基于3 D網絡游戲引擎的應急演練系統*

陳建剛 ，徐守祥 ，黃國偉 ，何 濤

（1.深圳信息職業技術學院 計算機學院，廣東 深圳 518172；2.深圳信息職業技術學院 數字媒體學院，廣東 深圳 518172；3.深圳信息職業技術學院 軟件學院，廣東 深圳 518172）

真實應急演練存在成本高、風險大和不能循環利用等缺點，構建虛擬應急演練成為當前應急演練的一個趨勢[1]。虛擬應急演練是基于信息技術模擬真實演練的系統，目標是實現安全生產的崗位培訓和應急指揮的決策支持。目前，虛擬應急演練系統主要基于數據庫技術和地理信息技術的決策支持，隨著虛擬現實技術的逐漸成熟，以分布式虛擬環境[2-3]為基礎的應急演練系統逐步成為市場關注的熱點[4]。

由于網絡游戲具有協同性和實時性等特點，采用網絡游戲引擎實現應急演練系統成為可能。徐守祥[5]等以火災軟件模型和數字城市為基礎，針對消防演練和火災科學研究的虛擬現實應用，提出了基于3D網絡游戲引擎的消防虛擬現實體系結構。賀日興[6]等基于游戲引擎技術實現了地鐵3維虛擬演練系統。SMITH S P[7]認為第一人稱射擊類游戲FPS（First Personal Shooter）非常適合建立演練環境，率先提出使用計算機游戲開發建立虛擬環境快速原型的思想，并以此方法于2009年建立了火災撤離訓練演示系統[8]。這些系統大都關注角色的技能培訓方面，如消防員如何訓練滅火流程。為了滿足應急演練過程中應急指揮和部門間的協同配合需要，本文在3D網絡游戲引擎和災害仿真技術基礎上，根據應急預案處置流程搭建出應急演練系統。

細胞自動機被廣泛用于火災蔓延過程[9]，黃光球[10]等提出了基于細胞自動機模型的地下礦火災發生時火災在巷道網絡系統中蔓延的可視化仿真方法，孟曉靜[11]等構建了基于細胞自動機的城市地震次生火災蔓延概率模型。這些研究都是根據災害場景特點進行建模，沒有結合災害模型進行討論。本文將細胞自動機和災害模型相結合實現火災蔓延過程。

1 系統框架及功能模塊

本應急演練系統基于Torque 3D游戲引擎設計。系統功能可分成8個子系統，其總體結構框圖如圖1所示。其中，角色子系統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導、工作人員領隊、演練編導和演練指揮領導等；而AI類角色則包括各參演單位的工作人員。粒子特效子系統管理場景所涉及粒子系統包括煙霧、毒氣、火和噴射水等。在這些子系統基礎上實現應急演練的邏輯功能。

圖1 系統總體的結構框圖

圖2給出了虛擬應急演練系統功能模塊的劃分，下面簡單介紹各模塊功能。

圖2 虛擬應急演練功能模塊流程

（1）場景編輯模塊

該模塊的功能是布置演練場景，包括設置演練天氣及其變化情況、災害模型、參演單位及人數、設備配置和受災場地布局等。其中，天氣變化情況設置風力和風向變化情況，災害模型通過傳入的外界作用參數根據模型進行演化。

（2）災害產生及蔓延模塊

該模塊主要根據災害數學模型，采用細胞自動機機制模擬出災害產生及蔓延過程，參見本文第2節。

（3）事件接報模塊

本模塊功能為應急辦工作人員接報警及上報事件，該模塊角色應能根據事態發展生成事態報告，實時匯報給決策者。

（4）事件分析研判模塊

專家領導根據匯報的事態，結合現場視頻，對事態走勢進行分析，包括天氣情況、救援隊伍及救援情況、災害影響分析和場地分析等，最終得出研判報告。

（5）決策標繪模塊

應急指揮領導根據研判報告進行決策，各參演單位根據決策結果在場景中進行標繪。

（6）演練執行模塊

決策標繪完成后進入演練執行模塊，該模塊提供參演單位角色之間的對話通信功能，各參演單位根據標繪結果展開救援。涉及的技術點包括施救方案（如消防員如何滅火，如何營救被困人員，醫護人員如何現場救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等。

（7）數據采集模塊

系統實時采集場景數據，跟蹤災害事態變化。采集的信息包括現場被困人員情況、災害覆蓋范圍、現場救援情況和環境數據等，以供專家、領導進一步研判和決策。該模塊也為演練總結、處置預案生成等提供手段。

（8）事件注入模塊

事件注入包括人為注入事件和捕捉的環境數據注入，人為注入事件是指編導角色在演練過程中改變場景的某些設置（如演練前為晴天，在演練進行中改為雨天，風力改變等）以及指派某一突發事件等。而捕捉的環境數據注入是指通過傳感設備采集到的外界數據，經過系統預處理，轉換成場景內部環境數據，如外界溫度、濕度、風力、風向等。

（9）演練總結模塊

演練結束后進行總結，總結的內容包括根據應急預案的處置流程對參演單位進行評估考核，檢驗參演單位對突發事件的應急處理能力和協同配合能力。

2 關鍵技術

2.1 災害傷害模型

本系統目前實現了池火災傷害模型和毒物擴散傷害模型，現以池火災傷害模型[12]為例進行簡單介紹。

池火災傷害模型如圖3所示。易燃液體儲罐進行裝卸、存儲過程中，有可能發生易燃液體泄漏并引發火災事故。池火災傷害模型以這類事故為研究對象，可應用于確定池火熱輻射對人員財物的傷害程度等方面。在池火模型中，池火以圓柱形火焰的形式進行描述、建模，并假設池火熱輻射均勻向外擴散；而池火對周圍人員、環境的影響可由池火表面熱通量q0與目標接受熱通量 q（r）共同描述。

池火表面熱通量q0刻畫了池火火焰表面散發的熱量，池火表面熱通量越大，則其影響的范圍將越廣。池火表面熱通量的計算公式為：

圖3 池火災傷害模型

其中，L為池火火焰高度，D為池火直徑，mf為易燃液體的燃燒速率，ΔHc為易燃液體的燃燒熱，f為熱輻射系數。

目標接收的熱通量q（r）刻畫了池火所產生的熱輻射對周圍物體的影響，目標距離池火越近，其接收的熱通量將越多，受到的傷害也將越大。目標接收熱通量的計算公式為：

其中，r為目標到池火中心的水平距離，V為目標的視角系數。

在本演練系統中，通過將式（2）與演練設置的相關參數（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行表現，并以此作為后續災害蔓延和撲救依據。

（1）在池火的表面熱通量與場景池火的火焰粒子系統之間建立數學映射關系，通過對火焰粒子系統的參數進行調整，模擬火勢的大小與火勢的動態變化。

（2）根據目標接收的熱通量，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行標識。系統根據火勢發展，對池火的上述影響范圍進行動態更新，幫助參與演練者及時掌握火勢的發展情況。

2.2 基于細胞自動機模擬災害蔓延及傷害模型

對于災害蔓延過程，將場景中事故涉及點分為多個相互連通的網格，每個網格根據其燃燒特性（如物品的易燃情況）排放細胞出生點，結合環境因素確定細胞自動機的動力演化方程，將這些方程轉換到3D引擎中粒子系統的參數中，生成相應的粒子系統蔓延過程。

細胞自動機一般由細胞空間、細胞的狀態空間、細胞鄰居及局部演化規則4部分組成[11]，可用一個四元組（Ld，S，V，f）表示。 其中，Ld為細胞空間，d 為細胞空間的維數；S為細胞的有限狀態集；V表示一個所有鄰域內細胞的組合；f表示細胞自動機的動力演化方程，該演化方程是根據細胞當前狀態及其鄰居狀態確定下一時刻該細胞狀態的演化規則。

對于池火災模型而言，考慮到易燃液體的存儲布局，災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模型的細胞空間拓撲結構采用平面方形網格，每個網格代表一個CA模型的細胞，每個細胞定義為Cij，整個細胞空間定義為：

通常二維細胞自動機考慮兩種鄰域：一種是Von Neumann鄰域，由一個中心細胞和4個位于其東西南北方位的細胞組成；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個細胞。對于位置為（m，n）處的細胞，V的取值組合如表1所示。

（1）災害蔓延過程

對于災害蔓延過程的細胞自動機而言，S只有{0，1}兩種狀態，其中0表示沒有起火，1表示起火。起火后，火勢大小只與該細胞自身因素和環境因素有關，而與周邊的火勢無關。

表1 （m，n）位置處不同鄰域的取值組合

根據式（2），災害蔓延的動力演化方程可表示為：

其中，wi，j表示周邊細胞的權重系數，該權重系數由風力、風向和天氣等環境因素決定。當采用不同鄰域模型時，i、j取值也不同，如表1所示。根據儲罐排列方式決定采用哪種鄰域。

當q（r）超過細胞的傷害閾值時，該細胞的狀態S由0變為1，表示該細胞起火。

（2）傷害模型

對于傷害模型的細胞自動機，S表示細胞產生的傷害程度，將細胞產生的傷害程度劃分為 {致命傷害，重傷，輕傷，安全}4種狀態，用目標接收的熱通量值表示這4種范圍。

根據式（2），傷害模型的動力演化方程可表示為：

當q（r）超過人員對應的傷害閾值時，該人員就進入相應的傷害狀態。由式（5）可以看出，傷害狀態只會嚴重，而不會減弱。

2.3 基于勢函數的滅火流程

對AI角色而言，若要達到最佳滅火效果，需要靠近火源，由上述傷害模型可知，火勢對AI角色的傷害會增大。需尋找合適距離以保證既能產生滅火功效，又能規避傷害。這種情況與勢函數模型相吻合，勢函數表示為：

對于滅火場景，相應的勢函數可表示為

其中，參數A、B可分別根據滅火設備噴射的粒子系統的屬性和火粒子系統的屬性預定設定。采用勢函數方法實現AI消防人員自動滅火過程，將火勢對人的傷害作為斥力分量，將滅火器滅火功效作為引力分量，通過控制AI角色在規避傷害前提下，根據火勢大小不斷調整AI角色與火源距離，實現AI角色的自動滅火過程。

3 結果展示

根據上述功能，本文實現了基于3D網絡游戲引擎的應急演練系統，系統模擬的部分結果如圖4所示。其中圖 4（a）、圖 4（b）為災害產生及蔓延模塊。采用細胞自動機模擬災害蔓延及傷害過程，對于災害蔓延過程，i、j取值采用Von Neumann鄰域，設定儲罐起火閾值，當接收相鄰儲罐的熱通量達到閾值時，該儲罐起火。同樣，設定在場人員的輕傷、重傷和致命傷害的傷害閾值，當接收儲罐的熱通量達到對應閾值時，人員就進入相應的傷害狀態。圖4（c）為演練執行模塊，實現了基于勢函數的滅火流程。

圖4 應急演練系統的模擬結果

與其他虛擬應急演練系統相比，本系統由于實現了場景編輯和突發事件功能，因而適用范圍更廣，更能體現應急演練的效果。同時，本系統以應急預案和災害模型為依據，更具有科學性。下一步將考慮與GIS相結合，實現對真實災害場景的模擬與標繪，使系統能夠進一步實用化。

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