任鴻翔 金一丞 尹 勇

(大連海事大學(xué)航海動(dòng)態(tài)仿真與控制交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 大連 116026)

(浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 杭州 310058)

目前的船舶消防訓(xùn)練大都是在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行,不僅花費(fèi)大、污染環(huán)境,而且危險(xiǎn)性很大.因此,很有必要研發(fā)船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng).近年來,一些學(xué)者已開始對(duì)船舶火災(zāi)的模擬訓(xùn)練進(jìn)行研究.美國海軍實(shí)驗(yàn)室1999年通過數(shù)學(xué)模型并運(yùn)用信息技術(shù)與探測系統(tǒng),發(fā)展了一種火災(zāi)撲救決策系統(tǒng),該實(shí)驗(yàn)室還研究了用于訓(xùn)練消防員的虛擬環(huán)境[1].國內(nèi)對(duì)船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練的研究還處于起步階段[2-4],對(duì)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)仍需要做進(jìn)一步的深入研究.

本文在船舶操縱模擬器的基礎(chǔ)上,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了研究,分析了系統(tǒng)的組成及各模塊的作用,對(duì)船舶火災(zāi)蔓延模型及船舶火災(zāi)仿真等關(guān)鍵技術(shù)做了深入探討,并實(shí)現(xiàn)了船舶火災(zāi)場景的模擬,為下一步建成功能完備、真正實(shí)用的船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與軟件模塊

船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可采用分布交互仿真(distributed interactive simulation,DIS)的設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)由1個(gè)指揮決策中心和若干訓(xùn)練單元組成(如圖1),指揮決策中心和各訓(xùn)練單元的計(jì)算機(jī)均采用高性能微機(jī),微機(jī)間通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié).整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)實(shí)際情況靈活配置.

船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件主要由指揮決策模塊、火災(zāi)蔓延模塊、火災(zāi)撲救模塊、船舶運(yùn)動(dòng)模塊、火災(zāi)場景模塊組成(如圖2),各模塊的功能如下.

1.1 指揮決策模塊

指揮決策模塊包括訓(xùn)練任務(wù)設(shè)定和初始化、訓(xùn)練過程管理和控制、回放和分析評(píng)判等功能.訓(xùn)練開始前,教員根據(jù)不同的訓(xùn)練目的和要求明確訓(xùn)練環(huán)境和訓(xùn)練規(guī)則,生成訓(xùn)練計(jì)劃和火災(zāi)劇情.

1)任務(wù)設(shè)定和初始化 (1)訓(xùn)練場景設(shè)定.設(shè)定船舶的種類、船舶航行或停泊時(shí)火災(zāi)事故的位置、燃燒物狀態(tài)以及船舶周圍環(huán)境等信息;(2)職責(zé)設(shè)定.火災(zāi)事故發(fā)生后各消防人員的現(xiàn)場位置、職責(zé);(3)滅火器材設(shè)定.需要用到的各種火災(zāi)撲救器材.

2)訓(xùn)練過程管理和控制 指揮決策模塊通過大屏幕投影系統(tǒng)觀察火災(zāi)現(xiàn)場情況,對(duì)整個(gè)訓(xùn)練過程進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄,為訓(xùn)練過程回放和分析提供充分的數(shù)據(jù)源.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)軟件模塊

3)回放和分析評(píng)判 讀取各信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行回放,根據(jù)訓(xùn)練時(shí)記錄下的用戶操作順序、狀態(tài)等信息對(duì)其相應(yīng)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行評(píng)判.

1.2 火災(zāi)蔓延模塊

火災(zāi)蔓延模塊是整個(gè)船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心.該模塊通過火災(zāi)蔓延模型計(jì)算火災(zāi)的發(fā)展情況、起火艙室與鄰近艙室的煙氣層溫度隨時(shí)間的變化情況以及氧氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化情況等,并在此基礎(chǔ)上對(duì)全船的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估.

1.3 火災(zāi)撲救模塊

1)虛擬消防艇 消防艇是海事消防部門最主要的消防設(shè)備之一,對(duì)于近海船舶火災(zāi)故事,消防艇可及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場并采用相應(yīng)措施(如使用消防水槍)進(jìn)行撲救.在船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中可模擬消防艇的滅火過程.

2)虛擬消防水噴淋系統(tǒng) 自動(dòng)消防水噴淋系統(tǒng)是船舶普遍使用的一種滅火設(shè)施,在船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中可設(shè)置虛擬水噴淋頭和火焰探測器,自動(dòng)檢測起火點(diǎn)的位置并進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)火焰高度達(dá)到一定閾值時(shí)就會(huì)啟動(dòng)水噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滅火.

3)虛擬滅火器 滅火器是船舶上常用的另外一種滅火設(shè)施.在系統(tǒng)中可設(shè)置虛擬滅火器,并可通過數(shù)據(jù)手套來控制滅火器.用戶使用手套拾取滅火器后,將之移動(dòng)到距火源的有效距離內(nèi),啟動(dòng)開關(guān)進(jìn)行滅火.虛擬滅火器的位置、開關(guān)動(dòng)作、持續(xù)時(shí)間等信息作為參數(shù)輸入到火災(zāi)蔓延模型中,計(jì)算并模擬滅火過程.

1.4 船舶運(yùn)動(dòng)模塊

該模塊主要是指船舶的三維運(yùn)動(dòng)模型,可模擬不同種類、不同噸位的實(shí)船模型.船舶種類包括雜貨船、散貨船、集裝箱船、油船、客船、滾裝船等.船舶操縱數(shù)據(jù)模型包括影響船舶運(yùn)動(dòng)的各種效應(yīng),主要有 :主機(jī)、舵 、側(cè)推器、纜、錨等的控制;風(fēng)、流等環(huán)境對(duì)船舶的作用;淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)及船間效應(yīng)等.

1.5 火災(zāi)場景模塊

火災(zāi)場景模塊是在火災(zāi)蔓延模型的計(jì)算基礎(chǔ)上再現(xiàn)火災(zāi)的三維場景,為使系統(tǒng)用戶有“身臨其境”的感覺,需從控制機(jī)制、真實(shí)感以及實(shí)時(shí)性三個(gè)方面對(duì)火焰燃燒進(jìn)行仿真.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 船舶火災(zāi)蔓延模型

2.1.1 火災(zāi)蔓延模型 火災(zāi)蔓延模型用來描述火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的過程,是火災(zāi)基礎(chǔ)理論研究的重要內(nèi)容.現(xiàn)有的火災(zāi)蔓延模型歸納起來主要有場模型[5]、區(qū)域模型[6]和網(wǎng)模型等,其中區(qū)域模型已逐漸成熟,場模型是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),場區(qū)、區(qū)網(wǎng)等混合模型將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用.

場模型是通過計(jì)算狀態(tài)參數(shù)(如溫度、速度、各組分質(zhì)量濃度等)的空間分布隨時(shí)間的變化來描述火災(zāi)發(fā)展過程的數(shù)學(xué)方程集合,可以給出火災(zāi)發(fā)展過程的細(xì)節(jié),但計(jì)算量較大.場模型可分為直接數(shù)值模擬、雷諾平均模擬和大渦模擬3種,其中大渦模擬可以反映流體瞬時(shí)的特性,并可通過較粗的計(jì)算網(wǎng)格劃分來減少數(shù)值模擬的巨額計(jì)算量.區(qū)域模型將研究的受限空間劃分為不同的控制體(一般情況下,受限空間被分為上下2個(gè)控制體:上層煙氣層和下層空氣層),同時(shí)假定各個(gè)控制體內(nèi)部的物理參數(shù)均勻分布,而后利用質(zhì)量、能量守恒原理和理想氣體定律導(dǎo)出一組常微分控制方程,能給出較合理的結(jié)果.網(wǎng)模型是一種更為簡化的區(qū)域模型.

2.1.2 船舶火災(zāi)蔓延模型 該模型既要滿足計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算的能力,又要有較好的精度.

場模型、區(qū)域模型和網(wǎng)模型各有各的優(yōu)點(diǎn)和適用領(lǐng)域.船舶的艙室較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)于船舶的每個(gè)艙室都應(yīng)用場模型模擬火災(zāi)過程,需要巨大的計(jì)算量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的能力,即使是區(qū)域模型,其計(jì)算量也是難以承受的.此外,區(qū)域模型成立的基礎(chǔ)是船舶艙室的煙氣分層現(xiàn)象,而通過對(duì)船舶的實(shí)驗(yàn)研究表明:通常煙氣層在著火艙室并無明顯的分層現(xiàn)象,只有在附近相鄰的非著火艙室,煙氣層才有明顯的分層現(xiàn)象.因此,本文提出發(fā)展場區(qū)網(wǎng)復(fù)合模型模擬船舶火災(zāi)的蔓延(如圖3).對(duì)船舶著火艙室采用場模型中的大渦模擬技術(shù)進(jìn)行研究,以獲得著火艙室火災(zāi)發(fā)展過程的詳細(xì)參數(shù)及其變化規(guī)律.著火鄰近艙室是區(qū)域模型適用的場合,采用區(qū)域模型對(duì)其進(jìn)行研究,構(gòu)造出區(qū)域的狀態(tài)參量和高度變化.將遠(yuǎn)離著火位置的艙室視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),選用網(wǎng)模型,計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)參量隨時(shí)間的變化.

圖3 場區(qū)網(wǎng)復(fù)合模型

發(fā)展場區(qū)網(wǎng)復(fù)合模型,要重點(diǎn)研究大渦模擬技術(shù),在保證模擬精度的同時(shí)提高模擬速度.考慮火災(zāi)場的流動(dòng)屬低馬赫數(shù)弱可壓浮力流,可采用適合描述該類流動(dòng)的修正的N-S方程組,在離散濾波后的方程組時(shí),時(shí)間項(xiàng)的離散采用顯式的二階精度Runge-Kutta格式,空間項(xiàng)的離散采用二階精度的中心差分格式.對(duì)于大渦模擬的燃燒模型,采用層流擴(kuò)散火焰理論和快速反應(yīng)假定.對(duì)于大渦模擬的輻射模型,近似地將火焰和煙氣作為灰體處理,忽略顆粒的散射作用,主要考慮輻射光譜連續(xù)的固體顆粒.

發(fā)展場區(qū)網(wǎng)復(fù)合模型的另一重要研究內(nèi)容是場、區(qū)、網(wǎng)模型間的邊界耦合問題.對(duì)于著火艙室場模型的邊界條件,可以將其邊界位置放置在著火鄰近艙室,由區(qū)域模型的物理參量來確定.對(duì)于區(qū)域模型的求解,主要考慮區(qū)與場、區(qū)與區(qū)、區(qū)與網(wǎng)邊界處的流動(dòng)和各區(qū)域內(nèi)部的卷吸作用.由于從原理上講,網(wǎng)模型與區(qū)域模型沒有區(qū)別,只是網(wǎng)模型的各物理量需用一個(gè)均勻參數(shù)來表示,因此對(duì)于遠(yuǎn)離著火位置艙室的網(wǎng)模型,通過采用區(qū)域模型且設(shè)置上下層各物理量的值相等來實(shí)現(xiàn),這樣區(qū)、網(wǎng)模型間的邊界問題也變得容易解決.

2.2 船舶火災(zāi)仿真

2.2.1 火焰仿真的方法 火災(zāi)發(fā)生的同時(shí)會(huì)伴隨著火焰的燃燒,火焰具有實(shí)時(shí)的多變性和不規(guī)則性,無法進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述,如何對(duì)火焰進(jìn)行仿真是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一.目前,火焰的仿真方法可分為3種:紋理技術(shù)方法[7]、粒子系統(tǒng)方法[8]和物理模型方法[9].采用紋理技術(shù)方法模擬火焰,速度快,占用計(jì)算機(jī)資源較少,但人工痕跡較明顯,難以表現(xiàn)動(dòng)態(tài)情景.粒子系統(tǒng)方法能表現(xiàn)一定的燃燒場景和燃燒細(xì)節(jié),且實(shí)現(xiàn)簡便,適用于對(duì)模擬效果要求不太高的情況.物理模型方法是從物理性質(zhì)出發(fā),對(duì)火焰的運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行合理的計(jì)算,可逼真地模擬火焰燃燒的過程,但該方法計(jì)算過于復(fù)雜,其連續(xù)性求解超出了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的能力.

2.2.2 船舶火災(zāi)場景仿真 船舶火災(zāi)場景由船舶周圍場景、自身場景和火焰燃燒場景3部分組成.船舶周圍場景的仿真是對(duì)船舶航行或停泊時(shí)的周圍環(huán)境的模擬;船舶自身場景的仿真需要對(duì)船舶進(jìn)行建模;火焰燃燒場景的仿真是對(duì)船舶失火情況的三維模擬,是船舶火災(zāi)場景仿真的研究重點(diǎn).

就火焰仿真的3種方法而言,物理模型方法是從火焰的物理性質(zhì)出發(fā),從理論上對(duì)火焰的運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行合理的計(jì)算,比較真實(shí)地再現(xiàn)了火焰燃燒的物理過程.所以,這種方法對(duì)火焰的運(yùn)動(dòng)變化控制得比較精確,也最能體現(xiàn)火焰場景的豐富細(xì)節(jié).物理模型方法的核心是流體動(dòng)力學(xué)方程,其連續(xù)性求解對(duì)于現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)來說還是難以承受的.本文選用LBM(lattice boltzmann model)的離散方法[10]來解決這一問題.

由于船舶火災(zāi)場景是大規(guī)模的火焰燃燒場景,全部采用物理模型方法進(jìn)行仿真是不現(xiàn)實(shí)的.而其他2種火焰仿真方法也有一定的特點(diǎn):粒子系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)簡單,能表現(xiàn)一定的燃燒場景和燃燒細(xì)節(jié),并可用隨機(jī)過程對(duì)模擬火焰進(jìn)行控制;紋理技術(shù)方法如果運(yùn)用得當(dāng),也能反映出火焰的一些重要特征如翻轉(zhuǎn)、渦旋等效果,從而提高場景的真實(shí)感.因此,可以對(duì)距離視點(diǎn)較近的火焰采用物理模型方法仿真,而對(duì)于距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的火焰采用紋理技術(shù)和粒子系統(tǒng)方法仿真,這樣即保證了繪制的真實(shí)感,又提高了繪制的實(shí)時(shí)性.

近年來,圖形處理器(GPU)的性能及可編程能力得到大幅度提高,新一代GPU采用統(tǒng)一著色器架構(gòu),完全硬件支持DirectX 10的各項(xiàng)先進(jìn)特性,為船舶火災(zāi)場景仿真提供了良好的平臺(tái).利用LBM并行性好的特點(diǎn),運(yùn)用圖形處理器強(qiáng)大的并行處理能力可對(duì)LBM計(jì)算過程進(jìn)行加速;運(yùn)用GPU的幾何著色器技術(shù)可以增強(qiáng)粒子系統(tǒng)方法繪制火焰的速度與效果;運(yùn)用高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)可模擬火焰燃燒時(shí)昡目刺眼的效果.

3 結(jié) 論

1)初步構(gòu)建船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)各模塊的組成及作用進(jìn)行了探討.

2)提出在完善大渦模擬技術(shù)、優(yōu)化處理模型間邊界耦合的基礎(chǔ)上,發(fā)展場區(qū)網(wǎng)復(fù)合模型,使其能夠模擬船舶火災(zāi)的發(fā)展過程,實(shí)現(xiàn)精度與效率的較好統(tǒng)一.

3)對(duì)火災(zāi)場景仿真進(jìn)行研究,提出利用物理模型結(jié)合紋理技術(shù)和粒子系統(tǒng)方法來模擬船舶火災(zāi),提高大規(guī)?；鹧嫒紵龍鼍袄L制的真實(shí)感與實(shí)時(shí)性,實(shí)現(xiàn)船舶火災(zāi)場景的仿真.

[1] Nikitin Y V.Structural analysis and modeling for command decisions during fire on board ships[R],Naval Postgraduate School,2001.

[2]侯 岳,浦金云,崔魯寧.艦艇受損消防系統(tǒng)消防能力評(píng)估及搶修決策智能化系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2009,33(2):337-340.

[3]郭華芳,李智文.消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)初探[J].滅火指揮與救援,2007,26(1):86-89.

[4]王長波,全紅艷,謝步瀛,等.基于物理的真實(shí)感火災(zāi)疏散仿真[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2008,20(8):1033-1037.

[5]姚建達(dá),范維澄.輻射模型在煙氣運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].火災(zāi)科學(xué),1995,4:26-33.

[6]Fu Z M,Fan W C.Prediction of building fires with zonemodeling method[J].Progress in Natural Science,1996,6(6):734-740.

[7]Wei X,LiW,M ueller K,et al.Simu lating fire with tex ture sp lats[C]//Proceedings of the 13th IEEE Visualization,Boston,M assachusetts,2002:227-234.

[8]王繼州,顧耀林.火焰的快速模擬[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2007,19(1):102-107.

[9]Ihrke I,M agnor M,Image-based tomographic reconstruction of flames[C]// Proceedings of the 2004 ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer Animation,G renob le,France,2004:365-373.

[10]Wei X,LiW,Mueller K,et a1.The Lattice-Bohzmann Method for Simulating Gaseous Phenomena[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2004,10(2):164-176.