1.本发明属于应急培训技术领域，尤其涉及一种分布式虚拟仿真地震应急演练系统。


背景技术：

2.地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害，利用计算机模拟现实的现有技术，通过地震灾害过程的仿真建模方法与再现技术，创造一种接近真实的虚拟地震灾害现场环境，为地震应急救援处置演练平台中地震灾害场景预案编辑器和三维视景实时渲染子系统的研究奠定基础。然而现有技术的应急演练系统仍然以开展实战模拟演练为主，并且由于地震现场的复杂性，模拟的灾害场景区域具有一定的局限性，模拟灾害现场绘制的运算量大不能满足实时仿真演练的要求。此外，由于没有使用分布式技术，无法满足对于仿真提出的仿真应用见互操作性以实现不同类型的仿真应用之间无缝链接的要求，如将基于等时间步长的实时连续系统仿真、实际的c4i系统集成到一个分布交互的综合环境中。仿真也无法与虚拟现实设备有机结合，无法形成时间和空间上能够相互耦合，参与者可自由与环境交互，完成演练的目标。目前上没有成熟的应用系统，能够利用先进的三维可视化、虚拟仿真技术与计算机网络，把分散在不同地点的软、硬件设备与有关人员“连接”起来，在人工合成的“受灾环境”中形成一个在时间和空间上进行协同救援的虚拟救援演练。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种分布式虚拟仿真地震应用演练系统，将分布式交互仿真技术以及虚拟环境建模方法用于地震应急演练技术中，将hla(高层体系框架结构)作为分布式交互仿真所遵循的规范，对地震灾害场景仿真模拟和地震应急演练虚拟仿真演练技术进行必要的设备和虚拟环境中对象进行交互的技术开发，产生沉浸于等同真实环境的感受和体验，从而增强受训者的临场感觉，提升地震应急管理人员的快速反应和应急处置能力。
4.本发明提供了一种分布式虚拟仿真地震应急演练系统，包括：
5.地震环境资源数据库、沉浸显示与交互子系统、逃生预案生成子系统、建模与仿真子系统、三维视景实时渲染子系统、虚拟演练评估子系统、虚拟演练记录与回放子系统以及通讯子系统。
6.优选的，所述系统选用高层体系结构hla作为分布式系统的仿真技术框架，使用hla中的核心部分rti作为分布式系统的仿真运行的支撑环境。
7.优选的，所述地震环境资源数据库包括：
8.(1)地震学理论知识库：涵盖地球物理基本知识、震源、震中、震级、覆盖范围、损毁范围等基本概念，以及等级评估等和地震学相关的各种理论知识，演练过程中可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
9.(2)地震救援方法知识库：涵盖各种关于地震救援方面的理论方法和历史案例的
成功经验介绍分析，演练者可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
10.(3)逃生方法知识库：涵盖各种关于地震逃生发明的方法和理论知识以及历史案例中成功的逃生案例分析，演练者可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
11.(4)救援工具库：系统内置各种通过3d建模构建的应急救援工具，如车辆、帐篷、撬杠、千斤顶、起重机、升降车、无人机等救援设施，用户在教学和仿真实训过程中，可以根据需要实时从工具箱中打开所需要的“救援工具模型”，每一个“三维工具”均配套相应的文字介绍和相关数据；也包括各种场景的救援工具的图片、位置和视频介绍；
12.(5)历史典型案例库：系统内置多个典型地震案例供演练者调阅、学习和参考，如阪神大地震、唐山大地震、汶川大地震等，每个案例配备丰富的历史影像和文字介绍，内容涉及该地震的基本成因、破坏程度、震源、震中、震级、覆盖范围、损毁范围、人员伤亡以及逃生和应急救援过程的经验教学案例分析。
13.优选的，所述逃生预案生成子系统从虚拟应急演练出发，以相关领域的同一概念描述库为背景结合自然环境数据进行概念预案建模；然后概念预案模型通过地震灾害预案编辑器，结合实体模型数据，映射到可以运行的仿真预案模型，最终进行仿真运行，得到仿真结果；所述逃生预案生成子系统作为整个系统的出题系统，通过预案编辑，生成各种情况，各种条件的突发公共安全事件，包括生成演练的场景，突发公共事件的仿真建模方法，通过演练的公共安全事件预案，在平台上演练针对不同公共安全事件的应急指挥处理机制，包括救援资源配置，用户可配置和调度应急救援资源和设施，如救援人员、救援车辆、工程车帘给、急救车辆、医护人员、帐篷被褥等救援设施的位置、数量、调度和分配，并在特定的地点编辑具体的数量(使用不同的符号、颜色名称等)，用户可以向不同的救援地点和救援队员配置不同数量的救援资源和设施，推送合适的救援路线信息、资源配置信息或救援方案信息等，为救援人员提供切实可行的数据、资源和技术支撑，编辑、设置好的各类应急救援数据会被保存至一个或多个固定的配置文件，结合当前的三维场景，最终形成一个或多个的救援方案文件，为教学试验、救援演练和仿真实训提供直观的可视化环境和技术支撑，用户可实时打开模拟场景和配置进行逃生、应急管理、救援教学实训等演练内容。
14.优选的，所述沉浸显示与交互子系统直接与受训者交互，并实时采集来自受训者的交互动作，所述交互信息传递给三维视景实时渲染子系统。
15.优选的，所述三维视景实时渲染子系统包括突发安全事件周围地形、地貌、建筑、车辆等实体以及受灾过程的表现的模拟；以及根据用户指令，实时场景漫游。
16.优选的，所述建模与仿真子系统用于生成系统所需要的各种模型，并实时运行这些模型，模型运行的结果将实时提交给三维视景实时渲染子系统，随之将用户交互的结果反馈给建模与仿真子系统，建模与仿真子系统根据用户的交互，得到新的模型运行结果，再实时提交给三维视景实时渲染子系统。
17.优选的，所述虚拟演练记录与回放子系统建立一种时态连接，把虚拟演练过程中记录的各场景运行状态录像和专家的评定按照时态顺序保存，并组织起来，在回放时，读出这些记录，按时态顺序显示各场景运行状态和专家的评定；虚拟演练记录与回放子系统与演练资源管理子系统紧密结合，利用演练资源管理子系统存储记录模块得到的日志，检索
并读出这些需要的记录，用于回放录像或输出专家评语。
18.优选的，所述虚拟演练评估子系统用于对应急演练效果的评估，在演练评估前，需要建立演练评估的指标体系，评估指标的选择是由系统任务需求牵引的。
19.优选的，所述通讯子系统为千兆高速以太网。
20.该分布式虚拟仿真地震应急演练系统的设计方法，包括：
21.1、预案加载与运行控制流程，包括：
22.(1)登录：用户输入用户名和密码，只有管理员权限的用户才可以登录逃生预案生成子系统，用户的创建及其权限的设定由用户管理系统设定。
23.(2)预案检索。用户登录系统，进行相关的初始化操作后，可以检索数据库中的预案文件和流程控制文件。预案文件是在预案编辑系统中编辑好的，用户可以查看预案的名称、作者、建立时间、预案描述、演练任务要求、历史演练记录等信息。流程控制文件是根据演示脚本生成的对整个演练的流程进行控制的文件。
24.(3)加载预案。用户选定了预案文件和流程控制文件后，预案加载与运行控制系统会读取预案数据，并根据预案数据的内容对各个联邦成员要生成的对象进行初始化，同时系统会根据流程控制文件的内容，向其他联邦成怨妇阿松流程控制命令，实现整个仿真系统按照演练脚本推进。
25.(4)运行控制。在系统按照流程进行推进的过程中，用户可以对系统进行动态控制，比如添加突发事件以及向场景中添加模型等。
26.(5)退出系统。当演练结束或者其他原因需要结束演练，指挥员可以选择退出，结束整个演练。
27.2、启动三维视景实时渲染子系统，接收来自所述预案生成子系统的预案文件信息，建立本地渲染对象；然后，三维视景实时渲染子系统接收来自虚拟人控制盟员vh的关于人的动作指令，并根据指令信息内容进行模拟，这一过程中，三维视景实时渲染子系统以动画、影像、声音、图片的多媒体表现形式模拟显示中地震应急救援过程。本实施例中，三维视景实时渲染子系统是独立的子系统，在虚拟仿真演练开始时运行存在，通过一系列的场景初始化操作后，加入到系统进行注册，进入图形显示循环，接收消息表现各虚拟人员的动作和位置信息，并实时反馈系统场景装填和虚拟人员信息，包括指挥员控制模块和虚拟人控制模块。
28.3、进行动力学计算：包括采用物理引擎对废墟碎块以及人体件的物理交互进行模拟，模拟物体之间、物体和场景之间发生碰撞后的力学表现，包括碰撞检测和刚体动力学。
29.4、采用通讯接口进行导演组、演练组和评估组之间的数据通讯。通讯接口采用winsock接口，使用tcp协议进行通信，消息(包)类型大致有登陆包、登陆回复包、演练控制包、事件注入包、事件发送包以及决策提交包。
30.本发明提供的分布式虚拟仿真地震应急演练系统，具有如下有益效果：
31.系统将计算机技术与实际演练、专业应用相结合，以信息技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术、仿真模拟技术、人机交互技术、三维建模与可视化技术解决实际地震救援演练所面临的各种问题，解除客观因素对演练实施的制约，提高演练效果，增强救援能力；将虚拟现实技术与真实地震资料相结合，以先进的虚拟现实技术模拟真实地震场景，在真实的地形图上模拟性能逼真的声、光、烟、雨、雪、雾、火等特效及仪表仿真，共同构建动态
的、直观的、逼真的虚拟演练环境；将高层体系结构hla与各部门协同救援相结合，以hla地震救援模拟系统的层次框架，以促进各部门救援演练的互操作性、可伸缩性、实时性和协同性；将真实地震灾害建模与真三维大地形渲染、管理技术相结合，模拟地震对地表地形造成的破坏、模拟实时地形对救援车辆行驶运动的影像；实现以自然语言为主、鼠标键盘输入为辅的人机交互方式，以三维图像与环境音响为出口、一视觉和听觉为主题，感官丰富的，类似于实际演练的分布式虚拟仿真地震应急演练系统。
附图说明
32.图1为本发明提供的分布式虚拟仿真地震应急演练系统总体结构原理图。
33.图2为本发明提供的分布式虚拟仿真地震应急演练系统重要功能模块结构原理图。
34.图3为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
36.本实施例提供一种分布式虚拟仿真地震应用演练系统，将分布式交互仿真技术以及虚拟环境建模方法用于地震应急演练技术中，将hla(高层体系框架结构)作为分布式交互仿真所遵循的规范，对地震灾害场景仿真模拟和地震应急演练虚拟仿真演练技术进行必要的设备和虚拟环境中对象进行交互的技术开发，产生沉浸于等同真实环境的感受和体验，从而增强受训者的临场感觉，提升地震应急管理人员的快速反应和应急处置能力。
37.分布式虚拟仿真地震应急演练系统，使用vr-platform虚拟现实技术，通过背景生成与图像合成创造接近真实的虚拟地震现场环境，具有如下需求和目标：
38.(1)预案演练需求：平时缺乏地震应急预案方面的培训，震后很难快速做出科学的应急决策。
39.(2)关键功能需求。信息注入系统需求：对于后台演练策划和编制人员，将编制好的演练脚本、灾害场景、次生灾害和处置资源等信息与三维平台、推演平台进行结合，生成培训过程中的仿真环境和信息事件。其中，应急资源素材需按照实际处置要求的分类及目录进行建模，根据演练要求，调整需要调入的三维物品，在场景中形成仿真效果。同时，可以附加各种场景事件，例如爆炸、火灾、冒烟以及建筑物破坏等触发事件，进一步增强临场感。演练脚本注入：调用系统预设的演练脚本描述文件及演练脚本相应的附件，将脚本三维数据(包括地形、气候、人文和其他相关条件的三维场景及突发事件场景)、脚本文本数据(人员组织、演练过程、角色分配、关联预案等内容)由导演组成员通过脚本注入系统以手动、自动或定时注入的方式注入系统，为学员提供演练情节。灾害场景注入：由导演组成员进行操作，在原有的脚本基础上，由脚本从系统场景库中选择灾害场景，进行即时注入，注入后的灾害场景可立即生效，为参与培训的用户提供灾害场景展示。次生灾害注入：由导演组成员进行操作，当用户进入场景后，按照脚本注入的演练顺序，系统自动显示相关次生灾害，导演组成员根据演练要求对地震引发的次生灾害进行注入。处置资源注入：系统提供培训处置过程所需处置相关资源的注入功能。包括用于救灾人员交互的具体物件，这些物件可以
在受到不同震级的灾害后呈现不同的状态，并且能与其他物件或角色交互。将物品设施、人员装备等数据按照处置的要求导入场景中相应位置以供事件处置使用。
40.交互处置系统需求。对于前台受训学员，交互处置系统是其主要应用系统，按照脚本的设计，每个仿真场景都提供资源调度、事态控制、调查研究、制定对策、综合协调、社会动员、媒体应对等交互过程，学员通过所有环节的模拟交互处置，学习应急管理过程，系统可将交互处置的信息自动记录，用于学习效果评估。
41.专家点评考核功能需求。根据演练培训过程记录的部分信息和相关模型，专家对整个演练过程进行综合点评、分析，对学员应急处置能力进行综合打分。演练过程查询：可以在记录库中，通过简单查询或复杂查询方式查找任意一条演练记录。历史演练记录可以回放，再现当时演练情况。演练过程回放：系统读取记录的信息，全程回放受训者接受演练的过程。评价指标定义：对学院交互处置过程中，单选、多选以及虚拟场景交互方式提交的答案评价标准进行定义。专家点评分析：专家根据评估指标库中本次演练各方面的原始数据，对用户的主管决策类动作进行点评，点评后的结果与系统自动生成的结果汇总成点评成绩，并记录到学员成绩单中。
42.实施例一
43.参见图1-2，本实施例提供一种分布式虚拟仿真地震应急演练系统，包括：
44.地震环境资源数据库、沉浸显示与交互子系统、逃生预案生成子系统、建模与仿真子系统、三维视景实时渲染子系统、虚拟演练评估子系统、虚拟演练记录与回放子系统以及通讯子系统。
45.进一步的，考虑到三维虚拟仿真演练场景的重用性与可扩展性，系统选用高层体系结构hla(high level architecture)作为系统的仿真技术框架，使用hla中的核心部分rti(run-time infrastructure)作为系统的仿真运行的支撑环境。
46.按照系统的功能进行描述：
47.地震环境资源数据库包括：
48.(1)地震学理论知识库：涵盖地球物理基本知识、震源、震中、震级、覆盖范围、损毁范围等基本概念，以及等级评估等和地震学相关的各种理论知识。演练过程中可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
49.(2)地震救援方法知识库：涵盖各种关于地震救援方面的理论方法和历史案例的成功经验介绍分析。演练者可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
50.(3)逃生方法知识库：涵盖各种关于地震逃生发明的方法和理论知识以及历史案例中成功的逃生案例分析。演练者可以根据需要选择性调阅学习相关的知识内容，展现方式和手段包括：文字、图片、视频、3d建模和虚拟仿真；
51.(4)救援工具库：系统内置各种通过3d建模构建的应急救援工具，如车辆、帐篷、撬杠、千斤顶、起重机、升降车、无人机等救援设施。用户在教学和仿真实训过程中，可以根据需要实时从工具箱中打开所需要的“救援工具模型”，每一个“三维工具”均配套相应的文字介绍和相关数据；也包括各种场景的救援工具的图片、位置和视频介绍；
52.(5)历史典型案例库：系统内置多个典型地震案例供演练者调阅、学习和参考。如
阪神大地震、唐山大地震、汶川大地震等，每个案例配备丰富的历史影像和文字介绍，内容涉及该地震的基本成因、破坏程度、震源、震中、震级、覆盖范围、损毁范围、人员伤亡以及逃生和应急救援过程的经验教学案例分析。
53.逃生预案生成子系统：从虚拟应急演练出发，以相关领域的同一概念描述库为背景结合自然环境数据进行概念预案建模；然后概念预案模型通过地震灾害预案编辑器，结合实体模型数据，映射到可以运行的仿真预案模型，最终进行仿真运行，得到仿真结果；所述逃生预案生成子系统作为整个系统的出题系统，通过预案编辑，生成各种情况，各种条件的突发公共安全事件，包括生成演练的场景，突发公共事件的仿真建模方法，通过演练的公共安全事件预案，在平台上演练针对不同公共安全事件的应急指挥处理机制，包括救援资源配置，用户可配置和调度应急救援资源和设施，如救援人员、救援车辆、工程车帘给、急救车辆、医护人员、帐篷被褥等救援设施的位置、数量、调度和分配，并在特定的地点编辑具体的数量(使用不同的符号、颜色名称等)。用户可以向不同的救援地点和救援队员配置不同数量的救援资源和设施，推送合适的救援路线信息、资源配置信息或救援方案信息等，为救援人员提供切实可行的数据、资源和技术支撑。编辑、设置好的各类应急救援数据会被保存至一个或多个固定的配置文件，结合当前的三维场景，最终形成一个或多个的救援方案文件，为教学试验、救援演练和仿真实训提供直观的可视化环境和技术支撑，用户可实时打开模拟场景和配置进行逃生、应急管理、救援教学实训等演练内容。
54.沉浸显示与交互子系统：直接与受训者交互，并实时采集来自受训者的交互动作，这些交互信息会传递给三维视景实时渲染子系统。
55.三维视景实时渲染子系统：突发安全事件现场及周围环境的逼真程度是决定模拟演练效果的决定因素之一。然而，发生突发安全事件的地区一般是人文景观最为集中的地区，使井然有序的人文景观顿然面目全非，称为无需的混乱场面，破坏现场及其复杂，场景复杂多样，结构及其复杂。该子系统包括突发安全事件周围地形、地貌、建筑、车辆等实体以及受灾过程的表现的模拟。根据用户指令，实时场景漫游等。
56.建模与仿真子系统：用于生成系统所需要的各种模型，并实时运行这些模型，模型运行的结果将实时提交给三维视景实时渲染子系统，随之将用户交互的结果反馈给建模与仿真子系统，建模与仿真子系统根据用户的交互，得到新的模型运行结果，再实时提交给三维视景实时渲染子系统。
57.虚拟演练记录与回放子系统：建立一种时态连接，把虚拟演练过程中记录的各场景运行状态录像和专家的评定按照时态顺序保存，并组织起来，在回放时，读出这些记录，按时态顺序显示各场景运行状态和专家的评定。虚拟演练记录与回放子系统需要与演练资源管理子系统紧密结合，利用演练资源管理子系统存储记录模块得到的日志，检索并读出这些需要的记录，用于回放录像或输出专家评语。
58.虚拟演练评估子系统：主要完成对应急演练效果的评估。在演练评估前，需要建立演练评估的指标体系。评估指标体系的建立应遵循可测性、完备性、独立性、客观性、一致性与可理解性的原则。评估指标的选择是由系统任务需求牵引的，在确定突发安全事件评估指标时，重点考虑反映对此类突发安全事件本质特征的指标。
59.通讯子系统为千兆高速以太网。
60.该系统可由实施例二提供的应急演练设计方法实现，具体的实现方法可参见实施
例二中的描述，在此不再赘述。
61.实施例二
62.本实施例提供一种分布式虚拟仿真地震应急演练系统的设计方法，包括：
63.1、预案加载与运行控制流程，包括：
64.(1)登录：用户输入用户名和密码，只有管理员权限的用户才可以登录逃生预案生成子系统，用户的创建及其权限的设定由用户管理系统设定。
65.(2)预案检索。用户登录系统，进行相关的初始化操作后，可以检索数据库中的预案文件和流程控制文件。预案文件是在预案编辑系统中编辑好的，用户可以查看预案的名称、作者、建立时间、预案描述、演练任务要求、历史演练记录等信息。流程控制文件是根据演示脚本生成的对整个演练的流程进行控制的文件。
66.(3)加载预案。用户选定了预案文件和流程控制文件后，预案加载与运行控制系统会读取预案数据，并根据预案数据的内容对各个联邦成员要生成的对象进行初始化，同时系统会根据流程控制文件的内容，向其他联邦成怨妇阿松流程控制命令，实现整个仿真系统按照演练脚本推进。
67.(4)运行控制。在系统按照流程进行推进的过程中，用户可以对系统进行动态控制，比如添加突发事件以及向场景中添加模型等。
68.(5)退出系统。当演练结束或者其他原因需要结束演练，指挥员可以选择退出，结束整个演练。
69.2、启动三维视景实时渲染子系统，接收来自所述预案生成子系统的预案文件信息，建立本地渲染对象；然后，三维视景实时渲染子系统接收来自虚拟人控制盟员vh的关于人的动作指令，并根据指令信息内容进行模拟，这一过程中，三维视景实时渲染子系统以动画、影像、声音、图片的多媒体表现形式模拟显示中地震应急救援过程。本实施例中，三维视景实时渲染子系统是独立的子系统，在虚拟仿真演练开始时运行存在，通过一系列的场景初始化操作后，加入到系统进行注册，进入图形显示循环，接收消息表现各虚拟人员的动作和位置信息，并实时反馈系统场景装填和虚拟人员信息，包括指挥员控制模块和虚拟人控制模块。
70.3、进行动力学计算：包括采用物理引擎对废墟碎块以及人体件的物理交互进行模拟，模拟物体之间、物体和场景之间发生碰撞后的力学表现，包括碰撞检测和刚体动力学。
71.4、采用通讯接口进行导演组、演练组和评估组之间的数据通讯。通讯接口采用winsock接口，使用tcp协议进行通信，消息(包)类型大致有登陆包、登陆回复包、演练控制包、事件注入包、事件发送包以及决策提交包。
72.本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
73.如图3所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
74.本实施例的系统和方法将计算机技术与实际演练、专业应用相结合，以信息技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术、仿真模拟技术、人机交互技术、三维建模与可视化技术解决实际地震救援演练所面临的各种问题，解除客观因素对演练实施的制约，提高演练
效果，增强救援能力；将虚拟现实技术与真实地震资料相结合，以先进的虚拟现实技术模拟真实地震场景，在真实的地形图上模拟性能逼真的声、光、烟、雨、雪、雾、火等特效及仪表仿真，共同构建动态的、直观的、逼真的虚拟演练环境；将高层体系结构hla与各部门协同救援相结合，以hla地震救援模拟系统的层次框架，以促进各部门救援演练的互操作性、可伸缩性、实时性和协同性；将真实地震灾害建模与真三维大地形渲染、管理技术相结合，模拟地震对地表地形造成的破坏、模拟实时地形对救援车辆行驶运动的影像；实现以自然语言为主、鼠标键盘输入为辅的人机交互方式，以三维图像与环境音响为出口、一视觉和听觉为主题，感官丰富的，类似于实际演练的分布式虚拟仿真地震应急演练系统。
75.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。