李 磊，孫小麗，李智臨，趙祥迪

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 2661042.山東省濟(jì)南市安全生產(chǎn)監(jiān)察支隊(duì)，山東濟(jì)南 250000)

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，基于事故模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已應(yīng)用到事故應(yīng)急培訓(xùn)與演練中，通過模擬事故場景進(jìn)行應(yīng)急處置培訓(xùn)與演練，提高救援人員的應(yīng)急處置能力。Manca基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的訓(xùn)練方案，將動態(tài)過程模擬機(jī)與動態(tài)事故模擬機(jī)互連，以培訓(xùn)操作人員對事故應(yīng)急情況做出有效反應(yīng)。Kwok基于信息和通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和離散事件模擬技術(shù)，研究能夠再現(xiàn)大規(guī)模、多機(jī)構(gòu)突發(fā)事件的危險模擬系統(tǒng)；Cha在CFD模擬的基礎(chǔ)上，開發(fā)了火災(zāi)模擬訓(xùn)練器，能夠計算各種難以確定的變量，如有毒氣體、熱量等，并提出了一種直觀體驗(yàn)火災(zāi)危險環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練和評估的方法。Garcia研發(fā)了面向油氣田安全培訓(xùn)的設(shè)備調(diào)試、校準(zhǔn)和安裝的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。陳艷芳提出了基于虛擬技術(shù)的核電站核應(yīng)急輔助系統(tǒng)的開發(fā)方法，開發(fā)了一套可用于核應(yīng)急演習(xí)場景設(shè)計及核應(yīng)急場景三維動態(tài)展示的輔助系統(tǒng)。劉敦文基于建構(gòu)主義安全培訓(xùn)理論，以3Dmax和Unity3D技術(shù)手段，構(gòu)建隧道火災(zāi)應(yīng)急救援培訓(xùn)系統(tǒng)?；诖耍怨迏^(qū)的溫度場為例，討論了災(zāi)害場中的關(guān)鍵問題，開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴技術(shù)的應(yīng)急處置仿真系統(tǒng)，提升了消防應(yīng)急訓(xùn)練的真實(shí)感和交互性。

1 災(zāi)害場及人員傷害仿真建模方法

1.1 事故火災(zāi)場景模擬構(gòu)建

由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開發(fā)火災(zāi)動力學(xué)模擬工具(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)是計算流體力(Computational Fluid Dynamics，CFD)的一種模型，可以模擬火的能量驅(qū)動流體流動。通過應(yīng)用該軟件對單個不同直徑儲罐進(jìn)行三維虛擬建模，計算區(qū)域?yàn)?00 m×200 m×40 m的空間。選擇輕質(zhì)油儲罐為研究對象，設(shè)定20～100 m直徑情況下的儲罐火災(zāi)，計算其在不同等級風(fēng)速情況下的模擬工況，圖1、圖2和圖3分別給出了不同風(fēng)級情況下，儲罐直徑及救援人員安全距離對照，從圖中可以看出：不同傷害區(qū)域的變化隨著儲罐直徑的增加而增加，但是其趨勢并非嚴(yán)格的呈線性分布。在距地面距離2.5 m處的無風(fēng)、三級風(fēng)、四級風(fēng)情況下的應(yīng)急距離分布趨勢呈指數(shù)變化，而罐頂高度位置處的分布大體趨勢呈線性。

圖1 無風(fēng)情況下輕質(zhì)油儲罐輻射熱安全距離與儲罐直徑關(guān)系(FDS模型)

圖2 三級風(fēng)(4 m/s)情況下輕質(zhì)油儲罐輻射熱安全距離與儲罐直徑關(guān)系(FDS模型)

圖3 四級風(fēng)(8 m/s)情況下輕質(zhì)油儲罐輻射熱安全距離與儲罐直徑關(guān)系(FDS模型)

以上測得數(shù)據(jù)為不同風(fēng)級情況下，儲蓄罐直徑及救援人員安全距離對照結(jié)果數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立不同風(fēng)級下救援人員的安全距離模型，并作為最后感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.2 人員傷害仿真建模

傷害模型能夠計算應(yīng)急人員、應(yīng)急裝備在災(zāi)害場中受到的傷害及由該傷害引起的損傷情況。以應(yīng)急人員在罐區(qū)火災(zāi)事故現(xiàn)場為例，研究建立傷害模型的方法，并在其基礎(chǔ)上探討了體感防護(hù)服設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。高溫作業(yè)防護(hù)服是特殊定制服裝，通常采用特殊材質(zhì)的多層織物材料制作。最外層與環(huán)境接觸的部分采用防火布，不但耐火，而且可以對輻射熱有較好的阻隔作用，有耐火隔熱的安全性能；防火布表層里是多層組合織物，有較好的阻燃性、強(qiáng)力性能和抗輻射滲透性能，這樣做出的防熱服具有很好的抗熱性、阻燃防火及經(jīng)久不變等特點(diǎn)。

應(yīng)急處置人員身著防護(hù)服暴露在火災(zāi)現(xiàn)場，需要建立“環(huán)境-防護(hù)服-人體”模型來展現(xiàn)應(yīng)急人員受到的傷害情況?；鹧嫱ㄟ^輻射熱傳遞方式作用于防護(hù)服外表面，進(jìn)入防護(hù)服內(nèi)部的熱量會在防護(hù)服的多層織物之間進(jìn)行熱量傳遞，傳導(dǎo)方式為熱傳遞，假定防護(hù)服的各層織物的物理特性不會變化，同時簡化建模，假定各層織物的比熱和熱傳導(dǎo)率也不會發(fā)生變化，則可以建立傳導(dǎo)方式的熱傳遞模型。防護(hù)服和人體皮膚之間還有空氣層，因此防護(hù)服最內(nèi)層和人體皮膚之間熱傳遞方式又變化為熱輻射方式。

依據(jù)上述的“環(huán)境-防護(hù)服-人體”模型分析，建立防護(hù)服模型，步驟如下。

a) 建立輻射模型。應(yīng)急人員在火場中，防護(hù)服的受熱方式為輻射熱，不考慮人員的身體形態(tài)變化，計算時認(rèn)為人體以固定面積受輻射熱影響。在前人的研究中，不同文獻(xiàn)對人體的有效輻射面積用不同方法進(jìn)行了測試，根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將防護(hù)服的有效輻射面積設(shè)置為0.9 m。在發(fā)生火災(zāi)后，火焰的形態(tài)為一個柱體，將過火面積等效為圓形，則可以將該柱體等效為一個圓柱體。

三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)傳回應(yīng)急人員當(dāng)前所在的坐標(biāo)位置

P

，火焰中心點(diǎn)所在位置為

P

，身穿防護(hù)服的應(yīng)急人員受到火焰輻射受到的輻射熱：

Q

,=

FE

A

(1)

式中：

Q

,——熱輻射，J·m；

F

——角系數(shù)；

E

——輻射熱的能量，J；

A

——被輻射物體受輻射面積，m。b) 計算不同織物層間的熱傳導(dǎo)。進(jìn)入防護(hù)服的熱量，在防護(hù)服的多層織物之間傳導(dǎo)熱量，假定防護(hù)服內(nèi)層的各層織物的比熱和熱傳導(dǎo)率都是相同的。計算時將防護(hù)服內(nèi)部織物分為

n

層，設(shè)定每層的厚度都是相同的。從最外層的

T

溫度，經(jīng)過每層織物后都會有溫度降低，如圖4所示。

圖4 多層平壁熱傳導(dǎo)

防護(hù)服的總熱量計算方法如下：

(2)

式中：

ΔT

——兩層之間的溫差，℃(或K)；

λ

——為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

A

——為傳熱面積，m；

δ

——為壁面厚度，m；

Q

——為熱流量，W。c) 計算防護(hù)服內(nèi)層溫度。應(yīng)急人員防護(hù)服表面接受到的輻射熱是

Q

,，防護(hù)服表面溫度為

T

，則內(nèi)層第

n

層的溫度從上式進(jìn)行反推，可以得到：

(3)

d) 計算受訓(xùn)者健康值。人體皮膚溫度超過44 ℃后，就可能對皮膚組織產(chǎn)生灼傷，隨著灼傷時間的延長，皮膚組織破壞深度和組織壞死程度會逐漸嚴(yán)重。由于人的皮膚與衣物接觸之間的空隙很小，忽略防護(hù)服內(nèi)側(cè)與皮膚之間的熱對流和熱輻射，認(rèn)為皮膚表層溫度等于防護(hù)服最內(nèi)側(cè)的溫度。

計算得到的

T

發(fā)送給防護(hù)服，防護(hù)服驅(qū)動加熱片進(jìn)行加熱，讓用戶有灼熱的感覺。傳送的防護(hù)服設(shè)定溫度上限為40 ℃，保護(hù)受訓(xùn)者不受傷害。當(dāng)

T

的值超過44 ℃后，人體的健康狀況將會受到影響。仿真模型設(shè)定了健康報警值，當(dāng)

T

的值超過44 ℃，報警值設(shè)定為1，防護(hù)服上的報警指示燈閃爍提醒受訓(xùn)者。當(dāng)

T

的值超過44 ℃后，系統(tǒng)會計算人體所受傷害值

D

，高溫環(huán)境會對人體產(chǎn)生熱負(fù)荷，人體所受的傷害值

D

為不同程度的熱負(fù)荷對人體造成的傷害程度。如可用熱應(yīng)力指數(shù)(

HSI

)來進(jìn)行簡單的表示。

HSI

是根據(jù)在給定的熱環(huán)境中作用于人體的外部熱應(yīng)激、不同活動量下的新陳代謝產(chǎn)熱率及環(huán)境蒸發(fā)率等的理論計算而提岀的，其計算公式如為：

(4)

式中：

E

——人體維持熱平衡所需的蒸發(fā)散熱量，J；

E

——為人體最大蒸發(fā)散熱量，J。計算傷害值

D

是為了在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中給受訓(xùn)者警示作用。

2 虛實(shí)結(jié)合的事故應(yīng)急演練與實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

在應(yīng)急處置演練和實(shí)訓(xùn)過程中，讓應(yīng)急人員直接感受在現(xiàn)場才有的溫度感覺，不但提高受訓(xùn)者的體驗(yàn)感，而且克服自身恐懼感。

2.1 可穿戴溫控體感防護(hù)服

對于可穿戴式溫控體感防護(hù)服定量描述系統(tǒng)來說，其為應(yīng)急人員提供感受事故應(yīng)急救援現(xiàn)場溫度的體驗(yàn)服，使其在三維虛擬火災(zāi)場景體驗(yàn)到火災(zāi)溫度的感覺，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急人員能與虛擬現(xiàn)實(shí)場景中人員同步感受火災(zāi)現(xiàn)場的氛圍。應(yīng)急人員身穿定制體感防護(hù)服，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中接近火源時，虛擬現(xiàn)實(shí)主機(jī)將消防人員與火源的距離通過高速并行串口通知加熱核心控制模塊，加熱核心控制模塊控制熱源的發(fā)熱量，使操作人員靠近火源時感受到防護(hù)服溫度上升。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中當(dāng)消防人員遠(yuǎn)離火源時，虛擬現(xiàn)實(shí)主機(jī)通知核心控制模塊，控制冷卻裝置向防護(hù)服中送入冷空氣，溫度實(shí)時檢測反饋模塊確保消防員遠(yuǎn)離火源，防護(hù)服中的溫度降低，可穿戴溫控體感防護(hù)服設(shè)計時序如圖5所示。

圖5 可穿戴溫控體感防護(hù)服設(shè)計時序示意

圖5中，用戶、防護(hù)服和虛擬場景三者之間相互交映，首先用戶穿戴防護(hù)服并連接設(shè)備，同時在場景中觸發(fā)距離感應(yīng)；然后計算機(jī)將距離觸發(fā)感應(yīng)信號實(shí)時傳遞給消防防護(hù)服的電路系統(tǒng)，對感應(yīng)電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化；最后，穿戴體感防護(hù)服的用戶能夠感受到真實(shí)熱量變化。

溫控體感防護(hù)服采用面向可穿戴設(shè)備的混合溫控技術(shù)，其主控系統(tǒng)核心為STM32F407高速嵌入式運(yùn)算平臺，采用ST公司的STM32系列處理器，能夠快速響應(yīng)溫度反饋信號，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，同時集成高速串行數(shù)據(jù)傳輸模塊，能夠滿足虛擬場景的大數(shù)據(jù)量傳輸吞吐需求，溫控體感式防護(hù)服整體效果如圖6所示。

圖6 溫控體感式防護(hù)服

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴式應(yīng)急演練與實(shí)訓(xùn)

根據(jù)危險化學(xué)品事故特點(diǎn)和應(yīng)急處置業(yè)務(wù)需求，將系統(tǒng)整體架構(gòu)分為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、顯示單元、位置捕捉單元和體驗(yàn)設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 多感知式應(yīng)急處置方案推演與演練整體結(jié)構(gòu)

選擇某特大型煉化企業(yè)輕油罐區(qū)為研究對象，罐區(qū)占地面積約320 000 m，包括大小儲罐52座，結(jié)構(gòu)形式分為拱頂罐、內(nèi)浮頂、外浮頂3種。虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴式應(yīng)急演練與實(shí)訓(xùn)流程如圖8所示，根據(jù)罐區(qū)和裝置生產(chǎn)場景真實(shí)場景，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子平臺，利用3DS Max軟件建立應(yīng)急預(yù)案推演所需三維場景，三維場景數(shù)據(jù)和設(shè)計尺寸按1∶1比例構(gòu)建，主要包括石化罐區(qū)應(yīng)急資源和地理信息等三維數(shù)字虛擬模型。將三維數(shù)字虛擬模型導(dǎo)入基于VC++和OpengGL開發(fā)的三維引擎，實(shí)現(xiàn)危險化學(xué)品場景和事故應(yīng)急處置過程的三維可視化，在應(yīng)急演練和實(shí)訓(xùn)過程中，應(yīng)急人員使用可穿戴式與可操作實(shí)體裝備，建立與虛擬現(xiàn)實(shí)場景融合的多感知環(huán)境。應(yīng)急人員通過穿戴溫控體感防護(hù)服，能與虛擬現(xiàn)實(shí)場景中虛擬人同步感受火災(zāi)事故現(xiàn)場的氛圍。在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，當(dāng)應(yīng)急人員接近火災(zāi)時，系統(tǒng)動態(tài)實(shí)時的根據(jù)人員與火災(zāi)的坐標(biāo)判斷兩者間距離，根據(jù)距離系統(tǒng)給出人員所感受到的熱輻射值，虛擬現(xiàn)實(shí)主機(jī)通過高速并行串口通知加熱或冷卻控制模塊調(diào)整防護(hù)服溫度，給應(yīng)急人員帶來身臨其境的狀態(tài)。通過該虛實(shí)交互的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，能夠真實(shí)有效地減少應(yīng)急人員的傷害程度。

圖8 虛擬現(xiàn)實(shí)可穿戴式應(yīng)急演練與實(shí)訓(xùn)流程

3 結(jié)論

本文結(jié)合罐區(qū)災(zāi)害場建模方法，以儲罐區(qū)火災(zāi)事故為研究對象，建立了儲罐火災(zāi)的災(zāi)害場流體動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立了火災(zāi)災(zāi)害場對周圍物體的傷害模型，通過對防護(hù)服進(jìn)行建模，分析計算了災(zāi)害場對人體傷害的程度。最后，提出了一種體感式防護(hù)服制作方法，通過電加熱裝置讓使用者身穿該防護(hù)服感知火災(zāi)事故現(xiàn)場，為受訓(xùn)者營造多感知、多維度仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境，通過貼近實(shí)際的應(yīng)急處置操作，增加危險化學(xué)品火災(zāi)場景應(yīng)急訓(xùn)練場景的真實(shí)感和體驗(yàn)感，提高了應(yīng)急訓(xùn)練效果。