一种地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统

1.本发明属于应急处置培训技术领域，具体涉及一种地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统。


背景技术：

2.现有的地铁安检训练一般仅能使用实际设备或模拟训练场景，在实景中进行模拟流程训练。无法使用对人体伤害较大的辐射原料来模拟真实辐射源在处置过程中，因处置操作不同而对自身及地铁站内人群产生的影响。
3.本发明针对这一问题，借助虚拟现实交互性强，沉浸感强，计算机模拟技术能够准确可靠得计算出辐射放射源在地铁站空间内的扩散及对周边人群影响的优势，提出一种基于三维渲染引擎的地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统。多位受训人员可以同时参加培训，实时与模拟计算出的人流以及涉核放射源进行互动交互。通过计算模拟的结果，对受训人员的处置操作是否及时、合理，对相应的处置是否能最大程度保护人民群众的生命财产安全进行评判。可极大提升相应训练的有效性、科学性、针对性。
4.当前我国放射源运输仍以承运单位为主，监管部门审批的方式进行管控，托运人/承运人对放射源的污染和辐射水平实施监测，按照指定的时间、路线、速度行驶，并悬挂警示标志，配备押运人员进行运输，虽然近年来已经开展了放射源运输领域的相关研究，初步实现了通过定位、运行轨迹查询等直观方式掌握放射源运输、使用等情况，但现有的领域研究成果仅能实现目标状态信息的汇聚，对运输过程中采集的工作人员、放射源状态数据融合处理、威胁研判与风险态势感知体系领域的建设仍处于空白状态。
5.放射源涉及专业性强，危害性大，且专业人才匮乏，放射源监控手段尚不健全，给处理突发事件的执勤人员增加较大的难度和未知的风险。针对放射源运输路线种被盗、抢，内部人员作案风险等涉恐行为，现有手段缺乏事前预警，实时监控的能力，对突发事件存在情况不明、状态不清、影响未知的客观情况，往往只能事后追查，处于被动状态。
6.针对地铁涉核放射源在多种安检区域中所产生的包括自动报警，发现可疑物，受恐怖分子控制的涉核爆炸物和已经发生的涉核爆炸等情形，以及每类事件中适合应用的防核装备和处置流程，现有的传统解决方案由于涉核的高危性和专业性，缺乏可及性的实际训练和演练，并且直接导致公安处置人员难以克服的心理障碍。对这类杀伤力极高的突发事件存在训练可及性低、心理障碍突破难的客观情况，往往只能依据真实事件总结分析或预设场景开展教学，停留在纸上谈兵的阶段，处于被动状态。
7.通过构建vr涉核训练系统，将以地铁为主线的训练场景，拓展至公交，机场，火车站等敏感地区的解决方案，把涉核恐怖事件的发现，控制和初步处置人员对于防核装备的使用操作演示培训，不同安检区域的应急处置流程，在处置过程中需要考核的指标等多源信息统一实时反馈并输出至vr涉核训练系统，便于公安涉核处置人员第一时间掌握模拟训练的数字化和影像等资料，为复盘分析提供了客观精准的数据，集培训，实践和考核于一体，切实提高警务人员应对涉核反恐事件的应急处置能力。
8.虚拟现实技术用于涉核训练领域，具有环境逼真、及时导调、便于分析、参与度高等明显优势。相比于传统训练，虚拟现实能够轻易模拟各种在现实中难以布置的处置场景，能够模拟出各种在实际训练难以出现的意外状况，能够使参训人员在仿真环境中得到有效锻炼，提升参训人员在各种任务情况下的环境适应能力、心里承受能力、处置现场应变能力、战场应变能力和战术协同能力，是实际训练的有益补充。由于虚拟现实训练其立体、直观的呈现方式，学习效率相比于传统书本教学有大幅提升。同样要指出，由于当代虚拟现实技术仍处于高速发展之中，其仿真场景与训练更多的是知识与流程上的学习与训练，帮助参训人员更好的适应各种情况，与实物实景训练相辅相成。
9.以地铁安检区域涉核训练为例，系统可以仿真还原地铁站，人流情况，涉核物质对场景中不同人群的伤害等，并对操作人员所使用的安检装备、防护设备、涉核处置设备进行仿真建模，形成虚拟实训环境。实训学员通过虚拟现实交互设备进入虚拟环境，利用定位技术支持的手持设备与虚拟环境进行交互，在系统提示下按照流程一步步完成操作学习，同时可以进行综合训练的演练与考核。教师可通过外接显示设备观察任意参训人员的训练情况，进行实时的课程管控、调节，实现响应数据的采集。系统对参训人员的操作与考核进行自动评价，教师可通过录像回放对学员进行分析点评。虚拟训练系统一方面保证的训练的安全，另一方面训练、培训无需复杂的后勤支持，灵活性高。学员参与虚拟现实实训后再进行实操演练，可以有效提升训练效率，保障实际训练过程的安全。
10.目前针对地铁的涉核演练主要是利用实际存在的地铁站或者按照实际场景搭建的实景训练场，利用实际的装备进行演练。


技术实现要素：

11.鉴于以上现有技术现有的地铁涉核演练主要存在以下问题，由于涉核物质对人体的强伤害性，因此在实际的涉核演练中无法使用真正的涉核物质，同时涉核物质的伤害机制也是长期的。因此对于处置过程中不同的操作对于涉核物质产生的伤害无法进行准确有效的评估，只能依据预定的预案进行操作，训练的针对性不强；传统解决方案由于涉核的高危性和专业性，缺乏可及性的实际训练和演练，并且直接导致公安处置人员难以克服的心理障碍。对这类杀伤力极高的突发事件存在训练可及性低、心理障碍突破难的客观情况；在地铁安检场景中，涉核演练的另一个问题是无法准确对人流进行模拟。在训练中，很难安排足够多的人员模拟实际地铁站安检过程中所出现的大人流场景。无法模拟面对大量无组织的群众时，疏散方案的效果以及涉核物质对人群的影响。
12.为实现上述现有问题，以及实现其他相关目的，本发明提供一种地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统，设置训练内容层、交互操作层、功能模块层、数据服务层和硬件支持层。
13.在本发明的一可选实施例中，训练内容层为具体训练的流程、场景、装备的准备及设置；
14.在本发明的一可选实施例中，交互操作层包括功能交互，功能交互包括教练端、训练端和态势端，且其用于教员端、训练端和态势端的功能的交互与操作。
15.在本发明的一可选实施例中，功能模块层包括三维渲染仿真模拟、中央控制和数据交互。
16.在本发明的一可选实施例中，三维渲染仿真模拟包括地铁站台模拟、人群模拟、涉核伤害模拟、涉核检测设备仿真、工作人员模拟、其他物理模拟和实时导调；所述中央控制包括硬件信息、设备控制和房间管理；所述数据交互包括评判模块、语音通信和定位模块。
17.在本发明的一可选实施例中，数据服务层包括数据处理系统；数据处理系统包括信息管理和训练档案数据。
18.在本发明的一可选实施例中，硬件支持层包括训练区、设备区、观摩区和控制区；训练区包括大区域空间定位设备；设备区包括头戴式显示器和手持设备；观摩区包括高清显示设备；控制区包括中央服务器和控制端。
19.在本发明的一可选实施例中，该培训系统的训练流程为依次为训练内容层、交互操作层、功能模块层、数据服务层和硬件支持层。
20.在本发明的一可选实施例中，训练内容层包括以下步骤：
21.s1：分配角色；
22.s2：涉核人员通过走廊行人检测仪部分；
23.s3：行人检测仪；
24.s4：报警，进行涉核处置和s6；未报警，进行安检，再进行s5；
25.s5：行包检测仪，未报警正常通行，报警进行s6；
26.s6：各人员封锁入口，并疏散附近人员，生化处置人员处置涉核包裹，等待专业人员进行进一步处置；
27.s7：结束。
28.本发明的技术效果在于：
29.1、系统通过计算机模拟技术构建了地铁的案件区域环境，并实现了对涉核危害情况、检测设备、地铁人流情况的仿真，为训练提供了完整的流程及操作环境。本系统能通过安全的手段进行涉核演练，有效降低了训练的危险性和成本。
30.2、本系统通过虚拟现实技术为参训人员提供了实时可互动，结果可展现的沉浸式场景，让参训人员能够更加身临其境得进行训练，提高了训练效果。
31.3、本系统可通过编辑场景，编辑人流情况，编辑涉核物质的危害程度等对训练内容进行扩展，有效提高了训练的针对性。
附图说明
32.图1是本发明的实施例所提供的地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统的系统图。
33.图2是本发明的实施例所提供的训练内容层的系统图。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
36.请参阅图1-2所示，提供一种地铁安检区域涉核情况应急处置培训系统，设置训练内容层、交互操作层、功能模块层、数据服务层和硬件支持层。
37.在本发明的一可选实施例中，训练内容层为具体训练的流程、场景、装备的准备及设置；
38.在本发明的一可选实施例中，交互操作层包括功能交互，功能交互包括教练端、训练端和态势端，且其用于教员端、训练端和态势端的功能的交互与操作。
39.在本发明的一可选实施例中，功能模块层包括三维渲染仿真模拟、中央控制和数据交互。
40.在本发明的一可选实施例中，三维渲染仿真模拟包括地铁站台模拟、人群模拟、涉核伤害模拟、涉核检测设备仿真、工作人员模拟、其他物理模拟和实时导调；所述中央控制包括硬件信息、设备控制和房间管理；所述数据交互包括评判模块、语音通信和定位模块。
41.在本发明的一可选实施例中，数据服务层包括数据处理系统；数据处理系统包括信息管理和训练档案数据。
42.在本发明的一可选实施例中，硬件支持层包括训练区、设备区、观摩区和控制区；训练区包括大区域空间定位设备；设备区包括头戴式显示器和手持设备；观摩区包括高清显示设备；控制区包括中央服务器和控制端。
43.在本发明的一可选实施例中，该培训系统的训练流程为依次为训练内容层、交互操作层、功能模块层、数据服务层和硬件支持层。
44.在本发明的一可选实施例中，训练内容层包括以下步骤：s1：分配角色；s2：涉核人员通过走廊行人检测仪部分；s3：行人检测仪；s4：报警，进行涉核处置和s6；未报警，进行安检，再进行s5；s5：行包检测仪，未报警正常通行，报警进行s6；s6：各人员封锁入口，并疏散附近人员，生化处置人员处置涉核包裹，等待专业人员进行进一步处置；s7：结束。
45.一、训练内容层：
46.主要为预先设定的地铁涉核处置流程。在训练中，初始会针对参训人员进行角色分配，让参训人员进入vr场景中，作为地铁安检工作人员，对过往乘客进行对应的检查。
47.当人员通过安检区域时，若未在行人检测仪或行包检测仪中检测出异常，则行人可正常同行。若检测仪报警，则进入涉核处置部分。
48.涉核处置时，需先对地铁站点进行封锁，并进行人员疏散。同时生化处置人员需对涉核包裹进行相应的处置以降低危害。在降低危害的处置后，等待专业人员进行进一步处置。
49.二、交互操作层：
50.功能交互子系统是满足整体系统中各个角色与系统进行交互操作的系统，其分为教员端、训练端、态势端。教员端软件安装在中央服务器上，满足教员对于设备信息及控制、视角导调、流程控制等额外需求。其与中央控制模块及实时导调模块进行对接，有硬件信息、设备控制、房间管理等功能。硬件信息模块负责搜集系统内的硬件运行状态信息，设备
控制模块管理系统中的各类硬件，包括开关机、状态显示等其他必须操作，房间管理模块是教员端的主要模块，可选择训练内容、训练设置、加入训练人员、删除训练人员、训练开始、训练指导等功能，是对整体训练流程的主要操控模块。训练端软件安装在背负式计算核心上，主要负责构建虚拟仿真环境，让参训人员可进行沉浸式训练，同时利用外置硬件，捕捉参训人员的位置、姿态、手势、开枪等操作信息，将其在虚拟仿真环境中进行重构及仿真，达到虚拟训练的目的。态势端安装在观察计算机中，进行训练实时展示，包括第一视角、第三视角、上帝视角、自由视角等模式。
51.三、功能模块层：
52.功能模块层为训练系统的具体功能实现模块，主要由三维仿真渲染模拟，中央控制以及数据交互部分组成。三维渲染仿真模拟：仿真模拟部分为训练系统与参训人员，导调员，观摩人员进行直接交互的部分。利用计算机模拟技术生成模拟实景及场景中的事务，投送给交互端，完成对人员的训练。地铁站台模拟：通过根据实景进行的3d完全仿真建模，在虚拟空间中对地铁站台及其安检区域进行了复刻。为在其中的涉核训练提供了基础的场景空间。人群模拟：为了模拟处置场景中群众在过程中的影响，在场景中设置了由ai控制的群众，可以实现群众进站、买票、闲聊、等待、进站安检、进出站台及配合疏散等功能，为进一步评估处置是否合理提供了评判依据。涉核伤害模拟：该功能通过对涉核辐射物质的物理扩散及辐射机制进行计算机模拟，可实时计算涉核物质对站台内群众及工作人员的伤害量。可通过该功能对处置的合理性，及时性进行定量评估，为对参训人员的评判及处置流程的进一步改进提供了数据支持
53.涉核检测设备仿真：该功能主要通过物理模拟，实现对检测装备的仿真，当场景中的检测设备靠近辐射源或受到一定计量的辐射是，可进行数值显示及提供相应的警示
54.工作人员模拟：工作人员主要为参训人员，通过实景的模拟，可以让参训人员在场景中与检测设备及后续的处置设备进行交互，通过参训人员的操作进行模拟的处置训练过程
55.其他物理模拟：场景中的所有可交互物体都使用引擎的物理机制进行实现，场景中的ai控制人流，以及参训人员都可实时与场景中的道具进行互动，操作，以提高系统的真实性
56.实时导调：导调人员可通过实时导调功能对训练场景中的科目及难度进行实时的设置修改，让参训人员可以训练到多种不同的场景
57.中央控制模块：中央控制模块由客户端及中央控制端两部分组成，客户端安装在参训人员使用的背负式计算核心中，负责收集训练硬件数据及系统状态，更新软件版本，中央控制端安装在服务器中，可查看所有参训人员硬件数据，同时可以通过客户端控制参训人员的训练时的训练状态，达到快速训练、一键管理的目的。
58.硬件状态信息：客户端可收集参训人员使用的背负式计算核心中的设备称、设备网络地址、设备启动情况、软件版本、设备网络连通情况等信息，每隔一段时间发送给指定网络地址计算机的指定接口，中央服务器中的中央控制端程序对收到的消息进行解析及统一展示。
59.远程设备控制：中央控制端可通过每个参训人员客户端控制软件，对参训人员虚拟现实模拟训练软硬件进行启动及版本控制，可远程进行重新启动、关机、软件更新、软件
启动操作。标准软件版本可选择保存在本地ftp服务器中。
60.选择需要操作的个人端序号，选择要进行的操作：关机、重新启动、软件更新(软件更新智能由低版本更新到高版本)、软件启动；中央控制端将操作人员指令发送到指定客户端；
61.客户端通过操作系统对设备进行操作，进行重新启动或关机的操作，并通过本地ftp服务器拉取最新版本程序进行更新。
62.训练房间管理：中央控制端可对整体训练过程的基本训练流程及参训人员状况进行管理，支持对多种训练进行管理，包括新建训练、加入学员、设置训练类型、删除训练学员、开始训练、结束训练。
63.数据交互模块：数据交互模块负责训练中的数据的采集及分发。由定位模块、语音通信、评判模块几部分组成。
64.定位模块：定位模块结合了红外光学定位、即时定位与地图构建技术(simultaneous localization and mapping，slam)，光学定位是利用多源光学定位技术对物体进行定位，其位置计算为绝对位置，但其定位相对位置精度不足。slam定位技术利用第一人称摄像头对屋子进行扫描，捕捉图像的实时微量偏移对位置进行定位，其主要测量物体相对位置，相对位置精度高，但slam定位会产生累计误差，有长时飘移现象，同时使用slam定位时，需要精准的初始校准过程，增加了操作复杂度。
65.定位模块利用开发的多源数据融合算法，结合光学定位于slam定位技术优势，实现了绝对精度、相对精度两者的精度提升，并解决了长时飘移现象，不再需要初始校准，操作简便，同时具有很好的定位效果与鲁棒性；不存在定位空间与定位人数限制；提升场地利用率，满足一地多用的需求；定位场地利用率不低于90％；定位系统低眩晕、低延迟(刷新率高)，单个定位目标刷新频率不低于90hz；系统维护成本低，安装完成之后，不需要定期校准。
66.语音通信：语音通信模块使用麦克风采集参训人员的语音，利用语音数据压缩传输，并通过中央处理模块将语音信息进行广播，以提供语音通信的功能，场外指导人员可通过语音对指定人员、指定队伍进行交流，干涉其行为。除场外语音外，参训人员的声音会在虚拟场景中进行传播。语音信号在训练内容中可通过扩音器等设备进行放大。
67.评判模块：训练评价功能提供对参训人员整体行为合理性、流程准确性、反应时间进行智能评价，智能评价后可进行人工修正，最终结果保存数据库。
68.四、数据服务层：
69.数据服务层提供整体系统运行所需数据的组织、储存、读取、写入功能，由信息管理和训练档案数据两部分组成，其中信息管理负责人员信息、训练信息的维护，训练档案数据保存参训人员的历史网络数据，从而实现参训人员的训练数据回放功能。
70.信息管理功能模块负责对参训人员信息的管理，提供参训人员增加、人改、人员删除、人员信息检索功能，同时可以查看参训人员训练档案，训练档案包含参训人员的训练结果、训练录像、训练评价。
71.操作人员查看指定训练人员的训练、考核结果所形成的训练档案，训练档案由训练结果、训练录像、训练评价三部分组成。
72.五、硬件支持层：
73.本系统在训练区部署了大区域空间定位设备，为个人端提供了准确的空间位置。在设备区主要由头戴显示器及手持设备组成。头戴显示器提供立体的场景呈现，手持交互设备提供手部的按键操作输入及6自由度(空间坐标及空间角度)实时信息。在观摩区通过高清显示设备让观摩人员可以直接看到参训人员的训练实景及相应的信息。控制区主要对整体系统进行控制，中央服务器通过网络与参训人员设备进行连接，进行数据的互通以及演算转发。控制端可对各区域的设备进行操控。
74.本系统的通过上述过程：
75.1.本系统能通过安全的手段进行涉核演练，有效降低了训练的危险性和成本。
76.2.本系统可通过编辑场景，编辑人流情况，编辑涉核物质的危害程度等对训练内容进行扩展，有效提高了训练的针对性。
77.3.本系统通过涉核物质仿真及观察功能，能够实时看到训练过程中处置的有效性，为操作流程的改进提供了可靠依据。
78.4.系统通过计算机模拟技术构建了地铁的案件区域环境，并实现了对涉核危害情况、检测设备、地铁人流情况的仿真，为训练提供了完整的流程及操作环境。
79.5.本系统通过虚拟现实技术为参训人员提供了实时可互动，结果可展现的沉浸式场景，让参训人员能够更加身临其境得进行训练，提高了训练效果。
80.在整篇说明书中提到“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。
81.还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。
82.另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。
83.如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个”、和“该”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在
…
中”的意思包括“在
…
中”和“在
…
上”。
84.本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。
85.本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识
到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。
86.因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换亦在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。