虚拟仿真技术在水污染应急监测训练中的应用

陈重仲

摘  要：传统应急演练通过构建突发事件场景，使人们熟悉突发事件并提高应对能力，但传统应急演练本身因为成本原因导致演练频次较低、参演人员训练程度不够，大大限制了参演人员应急监测经验的增长。针对以上问题，本文参考了虚拟仿真技术在现实中应用的案例，提出应用虚拟仿真技术模拟水污染事故，对参演人员进行应急监测相关训练，并列举了相关实例，最后总结了虚拟仿真技术在水污染事故应急监测训练应用上具有节省成本、不限训练频次以及模拟训练过程真实等特点，通过不断训练，能够让训练人员积累大量的经验，再结合应急监测演练来验证参演人员平时的训练成果，提高监测人员在水污染事故来临时的应对能力，在环境监测领域具有较高的推广应用价值。

关键词：水污染事故;应急监测;训练;虚拟仿真

引言

突发性水污染事故具有不确定性、突然爆发、危害性大等特点，在水污染事故发生时，需要及时采取有效的措施来进行监测和处置，来减少事故对周围的生态环境以及人们生活带来巨大的影响。然而，要做到“快速及时反应”，就要做到定期的执行事故应急监测演练，制定解决预案，以防患于未然，才能在突发事故来临时能迅速高效、有条不紊地组织人员进行应急监测，充分发挥人力物力的作用，同时做到损失最小，有效的起到应对作用，但是事故应急监测演练因其成本限制的原因，每年演练频次必然很少，也不可能浪费大量的人力物力去建造类似电影城中真实的模拟场景，故而使得应急监测相关人员训练频次少，针对性训练程度不高，实战经验不能得到快速而有效地提升，所以需要一个既能保持低成本，又能搭建一个“真实场景”供监测人员实战的应急监测训练方式。鉴于此，本文参考了虚拟仿真技术在现实中的应用案例，提出应用虚拟仿真技术对水污染事故模拟进行应急监测训练，以达到和“实战”相同的训练效果。

1虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是两种技术的合二为一，其中一种可以称之为“虚拟现实技术（Virtual Reality）”，就是我们现在所说的“VR技术、灵境技术”;另一种可称之为“模拟仿真技术（Simulation）”，就是用一个数字化虚拟世界来模仿真实世界的技术，是为研究解决现实问题所建立的同态模型，是由计算机生成的、能够借助视觉、听觉及触觉等进行自然交互的虚拟世界，是多种计算机相关高新技术的集成[1]。也就是说虚拟仿真技术所构建的虚拟世界是以现实世界为蓝本所构建的，这个虚拟世界中全部自然现象、物理化学规则等与现实世界别无二致，但是这个“世界”无惧损坏，可以无限摧毁重建，更是可以无视空间的远近进行人与人的交互。

近年来，随着计算机虚拟仿真技术的不断发展，许多受时间、空间等因素限制的领域都开发应用了适应其学习、训练、演习、试验等活动的虚拟仿真系统。利用这些虚拟仿真系统，解决了其中很多需进行破坏性试验或危险性试验才能决策的实际问题，缩短了现实周期，并且某些关键环节或者危险环节可以重复多次试验，减少了实际损耗和事故发生的概率。

由中国地震应急搜救中心设计的地震应急救援处置演练平台已为国内应急管理人员近11000多人提供了相关的模拟仿真教学培训[2]。邓明达在应急演练模拟系统中使用声光电技术来对烟雾、出火和报警进行模拟，可以让参训人员在不同的危险场景中重复训练 [3]。李冰蟾、苏文明等为了营造接近实际演习的真实现场环境和事件，利用三维仿真和模拟手段设计的仿真教学系统，来进行海上溢油应急演练实践教学 [4]。

通过以上成果，说明虚拟仿真技术在许多领域得到了广泛应用，能够应用虚拟仿真技术对水污染事故进行应急监测模拟训练。

2虚拟仿真技术在水污染事故应急监测训练中的应用

利用虚拟仿真技术可以构建具有实际地理意义的三维地理环境（如一段河流的真实地形、某海边储油罐仓的立体模型、某尾矿库及周边地理环境等），并通过预留的接口与外界交互。其作用就是构建这样一个能够进行应急监测训练的虚拟世界系统（可称之为“应急监测训练系统”），作为容纳其他所有部分的载体，并依照现实世界的自然规律，为虚拟世界定义各种物理化学法则，系统中的其它所有物品、动作、行为均被容纳在虚拟世界中，并遵守虚拟世界制定的法则，从而大大增强了训练环境的真实性，只有在确保训练环境的真实性的前提下，才能确保训练过程的真实性，从而起到“实战”的目的。中国科学院遥感应用研究所将永定河流域和潮白河流域所覆盖的近8万km2的地区，通过数字流域三维地形仿真系统进行了模拟仿真，使得该地区的水系河流以及周边环境、地理特征直接呈现在人们面前[5]。利用这些仿真模拟的地理环境模型来训练应急监测人员在水污染事故发生时，针对不同类型的污染事故如何在模型上合理布置控制断面（点）、对照断面（点）、消减断面以及其他断面（点）;还可以以这些地理仿真模型为平台，添加事故发生整个过程的动态模型，同时呈现事故发生后，复杂的地理环境模型，以及污染物在水中扩散、稀释、降解等动态模型，如实模拟现场的水文气象条件，将一切和水污染事故有关的模块整合到地理仿真模型，应急监测人员会在这个平台上进行应急监测方方面面的训练，积累应急监测经验。

通过虚拟仿真技术对参演角色的人物形式进行模拟，类似角色扮演类游戏（ Role Playing Game，RPG）中的角色形式。训练人员可以选择要扮演的角色在系统中进行演练，从而获得对应的训练和经验。其中训练人员可分别扮演指挥协调人员和现场监测人员，充分分析在演练过程当中的角色和行为，对每个角色进行具体描述，根据角色的分类，不同角色的行为采用不同的方式进行模拟，指挥协调人员角色：主要对整个预案进行宏观的把控，具有选取水污染事故情景和编写应急监测方案、报告、快报、简讯等功能，实时统计分析的功能，以及指挥现场监测人员角色的功能，目的是为了通过这种角色扮演的模拟演练为其决策提供借鉴价值，并且检验应急监测方案的科学性;现场监测人员角色：主要是在河流监测断面进行现场采样、分析，并将模拟监测现场的情况以及监测数据及时反馈给指挥协调人员角色，目的是训练现场监测人员在应急监测中的业务能力。另外，由于污染事故的复杂性，有时候一次事故所产生的污染物，不单单对水环境产生污染，也可能污染大气、土壤，这些都需要应急监测人员来判断如何进行监测，对应急监测人员的综合能力有了更高的要求。因此通过模拟训练可以使应急监测人员现场监测经验更丰富，当发生污染事故时能够及时迅速、有条不紊地开展应急监测工作，而整个训练过程很像玩家选择不同地图进行打通关的游戏，只不过游戏内容是涵盖从接到事故發生通知，及时赶到现场勘查，判断污染物种类、来源，进行布点、设置监测项目、监测频次，采取有效的安全防护措施，进行跟踪监测，还有样品的保存、运输、交接、质量保证及实验室分析等操作，期间编写并上报监测报告、快报、简讯等，到应急终止的整个过程。对照游戏来说就是按照不同类型的水污染事故设置不同的地图，每个地图按照应急监测的各个阶段可以设置关卡，通过正确地完成每个地图每个关卡的任务来完成训练;也有多人同时连线的模式，即完成了应急联合监测训练，也能增加彼此之间的默契程度，同时还能通过评分模块实现各个单位参与训练人员之间互相促进的良好氛围。自上个世纪八十年代，这种利用虚拟仿真技术，以提供专业训练和模拟为主要内容的游戏，已经在诸多领域得到广泛的应用[6]。在由美国艺电公司出品的一款城市模拟建造类游戏“模拟城市”（SimCity）中，学员可以扮演市长角色来建设新城市的各个方面，既能训练学员的规划与决策的宏观能力，又能训练学员在各个事件的应对处理能力[7]。

突发性水污染事故对周围环境造成破坏，甚至有可能造成监测点周围环境发生改变，给监测人员带来麻烦和危险，同时监测人员也可以通过污染后的一些典型特征来判断污染物的种类，比如苯、有机磷农药等一些油状液体毒物，泄露后常漂浮在水面;液氨泄露至河流、湖泊会造成鱼虾大量死亡，漂浮在水面。而在平时的实际应急监测训练和应急监测演练并没有与事故相应的模拟情景，应急监测人员不能通过训练，获得水污染事故发生后应对复杂监测环境的经验。虚拟仿真技术通过添加光影效果、动画效果、渲染、音效等虚拟的感官效果，模拟水污染事故从发生到结束的整个过程，使训练者能够身临其境地体验“实战”，有利于激发训练者的创造性思维，在具体情境中通过主动的探索获得体会，从而提高训练者在今后面对突发状况的应变能力与解决能力。西班牙Next Limit公司研发的RealFlow软件工具，能模拟真实的液体表面、刚体碰撞、柔体抖动、纤维体飘动和火焰跳动等效果[8]，可以将水质灾害、水污染事故等场景模拟的更加真实，例如模拟一次未知排放源的水污染事故，在情景模拟中，将污染事故现场的一些特征，如气味、挥发性、遇水的反应特征、颜色，对周围环境、作物的影响以及人员或动物的中毒反应症状等模拟出来，通过分析这些特征，来训练应急监测人员初步判断事故主要污染物和监测项目的能力。

综上所述，利用虚拟仿真技术能够全面模拟水污染事故中的现实地形（河流、湖泊、海洋等以及周边地形）、应急监测人员、监测仪器设备和监测场景的环境，将所有的地理信息数据和三维数字化模型当作依托，对现场监测环节的所有影响因素进行全面的分析和阐述，创建完善的模拟训练空间，构建出许多的典型水污染事故场景，比如矿场尾矿库溃坝、化工厂危险废物泄露至河流、未知污染物水污染事件、海边储油罐仓爆炸泄露至海水、各种极端环境下（雾、雪、大风、大雨、洪水、地震等）水污染事故监测、水源地污染事故等。通过多人连线互动操作、情景展示和角色扮演等环节，使现场监测的情况得到真实的展现，使监测人员的应急监测经验得到不断的提高。经过两种角色（指挥协调人员和现场监测人员）的训练学习，使他们对应急监测有了直观的认识，为今后的工作提供了更多的便利。在应急监测训练中引入虚拟仿真技术，使许多人可以真实的体验应急监测现场情景，不受现实场地限制，缩短训练周期，实现人与机、人与人的高效互动。

3结束语

突发性和多样性是水污染事故的主要特征，对水环境应急监测装备及人员素能的要求均提出了更高要求，通过虚拟仿真技术，真实的展现了水污染事故现场应急监测情况和工作程序，参加训练的监测人员对不同复杂环境监测过程中高危影响因素进行了解，选择相应的应对手段进行监测，通过调用不同场景进行现场模拟训练，监测人员可以无限使用各种相关试剂、设备等，节约了相关耗材的使用成本，使应急监测相关训练方面的消耗更加经济实用，既使应急监测人员增加了相关的监测经验，又响应了国家节能的相关政策。

因此，虚拟仿真技术具有提高水污染事故应急监测训练过程真实性的优点，使整个训练过程更加的动态化，可以有效解决应急监测训练过程中成本高、联合训练频次低、感官冲击差、训练过程简单等缺点，能显著提升训练质量和培训效果，增长应急监测人员应对危险环境经验，再结合应急监测演练来验证参演人员平时的训练成果，保证水污染事故发生时能够迅速而有条不紊地开展应急监测，在环境监测领域具有较高的推广应用价值。

参考文献：

[1] 龙琳. 基于虚拟现实技术在应急系统的应用研究[C]. 第三十二届中国（天津）2018’IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议论文集天津市电子学会会议论文集. [2018-08-25]：112-114.

[2] 贾群林，周柏贾.地震应急救援虚拟仿真训练系统设计开发与应用[J].中国应急管理.2020（11）：66-69.

[3] 邓明达.虚拟现实技术在事故应急演练的应用研究[J].化工管理.2019，（21）：101-102.

[4] 李冰蟾，苏文明，等.在线三维海上溢油应急演练教学系统的开发与应用[J].航海教育研究.2020，37（03）：104-108.

[5] 黃文波，黄健熙，等.基于虚拟现实技术的流域仿真系统实现[J].计算机工程.2005，（16）：182-184.

[6] 黄洋，王帆.严肃游戏国际应用研究[J].中小学电教.2010，（11）：17-21.

[7] 何玲，徐智仕，等.严肃游戏在职业技能发展中的应用与挑战[J].电化教育研究. 2011，（04）：85-87.

[8] 何原荣，徐礼来，等.基于真实三维场景的水利工程溃坝模拟[J].世界地震工程. 2015，31（03）：33-38.