基于VR 的大型煤氣化事故三維動(dòng)態(tài)可視化研究

潘常春

（浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)和核心技術(shù)，在整個(gè)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。但其生產(chǎn)過程危險(xiǎn)性極大，稍不注意就有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。2019 年，河南煤氣集團(tuán)義馬氣化廠發(fā)生“7·19”重大爆炸事故，事故原因是未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理空氣分離裝置冷箱泄露的問題，導(dǎo)致發(fā)生“砂爆”。此次事故導(dǎo)致15 人死亡、16 人重傷，事故暴露出企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄、廠區(qū)設(shè)計(jì)布局不合理等多項(xiàng)突出問題。因此，工藝氣泄漏、火災(zāi)、爆炸事故的防控是煤化工廠房安全防范工作的重要內(nèi)容。

由于煤氣化裝置空間體量巨大，事故后果嚴(yán)重，其事故過程難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。而隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)進(jìn)入人們眼前。VR 技術(shù)是由諸多跨領(lǐng)域多學(xué)科交叉而構(gòu)建的一種新型信息技術(shù)[2-4]，具有高沉浸感和交互性，可將人帶入一個(gè)“虛擬的世界”，將其應(yīng)用于煤氣化事故模擬有一定的優(yōu)勢。當(dāng)前，VR 技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果。周德闖[5]基于VC++.NET 平臺(tái)，調(diào)用Matlab 引擎的混合編程技術(shù)，在Vega Prime 仿真條件下研究大空間火災(zāi)煙氣層降的實(shí)時(shí)仿真工作；王俊杰等[6]通過GIS、AJAX 和VRML 等技術(shù)完成化工廠區(qū)電子地圖的繪制，并模擬真實(shí)廠區(qū)內(nèi)部實(shí)景，設(shè)計(jì)了一款化工廠安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)；侯建明[7]、王子甲[8]等基于Unity 3D 虛擬仿真平臺(tái)分別開發(fā)了礦山救援虛擬仿真演練系統(tǒng)及地鐵火災(zāi)疏散仿真平臺(tái)；玄令岐[9]等通過Unreal Engine 4 和Visual Studio 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在外部數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下礦井中火災(zāi)蔓延情況的研究。

前人研究發(fā)現(xiàn)，VR 技術(shù)應(yīng)用于事故模擬主要側(cè)重于對重大事故的應(yīng)急演練、事故預(yù)防、事故發(fā)生或者是針對后果中的某一項(xiàng)進(jìn)行分析和研究，而對事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析的研究報(bào)道較少；此外，針對事故發(fā)生的過程研究更少，也無法對發(fā)生事故造成的災(zāi)害范圍進(jìn)行研究。VeryEngine 是一種基于Unity 3D 的二次開發(fā)引擎，其特點(diǎn)在于可用一種可編輯文本的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)。針對煤氣化事故的危險(xiǎn)特性，筆者提出基于Pasquill-Gifford 模型、火災(zāi)后果模型與TNO 蒸氣云爆炸后果模型，對煤氣化火災(zāi)與爆炸進(jìn)行后果模擬與預(yù)測，采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式，開展煤氣化廠區(qū)大型環(huán)境的三維建模，植入粒子特效系統(tǒng)，形象地呈現(xiàn)出工藝氣泄露、火災(zāi)以及爆炸事故的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程，以期對煤氣化裝置的安全布局、煤化工生產(chǎn)事故應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置措施以及事故調(diào)查等提供科學(xué)依據(jù)。

1 大型煤氣化事故數(shù)學(xué)模型

1.1 氣體擴(kuò)散模型

氣體擴(kuò)散模型是基于理想的情況，通過數(shù)學(xué)模型來描述復(fù)雜的氣體擴(kuò)散現(xiàn)象，用定量計(jì)算的方法來估算事故狀態(tài)下工藝氣泄露擴(kuò)散對周邊影響程度。Pasquill-Gifford 模型是一種中性浮力擴(kuò)散模型，主要用于描述中等密度氣云的濃度分布，廣泛應(yīng)用于企業(yè)物質(zhì)泄漏后果的研究中，被認(rèn)為對企業(yè)應(yīng)急預(yù)案的編制有一定的指導(dǎo)意義[10]。因此，本研究采用Pasquill-Gifford 模型來模擬煤氣化裝置泄漏擴(kuò)散[11]。

中性浮力擴(kuò)散模型一般分為：用于連續(xù)釋放源泄露氣體的穩(wěn)態(tài)濃度描述的煙羽模型和用于定量獨(dú)立釋放源的瞬時(shí)濃度描述的煙團(tuán)模型。

（1）位于地面HT高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽模型：

式中：C為泄露氣的濃度，當(dāng)工藝氣持續(xù)泄露時(shí)，在形成穩(wěn)定的流場后，地點(diǎn)（x，y，z）處的泄露氣濃度(kg/m3)；Q為連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量（kg/s）；U為風(fēng)速；σy、σz為側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)（m）；x，y，z為下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向、垂直風(fēng)向距離，其中，大氣穩(wěn)定度采用Pasquill 分類方法確定，擴(kuò)散系數(shù)采用Pasquill-Gifford 模型擴(kuò)散系數(shù)方程[12]。

（2）位于地面HT高處的瞬時(shí)點(diǎn)源的煙團(tuán)模型，坐標(biāo)系隨煙團(tuán)的移動(dòng)而移動(dòng)，其中心位于煙團(tuán)的中心x=ut處。

式中：C為工藝氣瞬時(shí)泄露時(shí)，t時(shí)間在地點(diǎn)（x，y，z）的工藝氣的濃度（kg/m3）；Q*為瞬時(shí)排放的物料質(zhì)量；σx,σy,σz為下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)（m）。

1.2 火災(zāi)后果模型

一系列的點(diǎn)源沿火焰長度方向向周邊輻射形成噴射火焰，本研究中采用通用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算垂直和水平方向的噴射火的火焰長度及熱輻射通量[12]。

（1）垂直方向噴射火計(jì)算

火焰高度：

式中：q（r）為距離火焰中心r處的目標(biāo)所接收到的熱通量（kW/m2），τa為大氣傳輸率，η為熱輻射系數(shù)，m˙為燃料的質(zhì)量流速（kg/s）；ΔHc為燃燒熱（kJ/kg），F(xiàn)p為視角因子。

大氣傳輸率τa：

式中：L為噴射火的火焰長度；HC表示燃燒熱（J/kg），m為質(zhì)量流速（kg/s）。

熱輻射的通量：

1.3 蒸氣云爆炸后果模型（TNO）

TNO 多能法是當(dāng)前模擬預(yù)測蒸氣云爆炸的常用方法[13，14]。通過估算爆炸源內(nèi)的可燃?xì)怏w與空氣混合物體積，計(jì)算爆炸源的燃燒能：

圖1 TNO 模型的Sachs 比擬超壓

2 煤氣化事故三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)總體框架

采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式。首先以真實(shí)場景為藍(lán)本，采用3Ds Max 建模軟件對煤氣化廠區(qū)的中建筑物、煤氣化裝置設(shè)備等進(jìn)行真實(shí)建模，然后導(dǎo)入U(xiǎn)nity 中，構(gòu)建三維虛擬場景。隨后結(jié)合氣體擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸事故的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、粒子特效、聲音特效等技術(shù)對煤氣化生產(chǎn)過程中的典型事故進(jìn)行模擬，在VeryEngine 中開展系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示煙霧擴(kuò)散、火焰和爆炸的全過程（圖2）。

圖2 煤氣化事故三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)總體框架

3 煤氣化事故三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 三維場景的構(gòu)建

為展現(xiàn)場景的真實(shí)性，虛擬場景中的設(shè)備等物體模型均以廠家真實(shí)的煤氣化工藝裝置為藍(lán)本，利用3Ds Max 建模軟件對真實(shí)場景進(jìn)行高度仿真建模。建模單位采用mm，按實(shí)際規(guī)格及尺寸進(jìn)行制作，模型坐標(biāo)和自身中心點(diǎn)重合，制作的模型既要保證模型整體相對比例正確，還需保證和實(shí)際尺寸大小一致，模型場景以軟件原點(diǎn)為基準(zhǔn)，即X,Y,Z坐標(biāo)軸歸零，方便各設(shè)計(jì)開發(fā)軟件之間的轉(zhuǎn)換。

采用基于物理屬性的PBR 寫實(shí)貼圖來表現(xiàn)虛擬場景的細(xì)節(jié)。其中紋理貼圖用于表現(xiàn)材質(zhì)的外貌特征；金屬光滑度貼圖則用于表現(xiàn)其對光做出反應(yīng)的物理特性；法線貼圖豐富紋理凹凸等細(xì)節(jié)；AO 則進(jìn)一步表現(xiàn)物體的立體真實(shí)感。四大核心貼圖將物體的特性表現(xiàn)極致逼真。模型制作好后，將格式轉(zhuǎn)化為FBX 格式，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 中。Unity 3D 引擎系統(tǒng)中自帶天空盒、地形、植被等場景，只需在Assets 中進(jìn)行資源包導(dǎo)入，最終完成三維場景的構(gòu)建（圖3）。

圖3 虛擬煤化工廠區(qū)

3.2 三維動(dòng)態(tài)模擬

由于煙霧擴(kuò)散和火焰燃燒時(shí)不規(guī)則的幾何形狀及顏色會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生隨機(jī)的動(dòng)態(tài)變化，難以用常規(guī)的三維建模方法或模擬技術(shù)來生成。20 世紀(jì)末，Reeves[17]提出粒子系統(tǒng)理論，該理論認(rèn)為可以通過設(shè)置粒子的形狀、速度、數(shù)量等多種參數(shù)來描述物體的動(dòng)態(tài)特征，是迄今為止模擬不規(guī)則物體動(dòng)態(tài)變化最為成熟的理論之一。本系統(tǒng)根據(jù)粒子的產(chǎn)生、變化以及消亡來描述煙霧、火焰的不規(guī)則變化，模擬火災(zāi)及爆炸的過程中煙霧的擴(kuò)散和火焰燃燒狀態(tài)。

在Unity 3D 中，粒子系統(tǒng)由粒子發(fā)射器（Particle Emitter）、粒子動(dòng)畫器（Particle Animator）和粒子渲染器（Particle Renderer）3 個(gè)獨(dú)立的部分組成[18]。運(yùn)用編程語言，將氣體擴(kuò)散模型、火災(zāi)后果模型和蒸氣云爆炸后果模型導(dǎo)入軟件中，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、火災(zāi)及爆炸三維動(dòng)態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型程序化。引入粒子特效系統(tǒng)，在虛擬場景中加入了粒子發(fā)射器、植入粒子驅(qū)動(dòng)器以及節(jié)拍器。對各對象的屬性進(jìn)行設(shè)置，并且選擇合適的粒子類型，同時(shí)對特效屬性進(jìn)行設(shè)置，對氣體泄漏、火災(zāi)及爆炸進(jìn)行建模繪制與實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏擴(kuò)散、噴射火焰及爆炸的三維動(dòng)態(tài)模擬過程（圖4）。同時(shí)，通過VeryEngine 下的聲音播放響應(yīng)添加爆炸、噴射火焰等現(xiàn)象伴隨的聲音音效，使場景更加真實(shí)。

圖4 煤氣化事故模擬

3.3 后果分析與模擬

結(jié)合火災(zāi)熱輻射后果模型和熱輻射傷害準(zhǔn)則[19]，分析預(yù)測發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，熱輻射對一定距離的人與物體（煤氣化裝置及周邊建筑物）的影響情況。結(jié)合爆炸超壓模型和沖擊波超壓準(zhǔn)則[20]，分析預(yù)測當(dāng)發(fā)生爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對周圍人員以及周邊環(huán)境的破壞程度。

本研究通過精確定位、相對位置對煤氣化裝置及周邊建筑受熱輻射、沖擊波影響程度進(jìn)行預(yù)測分析（圖5）。由于人在廠區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的位置具有不確定性，因此在本研究中除了采用精確定位與相對位置外，還增加一種任意坐標(biāo)點(diǎn)預(yù)測的方法，根據(jù)不同的需要對煤氣化事故發(fā)生時(shí)現(xiàn)場人員的死傷概率進(jìn)行計(jì)算。

圖5 事故后果預(yù)測分析

4 結(jié)論

（1）本研究采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式，開發(fā)出基于VR 技術(shù)的煤氣化事故三維動(dòng)態(tài)可視化仿真軟件，通過引入粒子特效等技術(shù)對火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生時(shí)的煙霧、火焰進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對煤氣化事故的實(shí)時(shí)三維可視化動(dòng)態(tài)仿真模擬，通過熱輻射影響模型和熱輻射傷害準(zhǔn)則，以及超壓模型和沖擊波傷害準(zhǔn)則，分析并統(tǒng)計(jì)熱輻射和沖擊波對周圍人員以及周邊環(huán)境的破壞情況。

（2）通過本研究，可以根據(jù)事故影響范圍對煤氣化設(shè)備的布局進(jìn)行優(yōu)化，降低由于個(gè)別設(shè)備的損壞影響其他設(shè)備而產(chǎn)生事故的概率。同時(shí)為煤化工事故應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置措施以及事故調(diào)查等方面提供科學(xué)依據(jù)。研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤化工安全領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

（3）開展進(jìn)一步的研究可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模、多角色的煤氣化事故協(xié)同仿真演練，彌補(bǔ)傳統(tǒng)事故演練的不足，以提高突發(fā)重大事故的應(yīng)急能力和水平?？梢灶A(yù)測，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合或者采用全息投影技術(shù)將整個(gè)虛擬場景投放到現(xiàn)實(shí)的空間，讓多人同時(shí)參與事故演練，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)能力，使現(xiàn)代化的技術(shù)手段在化工生產(chǎn)安全領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。