摘  要： 以應(yīng)急預(yù)案為藍(lán)本，以災(zāi)害模型為理論依據(jù)，以3D場景為平臺建立了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的應(yīng)急演練系統(tǒng)。采用基于細(xì)胞自動機(jī)的災(zāi)害擴(kuò)散模型和基于勢函數(shù)的滅火流程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害場景編輯、突發(fā)事件注入、事件接報(bào)、事件分析研判、決策標(biāo)繪、演練執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集及演練總結(jié)等一系列應(yīng)急演練流程。
關(guān)鍵詞： 3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎；應(yīng)急演練；細(xì)胞自動機(jī)；勢函數(shù)；災(zāi)害模型

    真實(shí)應(yīng)急演練存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大和不能循環(huán)利用等缺點(diǎn)，構(gòu)建虛擬應(yīng)急演練成為當(dāng)前應(yīng)急演練的一個趨勢[1]。虛擬應(yīng)急演練是基于信息技術(shù)模擬真實(shí)演練的系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的崗位培訓(xùn)和應(yīng)急指揮的決策支持。目前，虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)主要基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)和地理信息技術(shù)的決策支持，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸成熟，以分布式虛擬環(huán)境[2-3]為基礎(chǔ)的應(yīng)急演練系統(tǒng)逐步成為市場關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。
　由于網(wǎng)絡(luò)游戲具有協(xié)同性和實(shí)時性等特點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)游戲引擎實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練系統(tǒng)成為可能。徐守祥[5]等以火災(zāi)軟件模型和數(shù)字城市為基礎(chǔ)，針對消防演練和火災(zāi)科學(xué)研究的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，提出了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的消防虛擬現(xiàn)實(shí)體系結(jié)構(gòu)。賀日興[6]等基于游戲引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地鐵3維虛擬演練系統(tǒng)。SMITH S P[7]認(rèn)為第一人稱射擊類游戲FPS（First Personal Shooter）非常適合建立演練環(huán)境，率先提出使用計(jì)算機(jī)游戲開發(fā)建立虛擬環(huán)境快速原型的思想，并以此方法于2009年建立了火災(zāi)撤離訓(xùn)練演示系統(tǒng)[8]。這些系統(tǒng)大都關(guān)注角色的技能培訓(xùn)方面，如消防員如何訓(xùn)練滅火流程。為了滿足應(yīng)急演練過程中應(yīng)急指揮和部門間的協(xié)同配合需要，本文在3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎和災(zāi)害仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案處置流程搭建出應(yīng)急演練系統(tǒng)。
　細(xì)胞自動機(jī)被廣泛用于火災(zāi)蔓延過程[9]，黃光球[10]等提出了基于細(xì)胞自動機(jī)模型的地下礦火災(zāi)發(fā)生時火災(zāi)在巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中蔓延的可視化仿真方法，孟曉靜[11]等構(gòu)建了基于細(xì)胞自動機(jī)的城市地震次生火災(zāi)蔓延概率模型。這些研究都是根據(jù)災(zāi)害場景特點(diǎn)進(jìn)行建模，沒有結(jié)合災(zāi)害模型進(jìn)行討論。本文將細(xì)胞自動機(jī)和災(zāi)害模型相結(jié)合實(shí)現(xiàn)火災(zāi)蔓延過程。
1 系統(tǒng)框架及功能模塊
　本應(yīng)急演練系統(tǒng)基于Torque 3D游戲引擎設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能可分成8個子系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，角色子系統(tǒng)包含演練所涉及角色，包括客戶端控制類和AI類，客戶端控制類包括各參演單位的領(lǐng)導(dǎo)、工作人員領(lǐng)隊(duì)、演練編導(dǎo)和演練指揮領(lǐng)導(dǎo)等；而AI類角色則包括各參演單位的工作人員。粒子特效子系統(tǒng)管理場景所涉及粒子系統(tǒng)包括煙霧、毒氣、火和噴射水等。在這些子系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練的邏輯功能。

　（1）場景編輯模塊
　該模塊的功能是布置演練場景，包括設(shè)置演練天氣及其變化情況、災(zāi)害模型、參演單位及人數(shù)、設(shè)備配置和受災(zāi)場地布局等。其中，天氣變化情況設(shè)置風(fēng)力和風(fēng)向變化情況，災(zāi)害模型通過傳入的外界作用參數(shù)根據(jù)模型進(jìn)行演化。
?。?）災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延模塊
該模塊主要根據(jù)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型，采用細(xì)胞自動機(jī)機(jī)制模擬出災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延過程，參見本文第2節(jié)。
?。?）事件接報(bào)模塊
　本模塊功能為應(yīng)急辦工作人員接報(bào)警及上報(bào)事件，該模塊角色應(yīng)能根據(jù)事態(tài)發(fā)展生成事態(tài)報(bào)告，實(shí)時匯報(bào)給決策者。
?。?）事件分析研判模塊
專家領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)匯報(bào)的事態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場視頻，對事態(tài)走勢進(jìn)行分析，包括天氣情況、救援隊(duì)伍及救援情況、災(zāi)害影響分析和場地分析等，最終得出研判報(bào)告。
?。?）決策標(biāo)繪模塊
應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)研判報(bào)告進(jìn)行決策，各參演單位根據(jù)決策結(jié)果在場景中進(jìn)行標(biāo)繪。
?。?）演練執(zhí)行模塊
決策標(biāo)繪完成后進(jìn)入演練執(zhí)行模塊，該模塊提供參演單位角色之間的對話通信功能，各參演單位根據(jù)標(biāo)繪結(jié)果展開救援。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括施救方案（如消防員如何滅火，如何營救被困人員，醫(yī)護(hù)人員如何現(xiàn)場救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等。
　（7）數(shù)據(jù)采集模塊
　系統(tǒng)實(shí)時采集場景數(shù)據(jù)，跟蹤災(zāi)害事態(tài)變化。采集的信息包括現(xiàn)場被困人員情況、災(zāi)害覆蓋范圍、現(xiàn)場救援情況和環(huán)境數(shù)據(jù)等，以供專家、領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)一步研判和決策。該模塊也為演練總結(jié)、處置預(yù)案生成等提供手段。
?。?）事件注入模塊
　事件注入包括人為注入事件和捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入，人為注入事件是指編導(dǎo)角色在演練過程中改變場景的某些設(shè)置（如演練前為晴天，在演練進(jìn)行中改為雨天，風(fēng)力改變等）以及指派某一突發(fā)事件等。而捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入是指通過傳感設(shè)備采集到的外界數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成場景內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，如外界溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等。
?。?）演練總結(jié)模塊
　演練結(jié)束后進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)的內(nèi)容包括根據(jù)應(yīng)急預(yù)案的處置流程對參演單位進(jìn)行評估考核，檢驗(yàn)參演單位對突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力和協(xié)同配合能力。

　目標(biāo)接收的熱通量q（r）刻畫了池火所產(chǎn)生的熱輻射對周圍物體的影響，目標(biāo)距離池火越近，其接收的熱通量將越多，受到的傷害也將越大。目標(biāo)接收熱通量的計(jì)算公式為：
　q（r）=q0V（1-0.058lnr）（2）
　其中，r為目標(biāo)到池火中心的水平距離，V為目標(biāo)的視角系數(shù)。
　在本演練系統(tǒng)中，通過將式（2）與演練設(shè)置的相關(guān)參數(shù)（如儲罐存儲液體類型、儲罐儲量、儲罐泄漏量、人員距離池火的水平距離）相結(jié)合，確定儲罐池火的熱輻射對位于不同距離之外事物的影響程度，并以直觀的形式在演練場景中進(jìn)行表現(xiàn)，并以此作為后續(xù)災(zāi)害蔓延和撲救依據(jù)。
?。?）在池火的表面熱通量與場景池火的火焰粒子系統(tǒng)之間建立數(shù)學(xué)映射關(guān)系，通過對火焰粒子系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬火勢的大小與火勢的動態(tài)變化。
?。?）根據(jù)目標(biāo)接收的熱通量，將池火的影響范圍劃分為死亡、重傷、輕傷和安全4個范圍，并在演練場景中通過不同顏色的圓圈進(jìn)行標(biāo)識。系統(tǒng)根據(jù)火勢發(fā)展，對池火的上述影響范圍進(jìn)行動態(tài)更新，幫助參與演練者及時掌握火勢的發(fā)展情況。
2.2 基于細(xì)胞自動機(jī)模擬災(zāi)害蔓延及傷害模型
　對于災(zāi)害蔓延過程，將場景中事故涉及點(diǎn)分為多個相互連通的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格根據(jù)其燃燒特性（如物品的易燃情況）排放細(xì)胞出生點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境因素確定細(xì)胞自動機(jī)的動力演化方程，將這些方程轉(zhuǎn)換到3D引擎中粒子系統(tǒng)的參數(shù)中，生成相應(yīng)的粒子系統(tǒng)蔓延過程。
　細(xì)胞自動機(jī)一般由細(xì)胞空間、細(xì)胞的狀態(tài)空間、細(xì)胞鄰居及局部演化規(guī)則4部分組成[11]，可用一個四元組（Ld，S，V，f）表示。其中，Ld為細(xì)胞空間，d為細(xì)胞空間的維數(shù)；S為細(xì)胞的有限狀態(tài)集；V表示一個所有鄰域內(nèi)細(xì)胞的組合；f表示細(xì)胞自動機(jī)的動力演化方程，該演化方程是根據(jù)細(xì)胞當(dāng)前狀態(tài)及其鄰居狀態(tài)確定下一時刻該細(xì)胞狀態(tài)的演化規(guī)則。
　對于池火災(zāi)模型而言，考慮到易燃液體的存儲布局，災(zāi)害蔓延可在二維平面模擬，因而只需考慮二維CA模型，即d=2。二維CA模型的細(xì)胞空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用平面方形網(wǎng)格，每個網(wǎng)格代表一個CA模型的細(xì)胞，每個細(xì)胞定義為Cij，整個細(xì)胞空間定義為：
　L2={Cij|i，j∈{0，1，2，…，N}}（3）
　通常二維細(xì)胞自動機(jī)考慮兩種鄰域：一種是Von Neumann鄰域，由一個中心細(xì)胞和4個位于其東西南北方位的細(xì)胞組成；另一種是Moore鄰域，它還包括次鄰近的位于東北、西北、東南和西南方位的4個細(xì)胞。對于位置為（m，n）處的細(xì)胞，V的取值組合如表1所示。

　（1）災(zāi)害蔓延過程
　對于災(zāi)害蔓延過程的細(xì)胞自動機(jī)而言，S只有{0，1}兩種狀態(tài)，其中0表示沒有起火，1表示起火。起火后，火勢大小只與該細(xì)胞自身因素和環(huán)境因素有關(guān)，而與周邊的火勢無關(guān)。
　根據(jù)式（2），災(zāi)害蔓延的動力演化方程可表示為：

3 結(jié)果展示
　根據(jù)上述功能，本文實(shí)現(xiàn)了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的應(yīng)急演練系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬的部分結(jié)果如圖4所示。其中圖4（a）、圖4（b）為災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延模塊。采用細(xì)胞自動機(jī)模擬災(zāi)害蔓延及傷害過程，對于災(zāi)害蔓延過程，i、j取值采用Von Neumann鄰域，設(shè)定儲罐起火閾值，當(dāng)接收相鄰儲罐的熱通量達(dá)到閾值時，該儲罐起火。同樣，設(shè)定在場人員的輕傷、重傷和致命傷害的傷害閾值，當(dāng)接收儲罐的熱通量達(dá)到對應(yīng)閾值時，人員就進(jìn)入相應(yīng)的傷害狀態(tài)。圖4（c）為演練執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)了基于勢函數(shù)的滅火流程。

　與其他虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了場景編輯和突發(fā)事件功能，因而適用范圍更廣，更能體現(xiàn)應(yīng)急演練的效果。同時，本系統(tǒng)以應(yīng)急預(yù)案和災(zāi)害模型為依據(jù)，更具有科學(xué)性。下一步將考慮與GIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)災(zāi)害場景的模擬與標(biāo)繪，使系統(tǒng)能夠進(jìn)一步實(shí)用化。
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