摘 要： 以應急預案為藍本，以災害模型為理論依據(jù)，以3D場景為平臺建立了基于3D網(wǎng)絡游戲引擎的應急演練系統(tǒng)。采用基于細胞自動機的災害擴散模型和基于勢函數(shù)的滅火流程等技術，實現(xiàn)了災害場景編輯、突發(fā)事件注入、事件接報、事件分析研判、決策標繪、演練執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集及演練總結等一系列應急演練流程。
關鍵詞： 3D網(wǎng)絡游戲引擎；應急演練；細胞自動機；勢函數(shù)；災害模型
真實應急演練存在成本高、風險大和不能循環(huán)利用等缺點，構建虛擬應急演練成為當前應急演練的一個趨勢[1]。虛擬應急演練是基于信息技術模擬真實演練的系統(tǒng)，目標是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的崗位培訓和應急指揮的決策支持。目前，虛擬應急演練系統(tǒng)主要基于數(shù)據(jù)庫技術和地理信息技術的決策支持，隨著虛擬現(xiàn)實技術的逐漸成熟，以分布式虛擬環(huán)境[2-3]為基礎的應急演練系統(tǒng)逐步成為市場關注的熱點[4]。
由于網(wǎng)絡游戲具有協(xié)同性和實時性等特點，采用網(wǎng)絡游戲引擎實現(xiàn)應急演練系統(tǒng)成為可能。徐守祥[5]等以火災軟件模型和數(shù)字城市為基礎，針對消防演練和火災科學研究的虛擬現(xiàn)實應用，提出了基于3D網(wǎng)絡游戲引擎的消防虛擬現(xiàn)實體系結構。賀日興[6]等基于游戲引擎技術實現(xiàn)了地鐵3維虛擬演練系統(tǒng)。SMITH S P[7]認為第一人稱射擊類游戲FPS（First Personal Shooter）非常適合建立演練環(huán)境，率先提出使用計算機游戲開發(fā)建立虛擬環(huán)境快速原型的思想，并以此方法于2009年建立了火災撤離訓練演示系統(tǒng)[8]。這些系統(tǒng)大都關注角色的技能培訓方面，如消防員如何訓練滅火流程。為了滿足應急演練過程中應急指揮和部門間的協(xié)同配合需要，本文在3D網(wǎng)絡游戲引擎和災害仿真技術基礎上，根據(jù)應急預案處置流程搭建出應急演練系統(tǒng)。
細胞自動機被廣泛用于火災蔓延過程[9]，黃光球[10]等提出了基于細胞自動機模型的地下礦火災發(fā)生時火災在巷道網(wǎng)絡系統(tǒng)中蔓延的可視化仿真方法，孟曉靜[11]等構建了基于細胞自動機的城市地震次生火災蔓延概率模型。這些研究都是根據(jù)災害場景特點進行建模，沒有結合災害模型進行討論。本文將細胞自動機和災害模型相結合實現(xiàn)火災蔓延過程。
1 系統(tǒng)框架及功能模塊
本應急演練系統(tǒng)基于Torque 3D游戲引擎設計。系統(tǒng)功能可分成8個子系統(tǒng)，其總體結構框圖如圖1所示。其中，角色子系統(tǒng)包含演練所涉及角色，包括客戶端控制類和AI類，客戶端控制類包括各參演單位的領導、工作人員領隊、演練編導和演練指揮領導等；而AI類角色則包括各參演單位的工作人員。粒子特效子系統(tǒng)管理場景所涉及粒子系統(tǒng)包括煙霧、毒氣、火和噴射水等。在這些子系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)應急演練的邏輯功能。
（1）場景編輯模塊
該模塊的功能是布置演練場景，包括設置演練天氣及其變化情況、災害模型、參演單位及人數(shù)、設備配置和受災場地布局等。其中，天氣變化情況設置風力和風向變化情況，災害模型通過傳入的外界作用參數(shù)根據(jù)模型進行演化。
（2）災害產(chǎn)生及蔓延模塊
該模塊主要根據(jù)災害數(shù)學模型，采用細胞自動機機制模擬出災害產(chǎn)生及蔓延過程，參見本文第2節(jié)。
（3）事件接報模塊
本模塊功能為應急辦工作人員接報警及上報事件，該模塊角色應能根據(jù)事態(tài)發(fā)展生成事態(tài)報告，實時匯報給決策者。
（4）事件分析研判模塊
專家領導根據(jù)匯報的事態(tài)，結合現(xiàn)場視頻，對事態(tài)走勢進行分析，包括天氣情況、救援隊伍及救援情況、災害影響分析和場地分析等，最終得出研判報告。
（5）決策標繪模塊
應急指揮領導根據(jù)研判報告進行決策，各參演單位根據(jù)決策結果在場景中進行標繪。
（6）演練執(zhí)行模塊
決策標繪完成后進入演練執(zhí)行模塊，該模塊提供參演單位角色之間的對話通信功能，各參演單位根據(jù)標繪結果展開救援。涉及的技術點包括施救方案（如消防員如何滅火，如何營救被困人員，醫(yī)護人員如何現(xiàn)場救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等。
（7）數(shù)據(jù)采集模塊
系統(tǒng)實時采集場景數(shù)據(jù)，跟蹤災害事態(tài)變化。采集的信息包括現(xiàn)場被困人員情況、災害覆蓋范圍、現(xiàn)場救援情況和環(huán)境數(shù)據(jù)等，以供專家、領導進一步研判和決策。該模塊也為演練總結、處置預案生成等提供手段。
（8）事件注入模塊
事件注入包括人為注入事件和捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入，人為注入事件是指編導角色在演練過程中改變場景的某些設置（如演練前為晴天，在演練進行中改為雨天，風力改變等）以及指派某一突發(fā)事件等。而捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入是指通過傳感設備采集到的外界數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)預處理，轉(zhuǎn)換成場景內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，如外界溫度、濕度、風力、風向等。
（9）演練總結模塊
演練結束后進行總結，總結的內(nèi)容包括根據(jù)應急預案的處置流程對參演單位進行評估考核，檢驗參演單位對突發(fā)事件的應急處理能力和協(xié)同配合能力。
目標接收的熱通量q（r）刻畫了池火所產(chǎn)生的熱輻射對周圍物體的影響，目標距離池火越近，其接收的熱通量將越多，受到的傷害也將越大。目標接收熱通量的計算公式為：
q（r）=q0V（1-0.058lnr）（2）
其中，r為目標到池火中心的水平距離，V為目標的視角系數(shù)。
在本演練系統(tǒng)中，通過將式（2）與演練設置的相關參數(shù)（如儲罐存儲液體類型、儲罐儲量、儲罐泄漏量、人員距離池火的水平距離）相結合，確定儲罐池火的熱輻射對位于不同距離之外事物的影響程度，并以直觀的形式在演練場景中進行表現(xiàn)，并以此作為后續(xù)災害蔓延和撲救依據(jù)。
（1）在池火的表面熱通量與場景池火的火焰粒子系統(tǒng)之間建立數(shù)學映射關系，通過對火焰粒子系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整，模擬火勢的大小與火勢的動態(tài)變化。
（2）根據(jù)目標接收的熱通量，將池火的影響范圍劃分為死亡、重傷、輕傷和安全4個范圍，并在演練場景中通過不同顏色的圓圈進行標識。系統(tǒng)根據(jù)火勢發(fā)展，對池火的上述影響范圍進行動態(tài)更新，幫助參與演練者及時掌握火勢的發(fā)展情況。
2.2 基于細胞自動機模擬災害蔓延及傷害模型
對于災害蔓延過程，將場景中事故涉及點分為多個相互連通的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格根據(jù)其燃燒特性（如物品的易燃情況）排放細胞出生點，結合環(huán)境因素確定細胞自動機的動力演化方程，將這些方程轉(zhuǎn)換到3D引擎中粒子系統(tǒng)的參數(shù)中，生成相應的粒子系統(tǒng)蔓延過程。
細胞自動機一般由細胞空間、細胞的狀態(tài)空間、細胞鄰居及局部演化規(guī)則4部分組成[11]，可用一個四元組（Ld，S，V，f）表示。其中，Ld為細胞空間，d為細胞空間的維數(shù)；S為細胞的有限狀態(tài)集；V表示一個所有鄰域內(nèi)細胞的組合；f表示細胞自動機的動力演化方程，該演化方程是根據(jù)細胞當前狀態(tài)及其鄰居狀態(tài)確定下一時刻該細胞狀態(tài)的演化規(guī)則。
對于池火災模型而言，考慮到易燃液體的存儲布局，災害蔓延可在二維平面模擬，因而只需考慮二維CA模型，即d=2。二維CA模型的細胞空間拓撲結構采用平面方形網(wǎng)格，每個網(wǎng)格代表一個CA模型的細胞，每個細胞定義為Cij，整個細胞空間定義為：
L2={Cij|i，j∈{0，1，2，…，N}}（3）
通常二維細胞自動機考慮兩種鄰域：一種是Von Neumann鄰域，由一個中心細胞和4個位于其東西南北方位的細胞組成；另一種是Moore鄰域，它還包括次鄰近的位于東北、西北、東南和西南方位的4個細胞。對于位置為（m，n）處的細胞，V的取值組合如表1所示。
（1）災害蔓延過程
對于災害蔓延過程的細胞自動機而言，S只有{0，1}兩種狀態(tài)，其中0表示沒有起火，1表示起火。起火后，火勢大小只與該細胞自身因素和環(huán)境因素有關，而與周邊的火勢無關。
根據(jù)式（2），災害蔓延的動力演化方程可表示為：
3 結果展示
根據(jù)上述功能，本文實現(xiàn)了基于3D網(wǎng)絡游戲引擎的應急演練系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬的部分結果如圖4所示。其中圖4（a）、圖4（b）為災害產(chǎn)生及蔓延模塊。采用細胞自動機模擬災害蔓延及傷害過程，對于災害蔓延過程，i、j取值采用Von Neumann鄰域，設定儲罐起火閾值，當接收相鄰儲罐的熱通量達到閾值時，該儲罐起火。同樣，設定在場人員的輕傷、重傷和致命傷害的傷害閾值，當接收儲罐的熱通量達到對應閾值時，人員就進入相應的傷害狀態(tài)。圖4（c）為演練執(zhí)行模塊，實現(xiàn)了基于勢函數(shù)的滅火流程。
與其他虛擬應急演練系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)由于實現(xiàn)了場景編輯和突發(fā)事件功能，因而適用范圍更廣，更能體現(xiàn)應急演練的效果。同時，本系統(tǒng)以應急預案和災害模型為依據(jù)，更具有科學性。下一步將考慮與GIS相結合，實現(xiàn)對真實災害場景的模擬與標繪，使系統(tǒng)能夠進一步實用化。
參考文獻
[1] 叢北華，廖光煌，韋亞星.計算機模擬在火災科學與工程研究中的應用[J].防災減災工程學報，2003，23（2）：63-69.
[2] STYTX M. Distributed virtual environment[J]. IEEE Computer Graphics and Application， 1996， 16（3）：19-31.
[3] 潘志庚，姜曉紅，張明敏，等．分布式虛擬環(huán)境綜述[J]. 軟件學報， 2000， 11（4）：461-467.
[4] 李建微，陳崇成，唐麗玉.協(xié)同森林滅火演練系統(tǒng)的實現(xiàn)及其關鍵技術研究[J].計算機仿真，2005，22（1）：170-174.
[5] 徐守祥，梁永生，劉曉東.基于火災模型的消防虛擬現(xiàn)實體系結構[J].系統(tǒng)仿真學報，2009，21（1）：255-258.
[6] 賀日興，李家龍，董紅路，等.基于游戲引擎技術的地鐵3維虛擬演練系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)[J].地理信息世界，2008（3）：48-53.
[7] TRENHOLME D， SMITH S P. Computer game engines for developing first-person virtual environments[J]. Virtual Reality， 2008（12）：181-187.
[8] SMITH S P， TRENHOLME D. Rapid prototyping a virtual fire drill environment using computer game technology[J]. Fire Safety Journal，2009，44（4）：559-569.
[9] HERNA’ A， NDEZ， ENCINAS， et al． Simulation of forest fire fronts using cellular automata[J]. Advances in Engineering Software， 2007（38）： 372-378.
[10] 黃光球，汪曉海，陳惠明.基于細胞自動機的地下礦火災蔓延仿真方法[J]．系統(tǒng)仿真學報，2007，19（1）： 201-205.
[11] 孟曉靜，楊立中，李健.基于細胞自動機的城市區(qū)域火蔓延概率模型探討[J]．中國安全科學學報，2008，18（2）：28-33.
[12] 李俊侃.海南省重大危險源研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.