运动目标，地景目标主要涉及机场建筑物、道面、设施和设备；运动目标主要涉及航空器、车辆、救援人员、以及气象环境；

S2：建立民用机场典型灾害事件应急救援虚拟演练场景模型；依据民用机场灾害事件类型及处置预案，虚拟场景模型采取分细节度方式建模，以三层不同细节度模型方案实现三维场景建模，分别是宏观灾害场景、救援督导场景和救援作业场景，不同细节度场景模型根据不同参演用户需要，采取不同实现方式；其中，宏观灾害场景主要用于宏观了解灾害事件救援演练场景和任务，采用地形高程数据模型加三维纹理贴图；救援督导场景主要用于虚拟演练督导，采用复杂实体模型与三维表面模型相结合；救援作业场景面向救援协同施救，采用全三维实体模型建模；

S3：设计虚拟特情特效及动态衍生事件场景特效；采用粒子系统模拟并加入光线跟踪技术来对具体的救援作业场景进行渲染以提高沉浸感，同时，通过设立粒子的大小、纹理、初始位置、速度、旋转角度、生命周期来表现爆炸、着火效果，以实现衍生事件场景特效；设置粒子的大小、发射速度矢量以及喷射时间确定灭火泡沫的喷射量，同时，通过碰撞检测技术来检测泡沫是否喷射到着火点，并采用粒子来实现泡沫与飞机机体撞击溅射特效；

S4：整合场景模型并融合外界多用户交互数据，将各细节度场景模型以脚本形式进行整合，基于应急事件时空演变动力学模型纳入用户人机交互及协同数据，同时将用户协同声效、演练现场声效融合实现虚拟演练场景动态呈现；

所述机场应急救援虚拟演练方案推演包括如下步骤：

S1：建立应急预案复杂知识网络模型，将机场应急预案分解为事件和响应两类要件，并对其进行模糊化处理，确定模糊事件集和隶属度函数，在此基础上建立应急预案复杂知识网络模型，其中节点为预案知识，包括事件和响应，并附有前后节点要件的模糊匹配方法；

S2：设计应急预案多模式推演规则，将机场应急预案中的事件和响应视为应急预案推演的最小单元，并根据应急事件时空演变规律，分一对一、一对多、多对一和多对多四种类型来设计应急预案多模式推演规则；

S3：应急预案推演规则的约简，针对机场应急预案推演规则模糊不确定性，以及预案推演的多事件多维特征，采用模糊粗糙集和模糊熵相结合，进行预案推演规则的约简；

S4：设计应急预案推演规则匹配方法，以组态化方式将预案推演脚本内容存储并形成推演规则专家库，综合考虑推演过程中可能存在的人机交互，设计基于模糊专家知识的应急预案推演规则匹配方法，从而支持完成预案推演；

所述机场应急救援虚拟演练效果评价包括如下步骤：

S1：构建层次化评价指标体系，采用物理、事理、人理系统方法论构建机场应急救援虚拟演练效果评价的主、客观层次化评价指标体系；

S2：设计指标权重计算方法，对客观评价指标，考虑机场应急救援虚拟演练效果评价需求，采用基于单纯的熵权方法进行指标权重赋值；对纯主观评价指标，采用AHP层次分析方法对指标权重进行计算；

S3：分层熵权模型构建，基于用户响应数据，考虑应急救援虚拟演练过程评价和结果评价的双重需求，设计应急事件灾害熵、演练行为偏离熵、演练时间偏离熵、演练顺序偏离熵计算方法，从而构建面向机场应急救援虚拟演练效果评价的分层熵权模型；

S4：主客观指标权重融合算法设计，对主观评价指标权重进行规范化，并计算主观评价体系的熵；同时，对客观评价指标得到客观评价体系的熵；进一步地，设计主客观指标权重融合算法，对需要混合的每层主、客观评价指标进行融合，从而实现虚拟演练的主客观混合评价。

2.根据权利要求1所述的一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其特征在于，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台包括如下步骤：

S1：提炼机场消防救援场景的主要环境特征信息，利用3DMax创建应急救援虚拟演练所需的三维实体模型，包括飞行区场景、消防车、航空器三维模型，并将其导入Unity3D引擎进行模型绑定；同时，对于消防车的行驶集结过程进行动画制作；

S2：利用Unity3D软件开发虚拟演练任务想定模块，并实现与典型消防救援场景关联、逻辑整合和系统优化，利用Unity3D引擎为虚拟演练场景模型添加特效，开发预案推演及虚拟演练进程控制处置；

S3：采用协同程序处理方式和多线程技术，实现虚拟演练系统人机交互界面，包括虚拟演练场景设置界面、演练效果评价界面。

3.根据权利要求1所述的一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其特征在于，所述机场应急救援虚拟演练效果评价包括整体性评价和单兵评价。

4.根据权利要求2所述的一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其特征在于，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台借助于现实头盔和手柄支持学员进入虚拟演练场景展开交互。

5.根据权利要求4所述的一种应用于民用机场应急救援的虚拟仿真系统构建方法，其特征在于，所述机场应急救援虚拟演练关键技术验证平台的组成包括用户虚拟演练席位终端、总控位终端、外界注入数据激励、仿真事务处理服务器、虚拟演练业务服务器、用户协同通信服务器六个部分，各部分的具体功能为：S1：用户虚拟演练席位终端：将开发的虚拟演练客户端部署于各席位终端，实现“沉浸式”虚拟演练场景，各终端支持用户通过操作手柄、鼠标方式进行人机交互；S2：虚拟演练总控位终端：将虚拟演练任务设置、预案推演脚本、演练记录与回放模块部署于该终端，实现对应急救援虚拟演练动态控制与评价；S3：仿真事务处理服务器：针对应急救援虚拟演练场景构建要求，纳入应急演练声效特征，构建民航应急救援虚拟演练的分细节度场景，含宏观灾害场景、救援督导场景和现场作业场景；S4：虚拟演练业务服务器：负责应急救援虚拟演练预案推演引擎和进程控制器，实现基于复杂知识网络的虚拟演练应急预案模糊推演，运行基于多Agent的虚拟演练进程控制核心算法；S5：用户协同通信服务器：针对多用户协同施救进行通信的需要，完成协同语音或文字信息的集中收集与分发，并支持总控位终端实时向各用户终端传递督导信息；S6：外界注入数据激励：依据具体的民航应急救援虚拟演练场景需要，激励生成相应的民航运行现场背景信息，并将其注入到仿真场景中，以提高虚拟演练场景逼真度。

Images