摘" 要：以虚拟现实技术为基础，模拟输水渠道与交叉河流建筑物的暴雨洪涝灾害，使抢险人员能够更加直观地感受灾害发生的过程，并设计防洪演练模块，创造基于虚拟现实的防洪演练系统，增强洪水来临时输水干渠应急抢险的处置能力。利用Unreal Engine创建生动逼真的虚拟环境，让体验者身临其境，体验者通过语言和手势等与平台实时互动，让体验者更便捷、更直接地融入虚拟空间。结果表明：基于VR的南水北调中线防洪演练系统沉浸感强、视觉效果显著、培训效果明显，在实际应用中有很大的价值，为灾害应急管理工作提供有力的支持。
关键词：虚拟现实；水利工程灾害模拟；防洪演练
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）04-0128-05
Training System for Flood Control Virtual Drill on Water Transmission Engineering Based on Virtual Reality
SHI Wenjun， TONG Xiaoyang， ZHENG Jiaqi
（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou" 450046， China）
Abstract： Based on Virtual Reality technology， the simulation of storm and flood disasters in water conveyance channels and intersecting river structures enables emergency response personnel to more intuitively experience the process of disaster occurrence. Furthermore， it designs the flood control drill modules， and creates a flood control drill system based on VR to enhance the emergency response capabilities of water conveyance main channels during floods. By utilizing Unreal Engine to create vivid and realistic virtual environments， participants can be fully immersed in the experience. Through real-time interaction with the platform using voice and gestures， participants can integrate into the virtual space more conveniently and directly. The results indicate that the flood control drill system based on VR for the South-to-North Water Diversion Middle Route demonstrates strong immersion， significant visual effects， and notable training outcomes. It holds substantial value in practical applications， providing robust support for disaster emergency management.
Keywords： Virtual Reality; hydraulic engineering disaster simulation; flood control drill
0" 引" 言
南水北调是一项重大水利工程，旨在解决中国北方地区严重的水资源短缺问题。这项工程规模宏大，涉及的区域广阔，对中国水资源调配与地区开发等方面都有着十分重要的作用。然而，近些年来，由于降雨引发的城市内涝、山地洪涝等灾害，给南水北调工程造成了严重威胁[1]。例如，2021年7月20日，河南段沿线多处遭受暴雨袭击，部分河段发生滑坡、外水入渠等险情，给人民群众生命财产和社会经济带来巨大损失。并且在极端暴雨洪水条件下，南水北调中线工程存在较高洪涝灾害风险[2]。因此，开展南水北调中线工程防汛应急演练模拟研究，对于保障南水北调工程的安全运行和防灾减灾工作，具有十分重要的现实意义。
目前针对洪涝灾害的应急演练培训方式较为单一，主要以桌面推演、沙盘推演、实地演练的方式[3]为主。桌面演练多为文字与口头记录，且与沙盘演练都无法达到逼真的现实环境，缺乏一定的真实度，并且内容较为单一，实地演练实现苦难，且难以控制成本。近年来，随着虚拟现实（VR）技术的快速发展，在城市内涝、防洪减灾等领域具有广阔的应用前景。目前，国内外学者已经将该方法用于各种领域内的安全培训，如Lee基于虚拟现实实现放射应急演练[4]，AZHAR基于虚拟现实的建筑安全培训[5]，基于虚拟现实的左排渡槽洪涝灾害应急演习训练系统[6]，以及基于VR的水灾害仿真演示系统[7]，还有基于虚拟现实实现的机场和地铁等公共场所的应急救援平台[8-9]。这些系统根据场景需求，使用三维建模软件对场景元素进行三维建模，再把模型融入虚拟现实引擎中，设计动画及交互模块，从而实现针对险情的应急演练。结果表明，基于虚拟现实引擎针对应急演练开发培训系统可以有效地模拟一些真实场景中的灾害，帮助用户了解灾害特征和做出正确处置。
本文以虚拟现实开发平台Unreal Engine为基础，利用3D MAX软件构建三维模型，并使用粒子系统来模拟天气。此外，通过构建交互系统实现人物的基本交互。同时利用基于二维浅水方程，对水的实时流动进行模拟，从而更加真实地展现南水北调中线工程干渠洪水险情的发生过程。
1" 南水北调输水工程防汛演练方案设计
1.1" 方案设计
根据防汛演练流程和系统需求，需对演练区域的三维地形、周边建筑物进行搜集，采用LOD层次细节优化方法对模型进行优化处理。利用三维建模软件3D MAX对渠道、建筑物等地物模型进行精细化建模，并将其导入虚拟场景中，并且使用虚幻引擎对模型在交互上的设计、仿真算法和特殊效果的编程开发。经过反复的模拟、测试和改进，最终形成了防洪演练模拟系统。方案设计步骤如图1所示。
1.2" 架构设计
根据业务需求与应急演练系统的总体特征，本系统分为四个层次：物理设备层、业务层、数据层和表示层，整体架构如图2所示。
物理设备层通过不同的硬件设备识别玩家的输入信号，转换成对应的用户输入事件；业务层用来处理用户请求、并将用户请求传递到表示层，负责系统的整体调度；数据层主要负责场景数据的处理，包括场景中的天气与时间、地物模型及贴图、语音和视频等流媒体数据；事件层是系统的核心部分，将用户的输入转换成对应的事件码，完成场景元素对用户的输入响应；最后通过表示层，展示演练整体场景，包括灾变场景、应急抢险物资和场景地物模型等内容。系统功能架构图如图3所示。
1.3" 流程设计
根据应急预案文件要求，险情处理步骤包括：发现险情、确定险情、报告险情、应急处置和演练结束。该系统通过构建指引标志，使用户在漫游场景中可以发现灾害险情，能够自主地识别险情，并在进一步确定险情后根据防控手册对险情进行上报以及根据预案做出处置措施：确认发现险情后，根据风险防控手册中该灾害的判定标准判定事故等级，将其报告给上级，并根据上级部门指示或根据防控手册进行处理。该系统利用前后关联的事件逻辑，引导用户积极地思考险情处理方式，做出标准化的紧急救援行动。抢险过程如图4所示。
具体内容如下：
1）发现险情阶段。暴雨期间，调度中心工作人员利用监控设备，检测到一条交叉河道水位持续上涨，接近警戒线。安排工程巡查人员到现场确认情况，并对容易出现危险的区域进行紧急处置。
2）确认险情和上报阶段。工程巡查人员到现场后发现交叉河流水流湍急，并且持续上升。通过电话上报的方式报告险情，并请求相关抢险人员到达现场进行险情抢护。
3）应急处置阶段。根据《防汛抢险技术手册》，对渠堤堤顶进行加高防护，采用沙袋土工膜构筑防洪子堤。
4）演练结束阶段。险情处理完毕后，由水质监测员检查渠道水的质量，确认渠道水质达标，险情解除。
2" 演练场景设计
2.1" 开发平台与工具
基于VR技术的南水北调防汛演练虚拟仿真系统使用虚幻引擎作为开发平台，进行三维防汛演练平台开发，使用HTC VIVE虚拟现实眼镜以及配套的移动式手柄，结合视觉、听觉信息，以第一视角参加防汛演练的全过程。
2.2" 洪涝三维场景构建
本系统创建河道流域防汛演练场景，利用3D MAX软件建模制作交叉建筑物、渠道和植物等场景进行建模。对模型的精简采用了Unreal Engine中的LOD（Levels of Detail）技术，通过构建具有不同细节特征的三维模型集合，多角度还原对场景的观测。实现多分辨率、多层次的复杂模型细节建模，对三维场景的渲染进行优化。
防洪演练系统以河南省辉县市某交叉河流区域作为参考，根据实地勘察的地形地貌，对演练区域的地物模型进行构建，使用Unreal Engine中的地形构建工具，构建三维地形。合理的地形材质是增强场景真实感的有效方法，以地形斜率自动赋予地形材质信息，并且在两种材质中通过插值节点进行融合，实现地形自适应材质。以AutoCAD图纸数据，使用3D MAX三维建模软件对河流交叉建筑物进行1：1精细建模，通过现场采集纹理贴图，进行平铺无缝处理。为了丰富场景内容，利用3D MAX软件构建三维植物模型的LOD集合，使用Unreal Engine中的PCG方法，对演练区域内的植物道路等场景元素进行构建。场景效果如图5所示。
2.3" 基于二维浅水方程的洪水模拟
目前针对流体的物理模拟方法根据其离散化技术分为有网格法和无网格法，其中无网格法中主要以光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics， SPH）的研究较为普遍。但基于粒子的方法针对大规模流体场景无法做到实时解算。浅水方程（Shallow Water Equation）可以针对大规模流体在有限的计算资源内进行一定真实度的仿真渲染[10]。因此，本文采用基于浅水方程的方法对洪水进行仿真模拟。
连续性方程（质量守恒）：
（1）
H表示水深；u和v分别表示水流在x和y方向上的速度分量。
动量方程（动量守恒）如下：
1）x方向动量方程：
（2）
2）y方向动量方程：
（3）
其中，g表示重力加速度，zb表示底部地形高度， 和分别表示底部摩擦力在x和y方向的分量。解算框架如图6所示。
初始化（第一帧）对模拟范围内的可交互物体的深度进行解算，并且叠加到水面的高度图中，通过模拟方程的迭代计算，得到下一帧的水面高度。将上一帧的水面高度作为解算初始值，进行解算。通过解算出的流体表面高度，将其渲染到场景空间中。
2.4" 抢险物资构建
为了让使用者更直观地感受到防洪演习的全过程，本项目采用物理模拟的方式构造防洪物资，以提升应急演练过程中的真实性。针对抢险物资沙袋进行分析，沙袋具有复杂的形变的特性，适合采用软体模拟技术，常见的模拟方法有基于位置动力学的方法。位置动力学方法使用体素化将沙袋根据形状转化为粒子群，并为粒子之间添加约束，以来限制粒子的运动，从而达到比较好的仿真效果。
防洪演练的涉及的范围广，使用的沙袋数目大，因此使用该方法在沙袋数目达到一定程度时，会造成非常大的计算开销。因此，根据抢险流程需要，对沙袋的物理特性进行分析，一些复杂的物理特征对该过程没有很好的增强显示。采取布料模拟和骨骼结构约束的方法对沙袋进行仿真。使用Unreal的Chaos布料仿真工具，实现对土工膜的物理仿真。采用布料模拟算法结合骨骼网格体结构，实现了对沙袋变形及与其他对象相互作用的模拟。通过分析沙袋的变形特征以及在防洪抢险过程中的特征表现，在防洪沙袋模型中加入骨架和变换约束，可以更好地模拟沙包堆积过程中的变形，并且计算简便，如图7所示。
3" 虚拟防汛平台交互仿真
虚拟防汛演练平台以Unreal Engine进行基础架构，构建演练区域的三维地物模型，以及人物的交互设计形成最终的程序，根据防汛演练的需要，对角色视角、选择决策进行交互设计。
3.1" 角色视角交互设计
在演练的开始阶段，利用用户的UI界面介绍防洪期间需要注意的关键事项，以及向用户展示防汛抢险物资的正确使用方法和操作规范，以应对各种突发事件的发生，为防洪演练做知识准备。从而更加有效地融入演练场景中。
3.2" 漫游交互设计
根据剧情需求，推动事件的发展，使用音频动画、箭头指示、文本指引等方法引导用户的下一阶段的行为，如图8所示。系统根据不同态势、不同情境下的语音提示，可以有效地指引用户找到应急演练区域，同时对险情关键因素进行高亮显示，帮助用户识别场景中的险情元素，从而对险情做出正确的处置措施。
3.3" 选择决策交互
根据演练流程，需要对事发区域的险情状况进行研判，对结果进行上报。对结果进行上报时，使用系统界面对险情状况进行选择。采用题目自动匹配的方法，根据设置的题干和选项，自动适配到与用户的交互界面中，并根据用户选项，将应急抢险物资的预览图呈现给用户，显示在用户的视野内。根据险情特征选取抢险物资，并且根据预览图使用该物资对抢险区域进行应急处理，防止洪水漫溢污。抢险人员构建渠堤加高防护过程中，场景内水位超过警示水位，通过UI对洪水易发生漫溢险情进行提醒，抢险人员通过使用沙袋、土工膜等防汛物资进行渠堤加高防护。用户通过自主装配防汛物资填筑防洪子堤，实现对干渠的加高防护。从而实现对渠堤的加固过程，演练完成，如图9所示。
4" 结" 论
本文利用UE虚拟现实引擎开发了南水北调中线工程虚拟防洪演练系统，等比例还原真实地理环境；通过二维浅水方程模拟真实洪涝过程；使用粒子系统构建降雨效果，并结合光照系统增强场景真实感；实现三种方式上的仿真。输水工程抢险人员可以对极端暴雨下的水流运动情况以及水流对输水边坡的冲刷及破坏进行观测，使抢险人员更好了解洪涝期间输水工程险情发生的过程，给予抢险人员极高的自由度。实验表明，该系统通过对洪水演进过程的观测和模拟，实现了更真实、更经济的防汛演练，沉浸感强、视觉效果明显、培训效果明显，在实际应用中有很大的价值。
参考文献：
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[10] CHENTANEZ N，MÜLLER M. Real-time Simulation of Large Bodies of Water with Small Scale Details [C]//2010 ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation.Goslar：ACM，2010：197-206.
作者简介：施文军（2000—），男，汉族，河南周口人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实；仝晓阳（1999—），男，汉族，河南洛阳人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实；郑佳琪（2000—），女，汉族，河南开封人，硕士研究生在读，研究方向：虚拟现实。
收稿日期：2024-08-06
