摘" 要：针对核与辐射应急监测存在的辐射环境风险大、监测仪器成本高及综合训练实施难等问题，为此基于虚拟现实技术开发了一套核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统。该系统按照核与辐射监测仪器模拟操作与训练、核与辐射应急监测技能模拟训练和核与辐射应急监测综合模拟训练三个层次开展学习与训练。将传统理论教学内容、实验仪器实操演示融合到虚拟仿真教学场地中，制定了理论融入、虚实结合的教学训练规程与方案，实现了传统理论学习、实验仪器操作与虚拟仿真训练相结合的三位一体的实战化教学模式。
关键词：核与辐射；辐射监测；虚拟仿真；实践教学
中图分类号：TP391.9；G434" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）09-0194-05
Application Practice of Virtual Simulation in Teaching of Nuclear and Radiation Emergency Monitoring
DUAN Zhongshan， LU Haoyuan， QIN Bing， ZENG Chenhao， LIN Yuanye， FENG Xiaojie
（Department of Military Facilities， Army Service College， Chongqing" 400000， China）
Abstract： For the problems of nuclear and radiation emergency monitoring， such as high radiation environmental risk， high cost of monitoring instruments and difficult implementation of comprehensive training， a virtual simulation training system for nuclear and radiation emergency monitoring has been developed based on Virtual Reality technology. The system carries out learning and training according to three levels： nuclear and radiation monitoring instrument simulation operation and training， nuclear and radiation emergency monitoring skills simulation training， and nuclear and radiation emergency monitoring comprehensive simulation training. It can integrate the traditional theoretical teaching content， experimental instrumentation demonstration into the virtual simulation teaching site， develops the teaching and training protocols and programs that integrate theory and Virtual Reality， and realizes the trinity of traditional theoretical learning， experimental instrument operation and virtual simulation training in a combat-oriented teaching mode.
Keywords： nuclear and radiation; radiation monitoring; virtual simulation; practical teaching
0" 引" 言
近些年，国家和军队核与辐射污染应急监测、处理与处置的仪器装备发展迅速，其数量与质量都有显著提升，但是专业技术队伍的教育与培训方面却明显滞后[1]。主要表现在：1）由于核与辐射应急监测场地的危害性，大多数核与辐射应急监测教学是基于理论学习或者仪器演示，监测场景和仪器读数的缺失使得教学训练效果大大缺失[2]。2）核与辐射监测与处置仪器价格昂贵，教学与训练过程中很难保证足够的仪器用于演示或者操作[3]。3）核与辐射测量仪器精密程度高，学习和训练过程对仪器的损伤往往较大，高昂的维护成本导致难以满足新学员多次反复练习。4）复杂条件下核与辐射应急监测处置训练往往涉及多员多装备协同配合，现实条件下的多人协同演练无法开展。开展虚拟训练是解决上述问题的一个有效途径[4]，为此建立一套核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统，并用于教学实践非常重要。
1" 核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统的建立
核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统整体构架如图1所示，详细内容及流程参见IAEA-TECDOC-1092报告Procedure A0与A1，按模块可分为核与辐射监测仪器模拟操作与训练、核与辐射应急监测技能模拟训练和核与辐射应急监测综合模拟训练三个部分。核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统用户操作界面包括桌面操作和VR操作两种模式，桌面操作模式具备完整的操作功能，为训练者提供仪器操作、模拟培训、综合演练等功能，VR操作侧重于浸入式的模拟体验。系统组件层具有特定功能且逻辑独立的代码块或类库，被进一步封装成可复用的模块，对外提供可调用的应用程序接口，数据访问层可提供网络通信设施和数据访问接口。为满足功能要求系统建立了各类核辐射应急监测设备模型、三维虚拟场景、人物模型、车辆模型等，这些模型在3DMAX创建后导入UE4引擎，用于实现各类操作功能。
1.1" 核与辐射监测仪器模拟操作与训练
本单元通过对仪器设备的外观建模、部件建模以及基本功能建模实现了主流核与辐射污染防治仪器和设备的数值化虚拟，用于解决测量仪器主要功能、结构、原理与操作方式等的学习实践，重点在于“学”；虚拟仪器包括低量程γ剂量率仪、中量程γ剂量率仪、高量程γ剂量率仪、可伸缩探头γ剂量率仪、中子剂量率仪、α/β表面污染监测仪、NaI探头污染监测仪、就地γ能谱仪、电子直读式个人剂量计、总α/β测量仪、液体闪烁计数（LSC）系统、实验室γ能谱仪等。部分虚拟仪器如图2所示，虚拟仪器与真实仪器外观、结构、操作、物理读数等高度一致。
1.2" 核与辐射应急监测技能模拟训练
本单元基于核与辐射数学物理模型虚拟了核与辐射污染防治专项训练场景，侧重于多仪器在特定场景中的综合实践操作[5]，重点在于“练”。核辐射场景包括放射源库、放射化学实验室、放射源丢失事故现场、核辐射污染场地等，场景中辐射分布数据按照辐射强度随源距离和空间的数学模型来实现，虚拟场景数据与真实场景数据一致性较好，部分场景展示如图3所示。模拟训练内容主要包括烟羽测量虚拟训练、地面沉积调查、环境累积剂量测定、放射源监测、表面污染调查、个人监测、空气采样与就地量测、土壤、水及植物样品的采集、空气样品的总α/β测量、水样的总α/β测量、就地γ能谱测量、实验室γ能谱测量、氚的分析、锶的分析等。专项训练辐射场景下环境数据真实，虚拟训练仪器、场地高度逼真。
1.3" 核与辐射应急监测综合模拟训练
该部分为多人多仪器核与辐射污染防治综合演练场景虚拟，侧重于多人多仪器综合演练，重点在于“训”，部分虚拟场景如图4所示。目前虚拟仿真系统核与辐射应急监测综合演训模块融入了商业中心丢失放射源场景、涉核航空器坠落应急场景、脏弹袭击事件场景、核电厂事故应急场景、核技术医疗应用监测等场景。大型事故场景下要素齐全、数据真实、边界宽阔，能够实现多人多仪器复杂事件下演习演练。
2" 核与辐射应急监测虚拟仿真训练实践过程
《核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统》实践过程中可解决传统训练中复杂战场环境难构建、危险环境难训练等问题，开展虚拟仿真训练可以突出以学员为中心的教学理念，进阶式、任务型的实践方式让学员成为“教、练、训”的主体[6-8]。核与辐射应急监测虚拟仿真训练教室前端布置教员控制席1个，网络服务器1台，投影设备1套，音响系统1套及教学桌椅1套。教室右侧布置12个学员操作席；每个学员操作席配置虚拟训练软件系统1套，图形工作站1台及教学桌椅1套。虚拟现实操作训练区配置专用虚拟训练器材、数字头盔、操控手柄、定位器、数据手套、追踪器等VR交互设备多套。
2.1" 实行核与辐射监测仪器“理、虚、实”三位一体化教学
针对核与辐射监测仪器虚拟操作与训练，将传统理论教学内容、实验仪器实操演示融合到虚拟仿真教学场地中，制定了理论融入、虚实结合的教学训练规程与方案，实现了传统理论学习、实验仪器操作与虚拟仿真训练相结合的三位一体的实战化教学模式。以高量程γ剂量率仪的虚拟操作与训练为例，如图5所示。1）训练场景：在15 m×15 m×6 m的房间中心、离地面1.5 m高处，布置放射源1枚，房间内的剂量场分布通过点核法或蒙特卡洛法确定，并考虑环境本底、随机特性的影响。2）仪器虚拟：参照实体仪器，实现开机、参数设置、测量、关机等主要操作的虚拟；在正常量测范围内，虚拟仪器按照与实体仪器相同的频率更新示值、自动切换单位等；超出量测范围时，与实体仪器呈现类似响应。3）流程设计：首先简要介绍仪器的测量原理、功能结构等；然后打开仪器开展测量，可在房间内任意变换位置测量，可变换虚拟仪器参数设置；内置10枚可自由选取放射源用于测量，初步考虑包括I - V类Co-60放射源各1枚、I - V类Cs-137放射源各1枚；最后关闭仪器，填写试验报告，离开该子模块。
2.2" 特定场景下多仪器融合的核与辐射应急监测专项技能训练
针对核与辐射应急监测技能模拟训练，基于辐射场数学模型建立了多个复杂特定场景，设置了多仪器融合的核与辐射应急监测专项任务。如图6所示，以放射性烟羽测量的虚拟训练为例，1）任务目的：按照应急监测组长的指示，前往指定派遣点进行烟羽测量。2）涉及仪器：低量程γ剂量率仪、中量程γ剂量率仪、高量程γ剂量率仪、可伸缩探头γ剂量率仪、中子剂量率仪、表面污染监测仪、直读式个人剂量计、TLD个人剂量片、必要的个人防护用品及附加用品，详见IAEA-TECDOC-1092报告Checklist A0与A1。
3）流程组织：出发前完成仪器的质量控制检查、出发前的准备；中操作人员乘车前往派遣点，在车上开展剂量率监测，并随时注意个人剂量变化；污染特征通过特定函数计算，并考虑环境本底、随机特性的影响；操作人员到达派遣点，选择合适位置开展烟羽监测，并随时注意个人剂量变化；污染特征通过特定函数计算，并考虑环境本底、随机特性的影响；务结束自动执行任务结束后的污染检查，提交监测报告。
2.3" 实施融入实战化场景模式的综合演习演练
目前虚拟仿真系统中融入了商业中心丢失放射源、涉核航空器坠落、脏弹袭击事件、核电厂事故、核技术医疗应用监测等场景。以涉核航空器坠落应急监测为例，如图7所示。1）情景概述：某涉核航空器坠落，航空器核材料爆炸燃烧，并产生了大量烟雾碎片。经航测小组的初步甄别，现场火灾已熄灭，但有相当数量放射性碎片散落在事发地。2）污染特征的虚拟：主要是涉及γ剂量率与表面污染的虚拟：γ剂量场分布通过点核法或蒙特卡洛法确定，并考虑实体屏蔽、环境本底、随机特性的影响；表面污染按一定概率模型随机生成，并考虑环境本底、时间随机特性的影响。3）涉及的监测项目：放射源监测、就地γ能谱分析、环境累积剂量测定、表面污染调查、个人监测、各类样品采集等。4）流程组织：出发前应急指挥通知应急监测小组出发，并告知事故现场位置、场地设施等基本情况；接到通知后，分析事故基本情况，准备相应监测程序（仪器装备、工作表格等）；事故现场场景I：监测人员穿戴防护用品，对事故现场进行必要的拍照，利用γ剂量率仪进行事故现场γ剂量率监测及就地γ能谱仪进行核素分析，搜寻放射性碎片，并划定γ剂量率为100 μSv/h内为安全控制区，在周边一定区域，布设环境累积剂量计（TLD），并采集空气、水及土壤样品；事故现场场景II：监测人员对现场剂量率进行连续监测，确保放射性碎片全部已回收，监测人员利用表面污染监测仪，对去污后的表面进行表面污染监测；任务结束监测小组撤回，回收监测人员个人剂量计，执行任务结束后的污染检查。
2.4" 构建多维度实践考核评价体系
这种基于虚拟仿真系统的进阶式实践性教学考核方式与传统考核方式存在明显区别，传统的理论课考核评价以考试成绩为核心，而实践性教学应注重对学生综合应用知识能力的考核和过程性考核[9，10]。该系统第一和第二部分直接分为学习模式、演练模式和考核模式。在学习模式下，所有的训练课程内容按顺序被划分为不同的步骤，训练者可以通过点击每个步骤完成相应的课程学习，学习完成后，该步骤的单选框控件将自动打勾。当所有的步骤学习完后，课程结束。在演练模式下，提供用户自主操作功能，由用户主导完成相应的训练任务。在考核模式下，将根据课程考核内容，设置考核点，系统将根据用户操作进行评分，最终生成操作评分及考核结果。为加强实践教学和完善评价模式，系统基本可形成“仪器学习系统评、专业项目老师评、综合演训大家评”的多维度实践考核评价体系。
3" 结" 论
核与辐射应急监测虚拟仿真训练系统解决了传统核与辐射污染防治训练中复杂战场环境难构建、危险环境难训练等问题。以虚拟化手段构建了基于数学物理模型的核与辐射污染环境与监测场景，再现完整的核与辐射监测仪器及其操作步骤，融入沉浸式人机交互操作，达到与真实监测仪器与场景一致的学习训练体验。学习过程中同时集成核与辐射监测理论学习、实验操作、虚拟训练等环节，实现了“理、虚、实”有机结合，加深了学生对核与辐射应急监测理解，增强了学生监测技能与实战水平，对核与辐射污染防治教学训练具有重要意义。
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作者简介：段中山（1987.04—），男，汉族，湖南益阳人，讲师，博士，研究方向：核科学与技术。
