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地震现场救援虚拟仿真想定编辑器的研究与实现
2015年12月20日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:崔忠辉,徐永志,张茂军 
    单位:国防科技大学信息系统与管理学院系统工程系
        中国科学院软件研究所通用软件实验室
    
    摘要:本文阐述了该虚拟仿真想定编辑器的主要特点、体系结构及其实现流程。讨论了系统实现过程中的若干关键技术,包括三维场景渲染、结构优化、运行流程控制及其想定的XML描述等问题。

    1 引言

    虚拟仿真是指“真实的人在虚拟环境中操纵虚拟的系统”而进行的仿真。虚拟仿真想定对传统的军事想定做了进一步的拓展,其内容不仅包括对传统军事想定相似的训练背景、训练过程等内容的描述,还包含了对仿真所针对的三维虚拟环境的初始环境条件与交互控制方式的描述。总的来说,虚拟仿真想定就是针对某种训练目的,对虚拟仿真系统所需的空间、时间、过程以及为了实现这一过程所需的背景、条件、约束、规则以及仿真资源的设定。

    随着虚拟仿真研究的不断深入,越来越多的研究人员意识到想定越灵活,可以集成的实体模型越多,就意味着对应的虚拟仿真系统能够完成更多的仿真目标,就越有生命力。想定的快速开发就意味着仿真原型系统快速开发成为可能[4]。

    研究人员在军事领域对想定做了大量的研究,开发出了许多优秀的想定生成工具软件。如加拿大 VPI 公司的 STAGE(Scenario Toolkit And Generation Enviroment),它是关于战术环境开发和武器系统验证的仿真软件。它提供了一套灵活的开发体系,来满足航空航天及国防领域战术模拟和训练的需求,想定作为其核心贯穿整个仿真开发过程[1][5]。在民用方面也取得了一定的进展。1999 年,StateRail 与 SGI 和墨尔本 RMIT 大学合作,为 StateRail员工训练研制一种虚拟仿真系统。该系统开发了一套沉浸式训练想定生成系统,用于设定不同的训练地段与训练环境,以及可能发生的特殊情况(包括站台爆炸、铁轨损坏、自杀性卧轨等)。

    本文根据地震现场救援虚拟仿真系统对想定生成系统的需求,设计了一个虚拟仿真想定编辑器的原型系统。该系统是以 OSG(Open Scene Graph)为渲染平台,以 XML 为场景结构描述语言编写的一个应用于地震现场救援虚拟仿真想定编辑器。从实际应用来看,它可以提高地震现场救援虚拟仿真系统想定设计的灵活性,增加训练场景设计的多样性;并且本文所设计的地震救援想定生成系统易于扩展,只需要修改基少量代码就很容易应用于类似的虚拟仿真系统,比如救火、应急训练等应用系统中,具有良好的通用性。

    2 地震现场救援虚拟仿真想定编辑系统

    2.1 系统结构

    本系统采用 OSG 为三维图形渲染平台,XML 语言为想定的描述语言。想定描述文件的结构采用基于对象和阶段模型的树形结构,这样方便了后续仿真中对不同对象实体的任务分配。同时想定的描述内容里引入的流程控制机制,为仿真的流程控制提供了依据。随机事件机制为仿真中的随机事件预留了接口。

    系统的基本结构如下:


图 1 想定编辑系统的结构

    如图 1 所示:该系统分为:用户输入界面、想定编辑器、OSG 图形渲染引擎、XML 描述器、三维想定数据库五个组成部分。其中用户输入界面引导用户输入基本想定参数;以三维可视化的方式,实现所见即所得的想定输入;XML 描述器负责将想定内容以 XML 文件的格式保存,并对文件语义的合法性进行检查,在仿真运行时负责解析选定的 XML 想定文件,供仿真系统进行对象初始化和运行控制。OSG 图形渲染引擎负责想定输入过程的三维场景的渲染,使用户可以以更直观的方式进行想定编辑,察看想定设定结果。

    2.2 想定编辑过程

    想定编辑系统可以对想定数据库中已有的想定进行索引,并且提供两种方式来建立想定:一、在已有想定的基础上,进行裁剪修改,用户可以编辑几个典型的想定模板存入数据库中,在编辑新想定时,只需要调出类似的想定模板进行修改,这样可以避免重复性的输入,缩短想定的编辑时间,提高工作效率。二、编辑一个全新的想定。下面介绍新建一个想定的过程。

    (1)制定训练计划 

    想定指定人员收到任务要求后,开始制定详细的训练计划,训练计划应该包括训练的目的、训练要求、训练科目、废墟类型、训练对象、人员组织、伤员和群众的数量和属性、使用工具的类型及数量、救援现场的环境因素(地形类型、天气:阴、雾、雨、雪、气温等)、救援过程中可能出现的突发事件,包括余震、漏气、漏电、火灾等。

    (2)编辑想定设置

    这一阶段以向导的方式来设置进行训练现场编辑前需要设置的相关信息。包括:

    ■ 想定信息。设定想定的名称、作者、任务描述、训练目标和要求。

    ■ 地震信息。设定地震发生的日期、时间、震级、地点、震源的经纬度以及地震的相关描述。

    ■ 选择训练对象和训练科目。训练对象可以选择指挥员、小组和协同训练三种。对于每一种训练对象都可以选择其训练科目,包括全程指挥训练、场区警示指挥训练、搜索指挥训练和营救指挥训练。

    ■ 设置人员结构。该模块的主要作用是设定派往救援现场供指挥员调用的救援队各分队队员的人数。

    (3)编辑训练现场

    根据地震救援的需要,采用所见即所得的三维场景编辑方式,进行场景布置及相关的属性和交互的设置, 如图 2 所示。



图 2 三维场景编辑

    ■ 环境设置

    主要用于设定地震发生现场的地形(山地,平地),地震发生的天气情况(阴、雾、雨、雪等)。对于地形可以设置其采用的坐标系。

    ■ 对象放置

    设定训练场景中对象的初始位置,可以通过鼠标拖拉或者用键盘直接输入坐标位置的方式输入。除了设定对象的位置,还要设定对象的属性,比如废墟的结构、伤员的受伤程度和求救方式、工具的类型等。

    ■ 设置对象间的关联性

    对于在运行过程中会发生交互的对象,需要设定其关联性。比如将电磁波生命/震动探测仪和受伤人员,当电磁波生命/震动探测仪与受伤人员的距离小于一定的值时,探测仪就会探测到受伤人员发出的求救信号,并能够确定伤员的位置。

    ■ 设定事件的时间轴

    事件包括余震、漏气、漏电、火灾、天气等五种会对地震救援过程产生影响的事件,事件采用可视化的时间轴的方式,方便用户编辑。

    (4)想定保存

    想定编辑完成后,想定信息会以 XML 文件的格式保存。 

    3 实现中的关键技术

    3.1 OSG 渲染引擎

    OSG 作为开放源码的渲染引擎,为我们根据需要对它进行进一步的改造或者开发自主知识产权的渲染引擎奠定了良好的基础。由于 OSG 以 VC.net 为开发框架,因而,我们的系统也是以 VC.net 为框架开发的应用程序,它调用 OSG 的接口函数,并且程序节点直接定义为OSG 的形式,节省了参数或者是模型转换传递的时间,使程序的运行速度更快。同时 OSG的树形渲染结构又能和 XML 的结构相对应,为场景的描述打下了一个很好的基础。

    3.2 XML 描述的结构

    为增加想定编辑的开放性,想定编辑都采用XML标准描述,使不同工具可以通过标准XML接口使用这些数据[6]。

    地震救援想定的描述分为三个部分:想定的初始化条件、过程想定、补充想定。

    第一,想定的初始化条件。它主要是对仿真运行环境的初始化,包括仿真的参加人员、装备等各种模型组成的三维场景属性设定。

    第二,仿真过程想定。它主要是用一个主想定事件列表及其发展同步条件来定义仿真的基本发展过程,用一个主要任务表来定义各个仿真终端所应该完成的具体任务。主要事件列表是命令执行顺序内简练的文字说明,它们会自然地发生,以确保想定按一个逻辑的进程和给定的一个时间估计来执行。

    第三,补充想定。它是对上述两种想定的必要补充,它围绕总的仿真目标,针对不同的仿真问题提供情况和条件,包括对仿真的时间、指挥员的指令和仿真基本实现方法的进一步详细说明。

    这里将 XML 文件设计成一种树形结构,和 OSG 的树形渲染结构相对应,有利于基于 OSG的场景编辑平台的数据的导入和导出。XML 文件结构如图 3。



图 3 想定的 XML 文件的结构

    图3 中可以看到整个 XML 文件分为场景、过程、补充三个组成部分。其中场景和过程两个部分相辅相成,其中的控制变量相互影响,互相制约。同时这三个部分与仿真想定的三个组成部分又基本上是对应的。其中初始化想定在如图所示的“场景”内容里体现出来,包括各个组成及其属性的初始化。过程想定在想定的“过程”内容里包括想定的各个阶段的设定,主要是通过一些开关变量对想定场景的影响来实现。补充想定主要是 XML 里的一些的设定及其具体任务执行的补充说明,因篇幅有限没有在文件里体现。

    3.3 想定运行的流程控制问题 
 
    作为大型分布式仿真,不同的实体或联邦盟员执行不同的训练任务,由不同的计算机进行计算,如何保持整个系统在运行时的流程按照预想进行显得尤为重要。所以在想定的设计中要做好同步条件的设定。这里我们把想定分为各个阶段的想定模型和控制条件模型。

    这样我们在为各个仿真实体分配任务的时候就可以把各个实体的控制条件模型和控制条件文档传递给它。这样有利于仿真实体对想定的文档的读写和减少不必要的网络数据传输,避免网络拥塞。

    想定流程同步主要由三个系统变量集控制:临界时间(STa)、事件比率(阶段各项任务完成比率 SRa)和指挥员控制变量(SC)。三个变量集控制仿真运行的示意如图 4 所示:


图 4 仿真想定同步控制流程图

    从图 4 中可以看出,作为三个控制变量集之一的 SC 由指挥员控制,起着决策者的作用,仿真指挥人员可以通过它将仿真进行阶段跳转。SRa 根据初始设定的各项任务完成比率的临界值,判定系统是否应该进行跳转。作为地震救援这样的复杂任务,完成百分之百几乎是不可能,这样就需要根据事先设定的临界值判断是否应该进行下一阶段,然后提示指挥员,由指挥控制盟员 SC 发出 SC 控制指令集决定最后的跳转。STa 是为仿真想定规定的仿真时间框架,规定每个阶段任务的最大执行时间,当某一阶段进行到时间极限的时候,系统提示指挥员是否进行下一阶段,然后再由指挥控制盟员决定最终的跳转。这样初步采用三个控制变量集来保证整个仿真按一个想定的逻辑的进行,确保整个仿真能够在一个给定时间估计内执行完成。

    3.4 仿真想定运行优化问题

    地震救援仿真作为大型的仿真程序,其场景结构复杂、程序规模大,参数变量繁多。

    这给计算机终端的运行和网络传输带来了极大的压力,可能导致数据处理延迟加大或者是丢失等问题。所以在想定结构上要考虑仿真运行的优化问题,尽量减少每一个时间段的模型数量和数据处理量,提高程序的运行速度。作为一个完整的地震救援仿真想定包括大量的数据、模型及其属性。对于场景渲染和网络传输来说,每一个特定的时间阶段需要渲染和传输一部分想定内容和数据。这样我们就需要对某些模型或数据模块进行剪裁和删减,避免不必要的计算资源浪费。例如,在开辟现场阶段我们对于所加载的场景废墟模型只需要做简单的可见的显示效果,不需要做一些复杂的碰撞检测处理的工作,伤员和废墟内部结构数据可以暂时不加载,其属性数据暂设为和时间相关的变量,不需要在各个计算机终端中进行传递。我们需要的是将开设临时救援现场的相关物资模型及其详细数据调入以供各个终端调用。进入到搜索阶段后,将救援场所的实物模型进行简化,将一些动态模型如帐篷(因已经搭好)、桌椅(已放置到位)等设为静态模型。然后将废墟伤员等一些搜索重点模型及其相关联数据调入。在救援阶段则可以把没有发现的伤员,或不可能再用的伤员模型等数据进行删除,以此来简化需要渲染及其处理的场景。如图5所示的XML描述示意图,通过设定各个场景和模型的switch掩码来实现。

    4 结束语

    地震救援现场虚拟仿真是一个大的仿真工程问题,想定作为其纽带扮演着重要的角色。

    本文针对地震救援的需求,实现了一个满足基本要求的虚拟仿真想定编辑系统,并成功运用到了实际的仿真工程中。该系统对整个仿真起着非常重要的作用,它初始化了仿真环境,规划了仿真的进程,初步优化了仿真的运行,有效地保证了整个仿真的进行。但是,如何设计使想定的结构更加合理,提高系统运行时的可靠性等,如何提高系统的自动化程度,减少用户的参与等等都需要进一步研究。在以后的工作中不断地进行完善,才能使系统更好的适应地震救援这种大型仿真系统的要求,同时对其他类似仿真系统提供很强的借鉴意义。

    参考文献:

    [1] 石峰,赵雯,王维平,联合作战仿真应用中的想定系统框架[J],系统仿真学报,2003,15(2):212-215.

    [2] 李群,杨峰,朱一凡,王维平,空军战役过程推演系统的想定生成设计与实现[J],系统仿真学报,2003,15(3):414-416.

    [3] 邢继娟,李亚,葛含益,刘建湘,蓝国,任务空间概念模型与独立于仿真的想定管理系统[J],现代防御技术,2003,31(1):60-64.

    [4] 胡晓峰等,《作战模拟引论》[M] 北京国防大学出版社,2003.511-593.

    [5] STAGE Scenario 5.0 User Guide,eNGENUITY Technologies Inc.2004.

    [6] 陈欣, 胡晓惠, 付勇, 傅妤华,基于XML 的仿真想定标记语言SSML[J],系统仿真学报,2004,16(9):1928-1930.

    [作者简介]

    崔忠辉(1977.05 - ),男(汉族),河北保定人,国防科技大学在读硕士生,研究方向为多媒体信息系统与虚拟现实技术,(地址:湖南长沙国防科大五院五队、邮编 410073、E-mail:cuihui008@yahoo.com.cn );

    张茂军(1971.1- ),男(汉族),湖北黄冈人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为:多媒体信息系统与虚拟现实技术、信息系统工程、虚拟仿真。

标签:地震救援想定
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