虚拟现实技术及其在应急管理中的应用

作者简介

陈超，华北科技学院，副教授，硕士学位，1977年5月出生,主要从事应急仿真、数字孪生矿山系统方向的研究。2015年主持完成河北省科技计划项目1项，2019年主持完成河北省虚拟仿真实验教学项目1项，2019年主持完成华北科技学院创新团队1项，作为主要参与人参加国家自然科学基金项目1项、国家自然科学基金青年基金项目2项；2015年获得河北煤炭工业行业协会科技成果二等奖1项；发表论文13篇，其中SCI检索2篇，EI检索3篇；申请发明专利11项（已授权1项）；获得软件著作权6项。

内容简介

1.1应急管理虚拟现实的研究意义 虚拟现实技术借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以使人产生亲临对应真实环境的感受和体验，不但能对复杂的现场环境进行实时展现和动态交互，还可以逼真再现难以获得的水、火相关灾害的发生、发展过程，可广泛应用于生产技能培训、避险逃生演练以及灾后心理重建等应急管理相关领域，具有安全性高、成本低、效率高等优点。 随着计算机处理能力的提高，对应急管理培训仿真应用的要求已经从实现几何真实性向实现物理真实性以及行为真实性发展：几何真实性要求仿真对象具有与实际环境及设备相同的几何结构、尺寸、颜色与纹理，可以通过研制高精度虚拟模型、搭建支持真实感图形渲染的应急管理仿真虚拟现实平台实现这一要求；物理真实性需要仿真对象具有与实际情况相符的运动学属性、动力学属性、应力属性、空气动力学属性等，而实现这一目标，必然要应用来自FLAC3D、Fluent等专业设计分析软件的应力场、流场、热场、设备运动和动力学等多物理场、多性能分析数据，但是，不同软件对于分析对象的几何网格划分是不一致的，分析数据的表示方法也是不一致的，因此必须开发出相应软件与应急管理仿真虚拟现实平台之间的数字化接口，实现具有可扩展性、一致性和关联性的数字化异构模型的表达、转换与集成方法，为在生产工艺仿真及水、火灾害的仿真过程中实现物理真实性提供数据支撑，同时还要研究虚拟现实环境中基于粒子系统的高真实感安全生产过程与FLAC3D地质变化模拟结果的映射技术以及火势蔓延趋势与流场、热场分布情况相匹配的算法，在实现视觉仿真的基础上实现物理仿真；行为真实性要求仿真环境中的仿真对象和虚拟角色能在外部激励下做出与实际情况相同或相近的行为响应，由于应急管理虚拟现实研究对象是典型的复杂时变系统，其中人、机、环境等诸多因素相互交错，各种信息表现出多源、异构、非结构化等特点，因此必须使用简练、有效的知识表达方法来描述环境中的包括有大量语义知识的非图形信息，如动态、复杂的行为规划信息，以及反映环境中实体交互关系的语义知识，以达到行为真实性的仿真要求。 虚拟现实环境中理想的人机交互方式为，使用者利用自身真实姿态与虚拟环境进行交互，并通过触觉反馈对虚拟物体的形状、材质进行感知。由于全身穿戴式力反馈设备尚处于研究阶段，对沉浸体验要求较高的仿真系统一般会将实体操作台与虚拟操作台相结合作为其人机交互方案，使用者通过自身姿态操纵物理实体与虚拟环境进行交互的同时可自然获得触觉反馈，但是由于位置追踪系统存在累积误差，仿真应用运行一段时间后实体操作台与虚拟操作台间将无法保持严格的1∶1映射，视觉反馈与触觉反馈间的偏差将使整个虚拟环境的可信度降低，引发使用者的“出境”感（明确感知到真实环境），因此，研究稳健性好、收敛速度快的算法对映射偏差进行实时纠正具有重大的学术研究价值。 2006年国务院印发《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，将虚拟现实技术作为具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术之一。在应急管理中开展虚拟仿真技术的研究，通过虚拟仿真技术再现安全生产工艺流程和事故灾害的发生、发展及后果，具有重要的研究意义。然而，现阶段国内应急管理仿真平台大多还将关注点集中于实现几何真实性上面，忽略了仿真过程中的物理真实性和行为真实性，同时还未出现通过使用者自身真实姿态进行沉浸式操作的应急管理仿真案例，因此，必须加快对现有的应急管理仿真虚拟现实平台的改进，从实现几何真实性向实现物理真实性以及行为真实性发展，同时分阶段完成应急管理中语义知识的建模，研究先进的人机交互技术，为应急管理相关研究及培训奠定更好的基础。 应急仿真利用虚拟现实技术，逼真、完整地还原各种事故灾害现场，反演其发生的征兆、发展的过程，演示事故灾害发生时正确的应急措施以及逃生方法，是新兴技术与应急管理业务相结合的产物。本书致力于系统地介绍应急管理虚拟现实的基本概念、思想和方法，以期具备应急管理基本知识和计算机操作基础的读者能够看懂，并培养其开发应急管理虚拟现实应用的能力。