基于Unity3D的機械清罐應急處置系統的設計與實現

孫寧， 劉賢梅， 田楓， 趙婭， 劉卓炫

(東北石油大學 計算機與信息技術學院,大慶 163318)

0 引言

清罐作業是一個包含臨時用電、動土作業、高空作業、有限空間等多種特殊作業的綜合性作業。在進行油罐清洗作業時如果組織不當，作業風險辨識不到位，選擇清洗油罐時機不佳，作業人員安全意識與自我保護意識不強，缺乏消防安全知識等，極易發生火災、爆炸、泄露、中毒窒息等事故，給輸油站安全生產帶來嚴重威脅[1]。因此在油田機械清罐作業中，操作人員的安全操作意識與安全操作規范需要進行相應的培訓與考核以便應對突發事故的出現。而在機械清罐作業中出現的諸如火災、爆炸、中毒等突發事故的應急培訓，僅僅通過模擬演習是遠遠無法滿足對于清罐崗作業面對突發事故處理時的要求的。所以采用仿真模擬的培訓與考核形式能夠很好的模擬真實的爆炸、著火等效果，在給培訓人員提供了身臨其境的培訓效果的同時，此系統還不受時間和空間的限制，大大降低了清罐作業突發應急事故培訓與考核的人力物力成本。

1 總體設計

1.1 清罐應急處置系統功能分析

機械清罐應急處置培訓系統的主要功能是對受培訓者進行突發的各類緊急情況，如著火、爆炸、泄漏、鍋爐缺水、中毒窒息等操作流程的應急處置培訓。清罐崗培訓者通過虛擬練習能夠快速掌握清罐應急處置技能，并以此實現降低培訓人力物力成本、提高清罐作業安全意識與技能的目的。

本系統在仿真培訓作業過程中主要包括了文字選擇題、工具的選擇與調用、設備的選擇與操作、仿真效果的演示播放、錯誤提示界面、成績展示界面等。除主要的仿真培訓功能外，本系統還包括了移動端及PC端登錄、仿真考核分數判定、成績錄入及上傳等功能的設計與實現。

1.2 整體設計

針對這樣一個中小型機械清罐作業應急處理仿真培訓和考核模塊數據處理系統來說，總體上使用了三層的邏輯架構模式，管理部分采用統一的系統管理框架，虛擬仿真部分采用三維交互式虛擬仿真環境開發框架。利用Unity3D支持 Android、IOS、VR設備等20多種跨平臺優勢進行多平臺的開發[2]。系統采用B/S+C/S混合架構，PC機版采用B/S架構，PC機用戶通過瀏覽器訪問系統，客戶端零維護[3]。移動版采用C/S架構，開發相關的APP，主要開發了包括移動版離線使用時用戶和成績等信息的下載和上傳網絡訪問操作。

首先根據現場各類應急突發狀況分類、設計、編寫相關腳本。同時利用場景設備資料進行3DMax建模及導入平臺，并根據各個應急模塊腳本制作相關音視頻動畫及交互設計，整合相關資源后最終集成到機械清罐應急處置系統之中，本系統開發集成結構，如圖1所示。

圖1 系統集成結構圖

1.3 功能實現

本系統使用 3Ds MAX作為格式轉換輔助工具，將模型格式轉化成通用的模型格式 FBX。利用Unity平臺的高度兼容性將FBX格式模型導入場景中并完成場景搭建，場景模型集成后將需要操作的相關工具、設備、人物、手勢放入相應的位置中以實現各個步驟作業流程。

根據系統的培訓及考核的需求，每個仿真培訓和考核模塊在具體進行仿真之前，首先要進行崗位識別，崗位識別之后，分別進行系統的仿真培訓和考核兩種功能模式操作：

1、仿真培訓模式

仿真培訓是將操作規程中的每項內容做成一個仿真培訓小系統，受訓員工通過里面每個步驟的文字提示來進行該項內容從頭到尾的操作，操作過程中每個步驟都允許出錯，出錯時可以選擇跳過該步驟或系統自動正確演示該步驟。

仿真培訓顯示最終的分數及每個步驟的正確與錯誤，以便受訓員工及時了解自己對某項內容的掌握情況。仿真培訓不限制學習次數，仿真培訓成績可以不存儲。

2、仿真考核模式

仿真考核和仿真學習的開發方式一致，但是在執行每項內容的每個步驟時不允許出錯，一旦出錯，系統即自動退出該項內容的考核，記為測試1次。正式考核一天只提供2次測試機會，如果第一次考核不及格，可以進行第二次考核，如果2次考核都沒有及格，則當天的考核成績為不及格。

2 關鍵技術

2.1 粒子系統火焰及爆炸特效制作

粒子是個動態的產生過程。通過控制粒子的動態產生過程可以有效的控制粒子的消亡和產生，達到仿真模擬的真實效果[4]。本系統中為實現火焰及爆炸的真實模擬效果采用了Ellipsoid Particle Emitter、Particle Animation、Particle Renderer三類Component 結合使用實現火焰粒子效果[5]。由于場景中需要實現的爆炸效果主要發生在儲油罐及鍋爐周圍，因此本系統采用的爆炸效果需要逼真的煙霧效果來模擬油罐內油火混合后的爆炸特效。

利用Particle System制作火焰及爆炸效果。整個系統包含兩部分：Main Camera(主攝像機)和flame(火焰)。其中flame中有4個子對象：flame2(外焰)、smoke(火內煙)、smoke2(火外煙)和ember(灰燼)。利用層層粒子包裹疊加實現爆炸及火焰的逼真效果，具體效果，如圖2所示。

圖2 爆炸煙霧效果圖

2.2 自動尋路生成撤離路線

在機械清罐應急系統中遇到的諸如著火及爆炸事故，對于現場人員往往很難控制爆炸及火情的發展，因此現場人員在當前位置快速生成路線并撤離便是一項必不可少的求生技能.本系統采用自動尋路技術是Unity3D中常用的幾種組件中發展及使用都較為成熟的Nav Mesh Agent ,Off Mesh Link組件。通過這兩個組件來烘焙地形 , 產生 Nav Mesh。場景中的實現效果，如圖3所示。

圖3 自動尋路效果圖

根據已編輯好的場景效果相對應的代碼如下：

private NavMeshAgent navs1;//聲明尋路組件

navs1=BanZhang.GetComponent();//獲取尋路組件

Vector3endPosition1=new Vector3(-754.89f,85f,51.45f);//終點

navs1.SetDestination(endPosition1);//設置尋路目標

2.3 油粒子流體特效

本系統中模擬了石油在管線運輸過程中發生泄露的特效，石油作為一種特殊流體與一般的流水特效不同，其最大的特點就是石油在流動過程中具有一定的粘稠感，因此系統中在利用粒子特效模擬油泄漏過程中采用了Particle/Alpha Blended材質實現油粒子的特殊材質效果。

本系統在場景中利用Particle System(粒子系統)、紋理映射技術制作油泄漏效果及滅火器噴射干粉效果。粒子系統使用大量的、具有狀態和屬性的微小粒子來模擬具有不規則的物理現象，并且通過不斷改變粒子系統中每個粒子的屬性和狀態來達到逼真的模擬效果[6]。而紋理映射則是通過將材質的紋理通過計算進行水平或垂直的平移來實現材質模擬流動的效果。

粒子系統與紋理映射兩種方法相互結合，既能將需要高度仿真的油泄漏效果模擬出來又能利用紋理切換模擬油漬泄漏降低計算機運算模型面數提高運行效率。具體實現效果，如圖4所示。

圖4 流體粒子及紋理切換效果圖

3 總結

機械清罐作業中的大型突發狀況往往出現頻率不高，但一旦發生其產生的后果將不堪設想，因此提高清罐安全作業意識、提升工人應對突發狀況的作業技能水平是保證油氣運輸安全的重要因素。本系統的培訓演練過程以一個完整的突發事件發生、發展的流程來設計，各個角色按照預案的規定對突發事件進行處置，為現實中突發事件的各類狀況提供了一個模擬真實環境的實訓平臺，使清罐作業者能夠熟練掌握整個應急處置流程，提升了清罐作業者在突發事件發生時的應急處置能力和效果。