基于HLA和VR的煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故應(yīng)急管理培訓(xùn)研究

　　摘要：煤化工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生大的事故后，現(xiàn)場(chǎng)破壞嚴(yán)重，甚至不復(fù)存在，這為分析事故發(fā)生原因，了解事故過(guò)程狀況帶來(lái)困難。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建基于HLA的事故仿真模型，模擬仿真事故發(fā)生過(guò)程，重現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)，提供了一種信息獲取和表達(dá)的方法，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的能力，為人員培訓(xùn)提供了一種新的方法。
　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；HLA；突發(fā)事故；應(yīng)急管理
　　
　　虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的人機(jī)交互技術(shù)，它運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)三維空間，用戶置身于該環(huán)境中，借助多維輸入輸出設(shè)備和高速圖形計(jì)算機(jī)能夠產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建基于HLA煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真模型，對(duì)于分析事故原因，認(rèn)定責(zé)任，降低事故帶來(lái)的損失，人員培訓(xùn)具有重要的意義。
　　一、HLA分布式仿真
　　高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）是針對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)采用集成方式建立仿真系統(tǒng)的一種體系結(jié)構(gòu)，因其良好的可擴(kuò)充性和重用性，被國(guó)內(nèi)外廣泛接受并采納為IEEE1516的國(guó)際仿真標(biāo)準(zhǔn)。
　　在HLA中，實(shí)現(xiàn)某種特定仿真目的的仿真系統(tǒng)稱為聯(lián)邦（Federation），它由三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分組成：一是HLA框架和規(guī)則，它定義了在聯(lián)邦設(shè)計(jì)階段必須遵循的基本準(zhǔn)則，保證仿真運(yùn)行時(shí)聯(lián)邦成員間的互操作性，并描述了仿真和聯(lián)邦成員的責(zé)任以及它們同RTI之間的關(guān)系；二是運(yùn)行支撐結(jié)構(gòu)RTI，它為多種類型仿真的交互提供通用服務(wù)，是仿真運(yùn)行的接口規(guī)范；三是對(duì)象模型模板OMT，是對(duì)仿真中的HLA對(duì)象屬性及HLA對(duì)象間信息交換的格式和內(nèi)容進(jìn)行描述、定義的規(guī)范，是聯(lián)邦成員間互操作的“交互協(xié)議”。
　　HLA的關(guān)鍵組成部分是接口規(guī)范，它定義了六大類的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，即聯(lián)邦管理服務(wù)、聲明管理服務(wù)、對(duì)象管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、所有權(quán)管理服務(wù)和數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)，這反映了為有效解決聯(lián)邦成員間的互操作所必須實(shí)現(xiàn)的功能。
　　二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成及作用
　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅能讓用戶真實(shí)的看到一個(gè)環(huán)境，而且能讓用戶真正感到這個(gè)環(huán)境的存在，并能和這個(gè)環(huán)境進(jìn)行自然交互。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要分為四個(gè)系統(tǒng)模塊：虛擬環(huán)境、計(jì)算機(jī)環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互作用方式。虛擬環(huán)境包括諸如建模、動(dòng)態(tài)特征引入、物理約束、光照和碰撞監(jiān)測(cè)等；計(jì)算機(jī)環(huán)境包括圖像處理器、I/0通道、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括頭部跟蹤、圖像顯示、聲音、觸覺(jué)和手部跟蹤的硬件；交互作用方式包括手勢(shì)、三維界面和多方式參與系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是要設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件和交互手段，使參與者能交互的觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)作用：一是真實(shí)再現(xiàn)了事故現(xiàn)場(chǎng)，給人帶來(lái)視覺(jué)、聽覺(jué)等感覺(jué)器官的真實(shí)感受，加深了對(duì)事故產(chǎn)生和發(fā)展的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步明確了事故的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)于增強(qiáng)人的安全意識(shí)起到了巨大的促進(jìn)作用；二是可以不用對(duì)人員進(jìn)行實(shí)地演練，節(jié)省了大量的人力、財(cái)力、物力；三是用戶可以通過(guò)人機(jī)界面、虛擬現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)控制程序來(lái)改變虛擬環(huán)境中實(shí)體的運(yùn)動(dòng)，提高各級(jí)管理和操作人員的應(yīng)急操作技能和突發(fā)事件下的應(yīng)急反應(yīng)處置能力。
　　三、基于HLA的煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真設(shè)計(jì)
　　（一）煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真過(guò)程模型
　　煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真過(guò)程要借助虛擬現(xiàn)實(shí)和HLA技術(shù)，利用事故發(fā)生之前的相關(guān)計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）數(shù)據(jù)，模擬事故場(chǎng)景，設(shè)計(jì)相應(yīng)的事件驅(qū)動(dòng)程序，從而將事故的過(guò)程在計(jì)算機(jī)中真實(shí)再現(xiàn)。其過(guò)程模型如圖1所示。
　　首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用3DMAX、Virtools等三維建模和轉(zhuǎn)換工具，為所有對(duì)象建立虛擬模型。其次結(jié)合三維圖像模型庫(kù)、DCS數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)造真實(shí)的事故場(chǎng)景；根據(jù)虛擬事故場(chǎng)景、場(chǎng)景中各種對(duì)象的交互關(guān)系設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，使對(duì)象按照煤化工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在虛擬場(chǎng)景中合理的運(yùn)動(dòng)；完成虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造和顯示，進(jìn)行基于HLA的煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故分布式交互仿真設(shè)計(jì)。最后模擬發(fā)生事故時(shí)的條件，對(duì)事故過(guò)程進(jìn)行仿真重現(xiàn)，從事故發(fā)生發(fā)展的過(guò)程中獲取事故信息，分析事故，對(duì)人員進(jìn)行培訓(xùn)。
　　（二）煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在進(jìn)行事故仿真體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要抓住主體，適當(dāng)對(duì)輔助設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，更好地分析事故危險(xiǎn)點(diǎn)及其影響因素之間的復(fù)雜信息關(guān)系。
　　將煤化工現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)系統(tǒng)分別看作聯(lián)邦的聯(lián)邦成員，各系統(tǒng)的設(shè)備和組件都可視為聯(lián)邦成員中的一個(gè)對(duì)象，因此，每一子系統(tǒng)的聯(lián)邦成員都包括多個(gè)對(duì)象，聯(lián)邦成員通過(guò)聯(lián)邦的底層支撐平臺(tái)RTI實(shí)現(xiàn)交互通信。
　　在煤化工現(xiàn)場(chǎng)事故仿真體系結(jié)構(gòu)中，總控聯(lián)邦成員是虛擬的一個(gè)特殊聯(lián)邦成員，在實(shí)際中沒(méi)有該設(shè)備，它是整個(gè)仿真系統(tǒng)的控制中樞，提供用戶選擇加入系統(tǒng)的聯(lián)邦成員的人機(jī)交互接口，確定仿真的對(duì)象及仿真初始條件，負(fù)責(zé)聯(lián)邦時(shí)間的推進(jìn)。數(shù)據(jù)收集工具（Data Collection Tool，DCT）負(fù)責(zé)收集、分析聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并提交運(yùn)行報(bào)告。聯(lián)邦管理工具（Federation Management Tool，F(xiàn)MT）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、記錄聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中聯(lián)邦及聯(lián)邦成員的運(yùn)行狀態(tài)及主要參數(shù)。聯(lián)邦校驗(yàn)工具（Federation Verification Tool，F(xiàn)VT）對(duì)聯(lián)邦的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以比較真實(shí)運(yùn)行與運(yùn)行計(jì)劃的差異。事故仿真模擬煤化工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的突發(fā)事故，其模擬效果應(yīng)和實(shí)際事故相仿，總控聯(lián)邦成員通過(guò)對(duì)設(shè)定的參數(shù)的調(diào)整，以對(duì)不同嚴(yán)重程度的事故進(jìn)行模擬仿真。仿真過(guò)程中記錄的從輕微故障到嚴(yán)重事故的狀態(tài)變化，可用于事故分析以及人員不同等級(jí)事故的培訓(xùn)。
　　四、煤化工現(xiàn)場(chǎng)事故仿真
　　結(jié)合煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)的情況，根據(jù)設(shè)計(jì)的事故仿真結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)和HLA技術(shù)，構(gòu)建基于HLA的煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故仿真模型，事故仿真的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
　　根據(jù)聯(lián)邦目標(biāo)和系統(tǒng)的需求，在聯(lián)邦概念模型中設(shè)計(jì)了總控聯(lián)邦成員、事故后果聯(lián)邦成員、事故致因聯(lián)邦成員、虛擬監(jiān)控器四大類聯(lián)邦成員。總控聯(lián)邦成員為用戶提供事故損失和事故致因的人機(jī)接口，確定仿真對(duì)象及仿真初始條件，負(fù)責(zé)聯(lián)邦時(shí)間的推進(jìn)；虛擬監(jiān)控器聯(lián)邦成員實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)仿真完成情況，并協(xié)調(diào)聯(lián)邦成員的數(shù)據(jù)分配。在聯(lián)邦設(shè)計(jì)中，還要定義每一個(gè)聯(lián)邦成員的作用和責(zé)任、聯(lián)邦內(nèi)要交換的數(shù)據(jù)，安排每個(gè)聯(lián)邦成員的公布和訂購(gòu)關(guān)系及所有對(duì)象的屬性、所有交互的參數(shù)。最后構(gòu)建聯(lián)邦運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)行事故過(guò)程的分布式仿真，比較仿真結(jié)果和真實(shí)結(jié)果的差異，測(cè)試其運(yùn)行效果。通過(guò)對(duì)運(yùn)行結(jié)果的分析，準(zhǔn)確、客觀地查明事故發(fā)生的原因，并制定正確的事故處理措施。
　　五、結(jié)論
　　本文介紹了HLA分布式仿真技術(shù)，并借助虛擬現(xiàn)實(shí)和HLA技術(shù)構(gòu)建煤化工現(xiàn)場(chǎng)事故仿真過(guò)程模型，對(duì)煤化工現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)事故仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上建立事故仿真體系結(jié)構(gòu)，以幫助人們更科學(xué)有效地降低事故的損失，提高人們對(duì)煤化工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故的認(rèn)識(shí)。
　　參考文獻(xiàn)：
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