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        基于C#和Arc Engine的毒氣擴散仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

        2013-07-05 05:33:36張慶龍戴毅茹趙榮泳
        關鍵詞:區(qū)域模型系統(tǒng)

        張慶龍,戴毅茹,趙榮泳

        (同濟大學 電子與信息工程學院,上海 201804)

        0 引言

        隨著仿真技術的發(fā)展,氣體擴散過程的模擬仿真研究進入了一嶄新的階段。目前GIS技術已經(jīng)逐漸被用于氣體擴散過程的模擬仿真,它是一種以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎,采用地理模型分析方法,適時提供多種空間動態(tài)的地理信息,為相關研究和決策服務的計算機技術系統(tǒng)。從技術和應用的角度,GIS具有強大的空間分析、模擬及可視化表達能力[1]。ArcGIS Engine是在ArcGIS9版本才開始推出的新產(chǎn)品,是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫[2]。

        本文基于C#開發(fā)語言和ArcGIS Engine繪圖技術,采用C/S模式設計了毒氣擴散動態(tài)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)選擇具有連續(xù)性泄漏特點的毒氣擴散模型,采用C#和ArcGIS Engine提供的繪圖方法及關鍵技術對具體空間環(huán)境和氣象條件下連續(xù)點源氣體的擴散過程進行了直觀形象的模擬和分析[3],取得了較好的效果。

        1 總體設計

        1.1 需求規(guī)定

        毒氣擴散仿真系統(tǒng)是毒氣泄漏突發(fā)事件模擬仿真的重要工具。系統(tǒng)要求能按照毒氣泄漏事件發(fā)生后的時間t模擬毒氣擴散的狀態(tài),并將相應仿真數(shù)據(jù)提供給用戶。系統(tǒng)操作方式需要簡單,界面需要簡潔直觀,方便用戶操作和觀看仿真結(jié)果。

        1.2 運行環(huán)境

        本系統(tǒng)的運行環(huán)境分為硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。硬件環(huán)境:內(nèi)存1G以上,主頻2.2GHz以上的服務器端計算機,內(nèi)存512MB以上。軟件環(huán)境:Window 2000以上的操作系統(tǒng),安裝Framework 3.5以上環(huán)境,數(shù)據(jù)庫服務器為Arc Engine 9.3平臺。選擇Arc Engine 9.3是因為它可以為繪制的圖形提供數(shù)據(jù)存儲和記錄的功能,且安全性能高,另外還可以提供相應繪圖需要的組件和工具。本系統(tǒng)采用Visual Studio 2005開發(fā),因為該版本的VS跟Arc Engine 9.3具有良好的兼容性,且.NET平臺具有良好的可移植性和通用性。

        1.3 設計原則

        系統(tǒng)設計遵循現(xiàn)在氣體擴散仿真軟件的主流特點,并融入實時性的特點,確保系統(tǒng)的現(xiàn)實性、實用性、安全性和準確性。軟件開發(fā)過程中采用國際通用的軟件開發(fā)標準和工具,確保系統(tǒng)的可維護性和擴展性。

        2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

        由于毒氣擴散的動態(tài)仿真是以ArcGIS Engine的繪圖方法進行繪制的,因此,如何將ArcGIS Engine和二次開發(fā)的平臺有效結(jié)合,利用建立的毒氣擴散模型進行動態(tài)模擬也是需要解決的關鍵問題??紤]到二次開發(fā)平臺的兼容性,選擇ArcGIS Engine 9.3與C#2005結(jié)合作為二次開發(fā)的環(huán)境,并采用ArcGIS Engine繪圖方法實現(xiàn)了毒氣擴散仿真系統(tǒng),有效地解決這個問題,整個動態(tài)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)和仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

        圖1 動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)和仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        仿真計算層主要負責支撐和運行一個仿真的環(huán)境,維護仿真系統(tǒng)的時間一致性,推行仿真進程的運行,管理仿真對象的數(shù)據(jù)分發(fā)和所有權(quán),分配仿真對象任務,維護仿真對象屬性等功能。

        擴散仿真層由5大模塊組成,如圖所示,主要負責毒氣擴散仿真模型的運行,毒氣擴散狀態(tài)圖的顯示,用戶接口的交互及評價指標的生成等工作。

        基礎信息模塊:5個模塊中最底層的模塊。主要功能:保存地圖上一切仿真要素信息;保存用戶設置的仿真參數(shù);與 “永久性”存儲數(shù)據(jù)的交互 (讀取和寫入);提供所有需要的數(shù)學計算函數(shù)。

        繪圖模塊:所有的與圖形繪制相關的函數(shù)和方法都由這個模塊負責。

        鼠標交互模塊:實現(xiàn)不同狀態(tài)下用戶的鼠標策略。

        Arc Engine引用庫模塊:為Paint模塊提供引用庫。

        用戶界面模塊:維護Interaction界面除外的所有用戶界面;捕捉用戶鼠標信息,根據(jù)鼠標的信息調(diào)用相應模塊;直接通過用戶界面設置Base中的相關信息。

        2.2 仿真程序核心算法設計

        基本思想是,先確定泄漏點,然后在一定的氣象和物理條件下,利用高斯煙羽模型得到毒氣擴散范圍的坐標值,將坐標值轉(zhuǎn)換到Arc Engine地圖的投影坐標系下,然后使用C#語言將轉(zhuǎn)換后的毒氣擴散范圍坐標值在Arc Engine地圖上呈現(xiàn)出毒氣擴散致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的等濃度區(qū)域分布圖,算法流程見圖2。其中,模擬范圍為下風向1500m以內(nèi),每5s計算一次毒氣擴散范圍。

        圖2 核心算法流程圖

        2.3 系統(tǒng)基本功能

        毒氣擴散仿真系統(tǒng)由地圖導入、事故點建模、風向建模、毒氣模型參數(shù)設置和毒氣繪制五個部分組成。

        采用ArcGIS Desktop設計系統(tǒng)需要的地圖。在模擬毒氣擴散的同時,系統(tǒng)自動計算出每個時間點對應的三個毒氣擴散區(qū)域即死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的擴散縱深。

        2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

        (1)氣體擴散模型選擇。近年來,國內(nèi)外對氣體泄漏擴散模型進行了大量研究和改進,已經(jīng)有多個成熟?;窔怏w擴散模型,如高斯模型、Sutton模型、平板模型等[4,5]。目前,危化品氣體擴散模型依據(jù)泄漏源的毒氣泄漏類型,可以分為瞬時型模型和連續(xù)型模型。具體選擇哪種毒氣擴散模型由應急疏散仿真系統(tǒng)的場景和特點決定。基于大范圍疏散場景和大規(guī)模、長時間連續(xù)泄漏的特點,選連續(xù)型高斯煙羽模型作為擴散模型。

        高斯煙羽模型[6],又稱為中等密度云連續(xù)擴散模型。有界的連續(xù)點源擴散高斯煙羽模型表達:

        (2)Arc Engine繪圖方法。在使用模型進行模擬分析時,需要將默認的坐標系轉(zhuǎn)換成Arc Engine地圖的投影坐標系[7];Geometry是Arc Engine中使用最為廣泛的對象集之一。通過Geometry可以繪制點、線(直線或曲線)、面等要素。利用這些基本的要素可以繪制毒氣擴散區(qū)域圖。按照直觀性的特點,對擴散區(qū)域進行渲染。按照毒氣擴散區(qū)域覆蓋的區(qū)域可視化特點,對擴散區(qū)域所在圖層進行透明化處理,因此,選擇要素作為需要繪制的對象。

        (3)模型計算。高斯煙羽模型的實現(xiàn)是毒氣擴散模擬實現(xiàn)的關鍵問題,本仿真系統(tǒng)采用clsDiffusionModel類實現(xiàn)。因此,clsDiffusionModel類的實現(xiàn)是仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。

        3 系統(tǒng)應用舉例

        本文選取上海吳涇化工區(qū)為地圖,地圖范圍(2.2×3.6)Km。以表1和表2的初始條件為例,利用仿真系統(tǒng)對吳涇化工區(qū)附近突發(fā)的毒氣泄漏事件進行模擬仿真,并對毒氣擴散的區(qū)域縱深與高斯煙羽模型的關鍵參數(shù)的關系進行了簡要研究。

        表1 初始條件

        表2 初始條件

        3.1 基于表1初始參數(shù)的毒氣擴散區(qū)域圖

        圖3 t=10min和t=15min毒氣擴散示意圖

        3.2 基于表1初始參數(shù)的毒氣擴散區(qū)域縱深與時間t的關系圖

        圖3表明在不同時刻的毒氣擴散區(qū)域圖,圖4更詳細地表明了在初始條件下,毒氣擴散區(qū)域縱深與泄漏發(fā)生后時刻t的關系。該系統(tǒng)不僅可以動態(tài)模擬毒氣擴散的狀況,還可以通過調(diào)節(jié)高斯煙羽模型關鍵參數(shù),模擬出不同的毒氣擴散情景,這樣增加了仿真系統(tǒng)的可塑性。

        圖4 毒氣擴散區(qū)域縱深和時間t的關系圖

        4 結(jié)論

        本文以突發(fā)的毒氣泄漏事件為研究背景,對Arc Engine仿真技術在毒氣擴散仿真中的應用進行了細致研究,實現(xiàn)了基于Arc Engine仿真技術和高斯煙羽模型的毒氣擴散動態(tài)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅使毒氣泄漏的擴散狀態(tài)直觀化、準確化、實時化,而且對毒氣泄漏事故現(xiàn)場的預測、評估和后續(xù)人員疏散方案的制定具有良好的輔助決策作用。

        [1]鐘登華,宋洋,黃河,鄭家祥.基于GIS水電工程施工系統(tǒng)的三維動態(tài)圖形仿真技術[J].系統(tǒng)仿真學報,2003,12.

        [2]孫麗,高飛,胡小華,馬傳松.Arc Engine插件式GIS二次開發(fā)框架的設計和實現(xiàn)[J].測繪科學,2011,5.

        [3]金陶勝,余志.基于GIS的汽車尾氣污染擴散仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2004,11.

        [4]陳國華,張靜,潘游,等.區(qū)域風險評價方法研究[J].中國安全科學學報,2006,6.

        [5]R.Ohba,A.Kouchi,T.Hara,V.Vieillard and D.Nedelka.Validation of Heavy and Light Gas Dispersion Models for the Safety Analysis of LNG Tank[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries.2004,5.

        [6]鄧金華,沈賢明,張保平,王建兵.Mat lab在化學危險性氣體擴散模擬分析中的應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2005,5.

        [7]劉進忙,張曉剛.經(jīng)緯度坐標變換及其在防空C3I系統(tǒng)中的應用[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2002,1.

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