基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台设计.pdf

自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台设计闫建生1,欧阳龙水2,徐义巍1,刘 炜1,马建平1（1.宁夏京能宁东发电有限责任公司，宁夏 银川 750400；2.中安华邦（北京）安全生产技术研究院股份有限公司，北京 100000）摘要:针对现有火灾救援应急演练场景渲染速率较低的问题，提出基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台设计。地形模块用于在协同式3D多人应急演练平台中进行地理信息展示。演练导播模块的交互界面为仿真度极高的三维实景。该模型主要通过虚拟现实技术来构建协同应急演练的虚拟场景模型。数据库模块支持服务器模块中的数据操作包括数据入库、数据查询。并将其应用于应急演练中，对平台是否满足设计预期进行测试。实验结果表明，该平台的可视化映射速度平均可达12.54 ms；场景渲染速率平均达到了33 帧/s，验证该平台的良好性能和良好的应用前景。关键词:虚拟现实技术；LRU Cache机制；应急演练平台；LOD技术中图分类号：TP391文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0179-05Design of A Collaborative 3D Multi-person Emergency DrillPlatform Based on Virtual Reality TechnologyYAN Jian-sheng1,OUYANG Long-shui2,XU Yi-wei1,LIU Wei1,MA Jian-ping1(1.Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co.,Ltd.,Yinchuan 750400 China;2.Zhongan Winbond(Beijing)Safety Production Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100000 China)Abstract:Aiming at the low rendering speed of the existing fire rescue emergency drill scene,a collaborative 3D multi person emergencydrill platform based on virtual reality technology is proposed.Terrain module is used to display geographic information in collab-orative 3D multi person emergency drill platform.The interactive interface of the drill guide module is a highly simulatedthree-dimensional real scene.This model mainly uses virtual reality technology to build the virtual scene model of collaborativeemergency drill.The database module supports the data operation in the server module,including data storage and data query.And it is applied to the emergency drill to test whether the platform meets the design expectation.The experimental results showthat the average mapping speed of the platform is 12.54 Ms;The average rendering rate of the scene reaches 33 frames/s,whichproves the good performance and good application prospect of the platform.Keywords:virtual reality technology;LRU Cache mechanism;emergency drill platform;LOD technology收稿日期:2021-09-08DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）08-0179-05.1引言目前我国正处于社会转型、体制转轨，城市化与工业化加速发展的阶段，既是发展速度提升的机遇期，也是突发公共事件和矛盾的易发期，使我国面临着严峻的应急管理形势1。根据我国应急管理的相关规定，为了提升各级政府对于突发公共事件的处置与预防能力，有关方面必须对应急管理与救援人员实施定期培训，以提升其专业技能。与此同时，也要与实际相结合，有重点地、有计划地对相关部门进行组织，利用应急演练平台实施相关应急预案的演练。当前我国在应急管理培训与演练方面发展较为滞后，无法满足国家构建应急体系与经济发展的需要，相较发达国家来说差距较大2-3。这方面的研究主要始于上世纪90年代，国外学者进行了层次细节概念、绘制加速技术、场景渲染技术、漫游技术、动态调整技术、空间划分技术等方面的研究，并将其应用于应急演练平台的设计中。在多项研究成果中，可视化技术下的应急演练平台有着比较广泛的应用。而国内学者对可见性算法、多分辨率技术、大规模渲染、实时绘制技术、动态场景支持技术、数据读取技术等进行了研究，并将其应用于应急演练平台的设计中。其中，文献4采用多Agent建模理论研究，文献5和虚拟技术手段，设计了应急演练平台。针对以上火灾救援应急演练场景渲染速率较低的问题，本文将虚拟现实技术应用于应急演练平台的设计中，设计一种基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台，对灾难突发场景进行再现。179行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications2基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台设计2.1设计地形模块在协同3D多人应急演练平台上，利用地形模块进行地理信息展示。在平台中，地形模块的存在形式为额外插件，该模块的结构是受限分裂四叉树金字塔结构，通过opengl的接口来绘制。模块内的地理信息具体包括DEM数据与区域纹理数据，使用卫星提供数据生成这些数据。采用四叉树受限机制与LRU Cache机制，优化了地形模块的实时绘制的效果与效率。其中LRU Cache 机制是一种管理机制。四叉树受限机制是在未获取到下一层的DEM数据或纹理数据时，四叉树就停止分裂，并以客户端视锥体为依据加速绘制或进行裁剪。在地形中对视频进行播放时或移动相机视角时视角会发生变化从而带来地形的变化6。此时地形模块中的功能就会被调用，例如相机会调用地形模块中绘制地形的功能，而视频播放会调用地形模块中视频数据加载的功能。在地形模块中，制作地形数据的流程具体如图1所示。图1制作地形数据的流程2.2设计演练导播模块演练导播模块的功能设计原则是面向应急应用，能够整合基础AV系统硬件，其交互界面为仿真度极高的三维实景，操作简单，使操作人员不必非常专业，即可对协同式3D多人应急演练平台进行操作7。演练导播模块与接口相结合可以实现数字化预案的交互，从而从预案响应环节出发控制和切换多人应急演练的展示信息场景。其功能具体包括操作三维场景、管理演练显示模式、管理信号预览、快照管理、流程管理。操作三维场景功能是一种高仿真操作功能，应用了虚拟现实技术，能够对演练实景的3D高仿真场景进行操作，为操作者带来身临其境的感受，对平台进行更加直观地管理与操作8。管理演练显示模式功能能够对演练中的模式进行自动切换、显示。该功能还支持拖拽方式。管理信号预览功能能够对应急演练视频信号进行预览，当确定信号无误以后，再进行显示设备上的信号投放。快照管理功能能够对各种应急演练场景进行快照管理，以提升应急演练效率，降低操作失误的几率。所记录的数据以后将会存储在平台中，可以重复观看与利用。流程管理功能是对演练流程图与演练方案进行管理。对演练流程图进行管理主要是串接不同的应急演练场景，通过该功能还可以展示数字化预案。对演练方案进行管理主要是对应急演练流程实施分类处理，以此为基础设施流程设计，以进行流程的使用和管理。通过该功能可以实现方案与环境场景以及各种信号间的关联控制。2.3设计虚拟场景模块该模型主要是利用虚拟现实技术建立协同应急演练的虚拟场景模型，具体包括道路、树木、建筑物、地形等多个静态物体。为了提高模型的实时性和高效性，在模型构建过程中大量采用LOD技术。以不影响视觉效果为前提，尽量减少绘制面数。构建的虚拟多人救火场景图如图2所示。图23D多人救火场景图在虚拟场景模型的构建中，使用了多个虚拟现实仿真软件。在地形的3D仿真中，使用的虚拟现实仿真软件为Global Mapper与Terra Vista。其中Terra Vista通过树形节点模式对整个工程进行管理。各节点的具体类型如表1所示。表1各节点的具体类型序号123456789节点RootPublished OutputApplication LibrarySource Data LibraryCulture ParameterTerrain ParameterTexture LibraryModel LibraryProperty Library具体类型属于目录根节点属于输出成果节点属于程序参数节点属于资源数据库对应节点，包括卫片数据以及高程数据等属于特征参数节点属于地形参数节点属于纹理数据库对应节点，包含默认纹理图片属于模型数据库对应节点，主要负责对各种模型进行管理、加载，例如树木、工厂等属于属性数据库对应节点而Global Mapper则主要用于地图的绘制，可以将180自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications数据转换为矢量地图、高程地图、光栅地图，还能够转换、编辑地图，记录GIS、GPS数据以及对各种图形文件进行打印。在虚拟地形模型的构建中，首先需要对地形的高程数据进行下载，接着对SRTM数据进行格式转换并制作地形纹理，最后实施三维地形建模。最终构建的虚拟地形模型示意图如图3所示。图3最终构建的虚拟地形模型示意图在虚拟建筑模型的构建中，使用的虚拟现实仿真软件为Multigen Creator。构建虚拟建筑模型时，使用的数据格式为OpenFlight，其中包含的节点种类有SWITCH转换节点、DOF自由度节点、LOD细节层次节点等功能节点以及面节点、体节点、组节点等基本节点。在对静态物体进行建模仿真时，使用的虚拟现实仿真软件也是Multigen Creator。该软件可以实现周围建筑群、树木、桥等静态物体的虚拟模型构建。2.4设计服务器模块协同式3D多人应急演练平台的服务器模块由处理器和数据服务器构成。其中处理器选用的型号是MX-MCI6U1M0AV8CA，是一种嵌入式处理器。数据服务器选用的型号是D1505-EIS-01D0111，具体技术数据如表2所示。表2数据服务器具体技术数据系统处理器系统内存显示部件BIOSL3 Cache主频CPU插槽最大容量技术三重显示双显HDMI图像引擎芯片组技术数据AMLER 128 Mbit4 MB23 GHz Dul-CoreIntel Core i31 x 260-pin S0-DIMM16 GBDDR4 2 133 MHzOptional display module+HDMI+VGAHDMI+Yes,VGAHDMI 1.4a for HD wideo playback,4096OpenGL 4.4Intel HD Graphics 5202.5设计数据库模块数据库模块在构建平台数据库时首先需要分成三步进行数据处理：制定标准、采集、处理数据以及整理、入库数据。在此基础上需要对空间数据库进行构建，具体结构如图4所示。图4空间数据库具体结构数据库模块支持的数据操作包括数据入库、数据查询。数据库模块的结构表具体如表3所示。表3数据库模块的结构表序号123456789101112131415数据内容属性信息地形初始数据链接路径初始模型纹理模型重复数据模型复制模型结构层次标志库初始场景点结构线结构面结构标志加载数据影像数据格式RepeatersTZBeginMdTZInfoLinesTZ LodTZMapdataTZMdcyTZMddataTZMdDbLodTZMdDbSignTZModel_bin_tTZMunTZPathPointTZSeePointTZSignTZTrndata3平台应用3.1应用场景设置对于设计的基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台，将其投入到应急演练的应用中，对平台是否满足设计预期进行测试。设计3种火灾应急演练场景，设计的场景信息具体如下：场景A：（1）火灾建筑面积：200 m2；（2）建筑层数：1层；（3）需救援人员数量：50名；（4）救援人员数量：20名；（5）建筑应急设备状态：正常；（6）已起火时间：15 min。场景B：181行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications（1）火灾建筑面积：500 m2；（2）建筑层数：7层；（3）需救援人员数量：65名；（4）救援人员数量：25名；（5）建筑应急设备状态：自动喷淋系统出现故障；（6）已起火时间：8 min；（7）起火层数：3层。场景C：（1）火灾建筑面积：400 m2；（2）建筑层数：6层；（3）需救援人员数量：25名；（4）救援人员数量：10名；（5）建筑应急设备状态：自动喷淋系统出现故障；（6）已起火时间：10 min；（7）起火层数：6层。3.2测试方法在利用设计的基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台针对以上3种火灾应急演练场景进行应急演练时，对场景模型搭建时平台的可视化映射速度与场景渲染速率进行测试。（1）在对平台的可视化映射速度进行测试时，需要进行多次应急演练，分别对3种火灾应急演练场景下平台的平均可视化映射速度进行测试，并记录测试结果；（2）在对平台的场景渲染速率进行测试时，选择场景C进行多次应急演练，测试平台每次的场景渲染速率并计算平均场景渲染速率。在测试中，与现有的两种应急演练平台进行测试结果对比，这两种应急演练平台分别为Agent建模技术下、虚拟技术下的应急演练平台。记录3种应急演练平台的场景渲染速率测试结果，观察设计平台的实际表现性能。3.3结果分析3.3.1可视化映射速度测试结果分析图5平均可视化映射速度测试结果当对平台的可视化映射速度进行测试时，所设计的基于虚拟现实的协同式3D多人应急演练平台的平均可视化映射速度测试结果见图5。测试结果表明，在三种火灾应急演练场景中，所设计的基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台具有较低的平均可视化映射速度。其中由于场景A布设的相对简单，因此其平均可视化映射速度最快，达到12.54 ms。3.3.2场景渲染速率测试结果分析在对平台的场景渲染速率进行测试时，场景C中设计的基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台以及Agent建模技术下、虚拟技术下的应急演练平台的场景渲染速率实验数据具体如表4所示。由表4的场景渲染速率实验数据可知，场景C中，设计的基于虚拟现实技术的协同式3D多人应急演练平台的场景渲染速率高于两种对比平台，平均达到33 帧/s，表现出了良好的场景渲染能力。表4场景渲染速率实验数据测试次数123456平均值场景渲染速率/帧/s设计平台32362830324033Agent建模技术下平台23252022242423虚拟技术下平台19171618161516.834结束语本研究基于虚拟现实技术，旨为增加传统火灾救援应急演练场景渲染速率，设计了协同式3D多人应急演练平台设计。随着我国不断加强应急管理建设，将虚拟现实技术逐步应用到应急演练平台的设计中，该平台实现了场景渲染速率平均达到33 帧/s；可视映射速度达到平均12.54 ms。该研究成果为虚拟应急场景的构建、模型的快速生成和效果的逼真呈现提供了一种新的思路，在一定程度上突破了传统的平台实现方式。参考文献:1 刘辉.大型养路机械应急救援模拟演练系统的研制J.中国机械工程,2019,30(3):124-129.2 任龙龙,郭松,孙鹏举,罗玉屏,胡大欣.基于BP神经网络的高速铁路应急演练评价研究J.铁道运输与经济,2020,42(12):87-92.3 张媛,王金萍,赖俊彦,才其格,李亦纲.互联网+社区地震应急桌面演练的设计与实施以青海省海西州为例J.震灾防御技术,2020,15(2):183-190.4 汪文野,刘静,罗阳洪.大型石化火灾应急救援多Agent仿真研究J.消防科学与技术,2020,39(3):103-106.(下转第186页)182行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications表5通信速度测试结果泛在服务提供种类1种2种3种4种5种6种7种8种9种10种通信速度（字节/秒）基于商密算法的视频终端安全接入方法386369358332310296285265236221面向物联网应用的无线接入方法399382370350335309286275255230本文方法423408402386380374359339327321表6安全指数测试数据泛在服务提供种类1种2种3种4种5种6种7种8种9种10种安全指数（10-1）基于商密算法的视频终端安全接入方法9988888877面向物联网应用的无线接入方法9999998888本文方法101010101010101099表6的安全指数测试数据则表明，相比两种对比测试方法，本研究设计的基于协同控制的电力监控设备安全准入方法表现出了更高的安全性能。3.4.2Agent数据采集速率测试结果对于数据采集方面的测试，本研究设计的基于协同控制的电力监控设备安全准入方法的Agent数据采集速率测试结果如图3所示。通过图3中Agent数据采集速率测试结果可知，基于协同控制的电力监控设备安全准入方法可以达到很高的Agent数据采集速率，并且在Agent数量增多的情况下仍然可以保持一定的Agent数据采集速率。图3Agent数据采集速率测试结果4结束语对电力监控设备进行系统的研究后，针对其私人协议下的安全准入问题，本研究提出了一种私有协议下基于协同控制的电力监控设备安全准入方法，有效实现了私人协议下电力监控设备的安全管理。参考文献:1 朱海鹏,赵磊,秦昆,王耀斐.基于大数据分析的电力监控网络安全主动防护策略研究J.电测与仪表,2020,57(21):138-144.2 高峰,王治华,金明辉.电力监控系统终端行为的安全在线管控应用J.计算技术与自动化,2019,38(4):31-36.3 Jindong Zhao,Xingzuo Yue.Condition monitoring ofpower transmission and transformation equipment based onindustrial internet of things technologyJ.Computer Com-munications,2020(157):204-212.4 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