港口灾害事件虚拟现实应急演练研究
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作者:吕洁印 吴兵 汪洋 刘少博 周受钦
摘要：针对港口灾害事件应急管控的需求和我国在灾害处置应急模拟仿真演练能力偏弱的问题，本文指出高水平应急模拟仿真演练能力是港口灾害事件应急管控的重要保障，并对应急模拟仿真演练存在的技术挑战和港口灾害应急模拟仿真演练能力提升的关键技术及策略进行了阐述，旨在改善港口灾害事件的应急管控能力。
关键词：港口;灾害事件;应急演练;虚拟现实
中图分类号：X951 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2022）03-0039-04
港口安全是城市公共安全的重要组成部分，提高安全生产水平和完善应急管理能力是国家发展的内在需求。随着全球经济贸易发展，港口的地位显著提升，港口集装箱吞吐量决定着世界贸易量。港口货物的集疏运活动覆盖了从城市腹地经到海洋近岸的广阔区域，也使得港口集疏运企业的生产作业安全与城市的公共安全休戚c共。港口是装卸各类大型货物、石油化工原料、各类危化品储罐等较多的高风险区域，如天津812集装箱爆炸、8.4贝鲁特港口大爆炸等，均造成了不可弥补的重要损失。针对港口重大灾害事件构建应急管理救援协同联动指挥系统至关重要。
应急演练是应急管理的一种重要形式，是政府和企事业单位检验并提高应急准备能力的重要环节，成功的应急演练活动可提供预防安全事故的思路，其中通过数字仿真技术实现的演练日益在应急演练活动中显示出难以替代的作用。应急演练/训练系统通过虚拟现实技术为用户（参训人员）提供人-机交互环境（如模拟实物的操作硬件），从而使得用户在虚拟环境中感受自身的操作行为及其操作效果，达到低成本、无害、可重复训练的目的。
1港口应急管控能力尚需提升，应急演练模拟仿真是关键
港口灾害事件应急管理与救援处置流程非常复杂，是一项涉及到各级政府部门、企事业单位以及人民群众的系统工作。加强应急管理体系信息化和智能化建设，构建结构完整、功能全面、反应灵敏、运转高效的港口灾害事件监测预警和协同联动应急指挥体系，从而提高港口应急管理和救援指挥的系统性、科学性和时效性比较迫切。
目前国内外针对港口区域内集装箱、危化品罐箱的装载/卸载、堆场存放、到港/离港和港区运输等环节的应急管理和灾害处置研究还比较欠缺，对于港口所面临灾害事件风险的应急管理与救援以及发生事故灾害后的协同联动处置研究还不成熟。
我国在灾害发生后的中后期处置能力缺乏对现场救援的应急模拟仿真演练能力，不清楚应急处置力量如何充分配置、是否科学合理，导致事故发生后出现被动应急和盲目救援。随着应急管理工作扎实推进，应急演练相关问题研究也逐渐受到专家学者的重视。
传统应急救援模拟演练系统多为基于既定预案的程式化推演，设置好条件参数后，系统根据设置配合参演人员完成技术培训和模拟演练，而港口灾害中引起灾害的介质、情景、环境、位置具有特殊性，传统应急救援方案和策略难以有效应用。
应急模拟仿真演练系统旨在以港口物流各个阶段生产活动涉及的货物装卸、运输和存放为线索，重构此过程中事故端倪、事故干预和应急救援等场景，为不同职能部门对各类事件的联合处置提供互操作的平台。当前，应急模拟仿真演练系统的特征包括：具有多人、多角色、多任务的人-机交互环境，系统中的人员需要通过协同工作共同完成设定的任务;具有预先想定的场景、情节和任务前提，参训人员各自承担的子任务更多地体现了个体对即时战略的理解和判断;各个人员的协同操作和决策形成对整体态势的作用，并与后台的智能体（Agent）群体行为、机器决策、情景约束等条件共同决定情节的发展直至最终的操作结果。
所以，应急救援仿真演练系统需要具备各类港口灾害隐患现场的情景数据动态接入能力，系统基于事态预判、决策优化和动态推演，输出科学合理的定制化应急救援方案;同时系统具备智能化自适应能力，支持对没有既定预案的新灾害情景的应急救援演练，从而通过智能化交互式仿真演练技术提升港口灾害应急救援中的多角色联动协同指挥和应急处置能力。
针对港口灾害事件处理，如何突破基于单一既定预案程式化推演的传统应急救援模拟演练系统，面向港口灾害复杂动态实时变换场景，建立包括不同介质特性灾害源、灾害态势形态、灾害场景活动体与基础设施、应急救援装备与救援力量、应急处置手段、应急救援物资等多视角智能体模型和交互式联动关系，融合灾害现场情景动态感知数据、灾害态势推演模型，基于专家知识库和具备机器学习能力的决策算法，实现基于动态仿真、虚实融合、优化决策、智能交互的应急救援仿真演练和效果评价，是应急管理能力的重要保障。
2应急模拟仿真演练系统存在的技术挑战
2.1异构对象模型集成
单用户、单任务情境下建模对象的类型相对单一，模型接口相对简单，模型规模相对较小，系统运行依赖于相同或相似的物理规律，对模型的理解和定义容易形成一致，因此单一领域仿真模型集成的难度相对较小。但多用户、多任务的情形下，往往涉及大规模的模型体系，仿真模型之间的依赖关系交互关系复杂，模型的异构特点突出。而且，多用户之间的协同行为将产生各种模型间的“自组织”关联形态，导致集成更困难。
2.2基于角色模型的形式化表达
缺乏对多用户仿真行为假设与保证的形式化描述机制，使提高模型的可组合性面临较大挑战。虚拟空间中用户的行为构成了角色-协议-协作（RPC）的动作描述框架，在多用户的情形下，这种动作描述框架受到较大制约。机器和自然人共同参与模型组合的交互过程，使得角色与用户之间形成多对多的映射，从而必须对传统 RPC 进行大幅改造才能适应这种动态关联，多用户的人机交互在逻辑、时序和行为等价性三方面对组合模型的语义尚缺乏有效性进行验证。
2.3人机交互环境下行为与情节的束定
多用户的交互式仿真系统中，通过人-机操作而形成在虚拟空间中的“介入式”活动，将会使系统中的情节发展出现非常复杂甚至难以估计的结果。传统仿真系统中对实体行为或运动的方法包括 DEVS （DiscreteEvent System Specification）、进程代数等。多用户和多任务的复杂环境下，由于上述这些方法自身并没有充分考虑用户操作在时序、空间和逻辑上的约束、冲突或一致性检验。因此，必须在仿真训练系统的引擎中建立相关的机制来保证事件发生、情节走势的合理性条件/边界。
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