袁 偉,李 藐,李 霄,陳顯波,李 浪
(96901部隊23分隊,北京 100094)
國內(nèi)外基于核電站反應堆、核動力裝置、船舶工業(yè)等事故序列的研究相對成熟,有著大量實例和運行數(shù)據(jù)支撐,同時在軟硬件開發(fā)方面也做了大量工作[1]。目前,部隊核應急專業(yè)的教育培訓,以宣講理論教材和觀看音像為主,技術手段單一,有必要基于三維模擬仿真技術,研制開發(fā)具有一定人機交互能力的演示系統(tǒng),提高核應急處置的培訓效果。本文以某型裝備典型核事故為例,結合前期研究工作,從總體結構、技術要求、模塊設計等方面闡述了仿真演示系統(tǒng)開發(fā)過程,為部隊核應急工作提供有益參考。
某型裝備典型核事故仿真動態(tài)演示系統(tǒng)總體結構包括:典型核事故應急處置數(shù)據(jù)管理、裝備可視化展示、場景可視化展示、模擬操作演練四個模塊。
包括應急處置隊伍管理、裝備型號及數(shù)量、物資器材類型及數(shù)量;應急裝備戰(zhàn)技指標、使用方式管理;核事故序列特征數(shù)據(jù)管理,如放射性核素種類、氣溶膠濃度、地面沉積水平等。
包括應急裝備三維模型展示、戰(zhàn)技指標展示、使用方式展示等。
包括典型核事故場景設定、場景生成、序列特征數(shù)據(jù)融合、發(fā)生發(fā)展基本過程展示、序列特征數(shù)據(jù)查詢。
包括核事故情況報告查看;應急處置力量編組;處置建議查看;輻射偵測結果、個人所受劑量查看;應急處置調(diào)度、指揮合理性評價。
通過系統(tǒng)分析,考慮到大數(shù)據(jù)量的處理要求,兼顧開發(fā)和運維,采用ORACLE 作為后臺數(shù)據(jù)庫。由于OBJ、XML 的3D 文件格式較為通用,滿足多種軟件互導,因此裝備模型、地形地貌等數(shù)據(jù)采用上述格式。系統(tǒng)3D模塊采用DipperVR平臺開發(fā),兼容麒麟操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化計算機環(huán)境。系統(tǒng)支撐層以ORACLE 數(shù)據(jù)庫與DipperVR平臺為主,為運行提供底層技術支撐;接口層通過事故序列特征化數(shù)據(jù),得到所需動態(tài)展示的核素種類、濃度等數(shù)值;功能層包括對四大模塊的管理應用。圖1為系統(tǒng)總體結構。
圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 Main structure of the system
本系統(tǒng)的四大模塊按照功能具體要求可分為20個子模塊。圖2為功能模塊的詳細組成。
圖2 系統(tǒng)功能模塊的詳細組成Fig.2 System function module of the detailed composition
數(shù)據(jù)管理模塊可詳細分為7 個子模塊,具體名稱及功能描述見表1。
表1 數(shù)據(jù)管理子模塊的構成及功能描述Table 1 Data management submodule composition and function description
(1)處置隊伍管理子模塊可錄入,修改,查詢?nèi)藛T與裝備、器材、物資之間的配套關系;可錄入,修改,查詢輻射監(jiān)測、武器回收、去污洗消、污染壓制、綜合保障等人員隊伍情況。
(2)人員名單管理子模塊可錄入,修改,查詢?nèi)藛T名稱、聯(lián)系方式、專業(yè)等信息。
(3)裝備型號管理子模塊可錄入,修改,查詢裝備名稱、功能簡介、規(guī)格型號、運輸方式、數(shù)量、操作人數(shù)等裝備信息。
(4)物資器材管理子模塊可錄入,修改,查詢物資器材名稱、功能簡介、規(guī)格型號、運輸方式、數(shù)量、操作人數(shù)等物資信息;能夠上傳、查看教學資料及使用方式視頻等。
(5)裝備指標管理子模塊可錄入、修改裝備型號戰(zhàn)技指標信息,如尺寸、質量、功能要求、處置效能等。
(6)裝備使用方式管理子模塊能夠上傳、查看裝備教學資料及使用方式視頻。
(7)事故序列數(shù)據(jù)X 管理子模塊可導入、查詢事故序列數(shù)據(jù),包括放射性核素類型、氣溶膠濃度、γ 劑量率、事故點坐標、持續(xù)時間等信息。支持數(shù)據(jù)文件格式包括CSV、TXT、XML等。
單裝可視化展示模塊可詳細分為3 個子模塊,具體名稱及功能描述見表2。
表2 單裝可視化子模塊構成及功能描述Table 2 Single-loading visual submodule composition and function description
(1)裝備三維模型展示子模塊基于三維可視化環(huán)境,裝載、展示用戶選擇或指定的核應急裝備,包括裝備展開、重點操作部件的分解組合。能夠通過鼠標操作控制,實現(xiàn)對模型進行旋轉、放大、平移。圖3為核應急裝備設計模型。
圖3 核應急裝備設計模型Fig.3 Design model of nuclear emergency equipment
(2)裝備戰(zhàn)技指標展示子模塊能夠通過列表菜單快捷選擇要展示的裝備。對選中的裝備以文本形式并結合部件圖,展示整裝及重要部件戰(zhàn)技指標與主要功能。
(3)裝備使用方式展示子模塊基于三維模擬環(huán)境,構造典型應用裝備場景,對裝備基本操作進行展示。具體包括人員操作位置、操作方式、裝備機構動作、模擬應用場景的影響效果。
場景可視化展示模塊可詳細分為5 個子模塊,具體名稱及功能描述見表3。
表3 場景可視化子模塊構成及功能描述Table 3 Scene visualization submodule composition and function description
3.3.1 事故場景設定
結合三維模型技術發(fā)展情況,可產(chǎn)生不同目標的數(shù)據(jù)模型,包括體模型、表面模型、混合模型和面向對象模型。根據(jù)山區(qū)、平原、地下建筑等事故環(huán)境,采用邊界表示方法盡可能真實地設定事故場景三維模型,包括:山區(qū)峽谷、開闊平原、地下建筑;放射性污染物擴散軌跡;事故現(xiàn)場情況,如放射性部件散落分布范圍、裝備受損情況等。
3.3.2 事故場景生成
采用3DMax 建模工具對地形和各類獨立模型進行建模,生成網(wǎng)格數(shù)據(jù),通過貼圖完成模型制作。其中,地形網(wǎng)格通過植被貼圖完成地貌設定,人體模型通過骨骼綁定完成骨骼動畫制作,器材設備活動部分的關聯(lián)通過“約束”關系完成設定。以上數(shù)據(jù)采用Obj、Mesh、Metail等格式,均可導出為系統(tǒng)資源文件,供后續(xù)程序開發(fā)和使用。圖4為事故場景的地形網(wǎng)格。
圖4 事故場景的地形網(wǎng)格Fig.4 Accident scene terrain grid
3.3.3 事故序列特征數(shù)據(jù)融合
如何將事故序列特征數(shù)據(jù)融入場景進行分析與同步展示,是本系統(tǒng)設計的關鍵點。演示過程中,氣溶膠濃度、劑量分布數(shù)值的實時顯示,通過模擬計算給定的初始條件,對擴散過程進行近似推演,并根據(jù)空間坐標、時序逐一記錄數(shù)據(jù)。用Shader 編程實現(xiàn)擴散的實時仿真顯示,最終將圖片組按順序提交到顯存,以供展示使用。目前,氣溶膠濃度、劑量大小、環(huán)境溫度和擴散衰減系數(shù)能夠實現(xiàn)256個梯度的分布。
考慮到模擬的事故場景為瞬時污染源擴散,根據(jù)場景展示要求,以灰度圖構造參數(shù)圖片,多個參數(shù)的灰度圖復合為一張彩色圖片,完成初始條件設定。風可理解為所有污染源的整體水平位移,是仿真顯示的獨立參數(shù),運行時需單獨進行設定。Shader編程將圖片組按順序提交到顯存并以FeedbackBuffer 形式存儲,每個仿真周期調(diào)用一次Shader 腳本,結果以離屏渲染形式回存FeedbackBuffer。系統(tǒng)在展示污染過程時,根據(jù)空間點坐標讀取相應圖片數(shù)據(jù)即可滿足動態(tài)特征數(shù)據(jù)融合要求[2,3]。
3.3.4 事故發(fā)生發(fā)展過程展示
結合聲、光、色等特效,按時間、空間順序對事故動態(tài)過程與現(xiàn)象進行模擬展示。展示內(nèi)容包括以下兩個方面:
(1)事故場景粒子特效
粒子系統(tǒng)選取了許多形狀簡單的微小粒子作為基本元素,以表示不規(guī)則模糊物體。采用隨機過程控制粒子數(shù)量,確定粒子的初始隨機屬性,如初始運動方向、大小、顏色、透明度、形狀和生存期等,并可在粒子運動和生長過程中隨機改變這些屬性。粒子系統(tǒng)的隨機性使模擬不規(guī)則模糊物體變得較為簡便[4,5]。
本系統(tǒng)結合事故影響區(qū)域范圍,采用特定隨機函數(shù),實現(xiàn)重要粒子特效:爆炸特效,包括碎片、明火燃燒程度等;煙霧特效,包括濃度、籠罩范圍等;光照特效,包括自然光、燈光及物體對光的反射、陰影效果;氣象特效,包括不同方向的自然風條件;三維音效,如自然環(huán)境聲、爆炸聲、裝備器材發(fā)聲等[6]。
(2)事故進程及序列數(shù)據(jù)預測分析
粒子系統(tǒng)是擅長展示非固定形狀的物體,利用局部隨機函數(shù)來完成物體動態(tài)效果的展現(xiàn)。生成隨機函數(shù)時,結合序列數(shù)據(jù)實現(xiàn)粒子變化趨勢的有效控制,滿足展示效果與序列數(shù)據(jù)預測分析的一致性[7,8]。圖5為事故進程及序列數(shù)據(jù)預測分析流程。
圖5 事故進程及序列數(shù)據(jù)預測分析流程Fig.5 Accident process and sequence data prediction and analysis process
3.3.5 事故序列特征數(shù)據(jù)查詢
序列特征數(shù)據(jù)查詢方式的實現(xiàn)包括兩個方面:
(1)通過激光筆功能,實現(xiàn)一個可見的射線,用于查看激光找點的物體表面污染程度。
(2)通過可操作的儀表模型,顯示三維空間位置的核素種類、濃度等信息。該模型通過鼠標左鍵進行水平四個方向上的移動,通過右鍵進行垂直方向上的移動。在事故發(fā)生發(fā)展的任意時刻,均可使用上述查詢功能。
該部分所有功能均在三維環(huán)境下實現(xiàn)。對于事故動態(tài)演示,重點以事故序列數(shù)據(jù)成果為基礎進行全過程仿真模擬,觀察視角包括全景、第一人稱、第三人稱視角三類。該模塊共劃分為五個子模塊,具體名稱及功能描述見表4。
表4 模擬操作演練子模塊構成及功能描述Table 4 Simulated operation drill submodule composition and function description
(1)事故情況報告查看。展示事故發(fā)生時間、地點、原因、人員裝備受損情況、已采取的應急措施以及應急支援需求等。
(2)應急處置力量編組。根據(jù)應急處置方案,進行輻射偵測、污染壓制、去污洗消等隊伍分組及人員安排;對分隊進行任務籌劃和安排,分配裝備、器材物資種類和數(shù)量。與系統(tǒng)預案編組進行對比,考核編組的科學性與合理性[9]。
(3)應急處置開展。根據(jù)預設的處置流程,推演應急處置的執(zhí)行開展情況,具體包括人員撤離、人員防護、輻射偵測、污染壓制、去污洗消、部件回收等基本流程步驟。
(4)事故危害查看。實時查看預設事故區(qū)域范圍內(nèi)任意時間節(jié)點、任意位置的輻射偵測結果,查看應急處置人員受照劑量情況。
(5)處置合理性評價。針對當前模擬事故,提前確定標準處置作業(yè)流程,將操作者處置作業(yè)與之進行對比評估;預設事故關鍵參數(shù)與應急處置作業(yè)流程的參考標準,考察操作者所進行的處置作業(yè)的合理性[10]。
某型裝備在機動過程中,行進至山區(qū)峽谷位置發(fā)生意外,車體遭受強撞擊引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部炸藥爆炸,造成車輛損毀、大面積放射性污染擴散。現(xiàn)場任務單位快速啟動應急機制,進行人員隊伍編組、應急裝備物資分配,完成人員撤離、人員防護、輻射偵測、污染壓制、去污洗消、部件回收等流程作業(yè)。
根據(jù)事故特點,本系統(tǒng)流程作業(yè)展示如下。
(1)預設事故發(fā)生時間、地點、原因、應急支援需求等事故情況。根據(jù)設定條件,快速搭建事故區(qū)域地形地貌、環(huán)境特征,擺設車輛與相關裝備,生成事故周圍的三維場景。圖6 為系統(tǒng)登錄及三維場景界面。
圖6 系統(tǒng)登錄及三維場景界面Fig.6 System login and 3D scene interface
(2)模擬演示事故車輛發(fā)生爆炸起火,放射性煙云成形、擴散,裝備碎片殘骸紛飛等場景。事故發(fā)生后,系統(tǒng)顯示情況報告并請求應急支援;通過操作進行兵力編組,分為輻射偵測、封堵壓制、武器回收、洗消去污、安全警戒等行動組,并安排具體崗位。為各組人員分配應急裝備、物資器材,包括人員防護服、個人劑量儀、污染壓制車、洗消去污車等。圖7 為爆炸放射性煙云的形成與擴散。
圖7 爆炸放射性煙云的形成與擴散Fig.7 The formation and diffusion of explosive radioactive clouds
(3)模擬事故現(xiàn)場特定區(qū)域范圍內(nèi)的安全警戒,在演示系統(tǒng)中設置控制邊界。模擬應急滅火組進入現(xiàn)場進行火源控制,系統(tǒng)實時顯示經(jīng)過專用滅火設備處理后火情減輕的過程和效果。模擬輻射偵測組成員攜帶多功能射線監(jiān)測儀、α/β表面污染測量儀等設備進入現(xiàn)場進行偵測。結合導入的事故序列特征數(shù)據(jù),查看事故范圍內(nèi)任意坐標點的輻射類型、劑量大小,標定不同程度的污染區(qū)。模擬回收組對爆炸裝備碎片進行回收。模擬洗消去污組對人員、車輛進行簡易洗消。圖8為事故現(xiàn)場的輻射偵測與安全警戒。
圖8 事故現(xiàn)場的輻射偵測與洗消去污Fig.8 Radiation detection and decontamination at accident site
(4)在具體操作中,針對當前所模擬的事故,提前確定標準應急處置作業(yè)流程,將操作者所進行的處置作業(yè)與之對比并評估;預設事故關鍵參數(shù)與應急處置作業(yè)流程的參考標準,考察操作者所進行的處置作業(yè)的合理性。
本系統(tǒng)結合部隊核應急業(yè)務需求,采用仿真再現(xiàn)技術手段,根據(jù)某型裝備典型核事故序列研究成果,對放射性污染擴散過程進行近似推演,實現(xiàn)動態(tài)展示核事故發(fā)生發(fā)展歷程、放射性傳播擴散過程、人員所受危害、陣地沾染程度和影響范圍、先期應急處置建議與方法等,拓展了典型核事故應急處置培訓手段,提高了應急處置實戰(zhàn)化訓練效果。后續(xù),將結合部隊的訓練使用,完善固化相關技術成果。