船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究*

任鴻翔 金一丞 尹 勇

(大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真與控制交通部重點實驗室1) 大連 116026)

(浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室2) 杭州 310058)

目前的船舶消防訓(xùn)練大都是在真實環(huán)境中進行,不僅花費大、污染環(huán)境,而且危險性很大.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)者已開始對船舶火災(zāi)的模擬訓(xùn)練進行研究.美國海軍實驗室1999年通過數(shù)學(xué)模型并運用信息技術(shù)與探測系統(tǒng),發(fā)展了一種火災(zāi)撲救決策系統(tǒng),該實驗室還研究了用于訓(xùn)練消防員的虛擬環(huán)境[1].國內(nèi)對船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練的研究還處于起步階段[2-4],對其中的一些關(guān)鍵技術(shù)仍需要做進一步的深入研究.

本文在船舶操縱模擬器的基礎(chǔ)上,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、可視化技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)對船舶火災(zāi)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進行了研究,分析了系統(tǒng)的組成及各模塊的作用,對船舶火災(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)計思想,系統(tǒng)由1個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)練單元的計算機均采用高性能微機,微機間通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié).整個系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)實際情況靈活配置.

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、船舶運動模塊、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,對整個訓(xùn)練過程進行監(jiān)控和調(diào)度,并進行數(shù)據(jù)的實時記錄,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)回放和分析評判 讀取各信息數(shù)據(jù)并進行回放,根據(jù)訓(xùn)練時記錄下的用戶操作順序、狀態(tài)等信息對其相應(yīng)業(yè)務(wù)能力進行評判.

1.2 火災(zāi)蔓延模塊

火災(zāi)蔓延模塊是整個船舶火災(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)量濃度隨時間的變化情況等,并在此基礎(chǔ)上對全船的火災(zāi)危險性進行評估.

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,對于近海船舶火災(zāi)故事,消防艇可及時到達現(xiàn)場并采用相應(yīng)措施(如使用消防水槍)進行撲救.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,自動檢測起火點的位置并進行監(jiān)測,當(dāng)火焰高度達到一定閾值時就會啟動水噴淋系統(tǒng)進行滅火.

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,將之移動到距火源的有效距離內(nèi),啟動開關(guān)進行滅火.虛擬滅火器的位置、開關(guān)動作、持續(xù)時間等信息作為參數(shù)輸入到火災(zāi)蔓延模型中,計算并模擬滅火過程.

1.4 船舶運動模塊

該模塊主要是指船舶的三維運動模型,可模擬不同種類、不同噸位的實船模型.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動的各種效應(yīng),主要有 :主機、舵 、側(cè)推器、纜、錨等的控制;風(fēng)、流等環(huán)境對船舶的作用;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,需從控制機制、真實感以及實時性三個方面對火焰燃燒進行仿真.

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,場區(qū)、區(qū)網(wǎng)等混合模型將會得到越來越廣泛的應(yīng)用.

場模型是通過計算狀態(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)展過程的細節(jié),但計算量較大.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的特性,并可通過較粗的計算網(wǎng)格劃分來減少數(shù)值模擬的巨額計算量.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個控制體:上層煙氣層和下層空氣層),同時假定各個控制體內(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 該模型既要滿足計算機實時計算的能力,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)點和適用領(lǐng)域.船舶的艙室較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對于船舶的每個艙室都應(yīng)用場模型模擬火災(zāi)過程,需要巨大的計算量,遠遠超出了現(xiàn)有計算機的能力,即使是區(qū)域模型,其計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,而通過對船舶的實驗研究表明: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).對船舶著火艙室采用場模型中的大渦模擬技術(shù)進行研究,以獲得著火艙室火災(zāi)發(fā)展過程的詳細參數(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)域模型對其進行研究,構(gòu)造出區(qū)域的狀態(tài)參量和高度變化.將遠離著火位置的艙室視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,選用網(wǎng)模型,計算節(jié)點狀態(tài)參量隨時間的變化.

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,要重點研究大渦模擬技術(shù),在保證模擬精度的同時提高模擬速度.考慮火災(zāi)場的流動屬低馬赫數(shù)弱可壓浮力流,可采用適合描述該類流動的修正的N-S方程組,在離散濾波后的方程組時,時間項的離散采用顯式的二階精度Runge-Kutta格式,空間項的離散采用二階精度的中心差分格式.對于大渦模擬的燃燒模型,采用層流擴散火焰理論和快速反應(yīng)假定.對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均勻參數(shù)來表示,因此對于遠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)生的同時會伴隨著火焰的燃燒,火焰具有實時的多變性和不規(guī)則性,無法進行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述,如何對火焰進行仿真是計算機圖形學(xué)中的熱點和難點問題之一.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,占用計算機資源較少,但人工痕跡較明顯,難以表現(xiàn)動態(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節(jié),且實現(xiàn)簡便,適用于對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),對火焰的運動變化進行合理的計算,可逼真地模擬火焰燃燒的過程,但該方法計算過于復(fù)雜,其連續(xù)性求解超出了現(xiàn)有計算機的能力.

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船舶航行或停泊時的周圍環(huán)境的模擬;船舶自身場景的仿真需要對船舶進行建模;火焰燃燒場景的仿真是對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.

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),從理論上對火焰的運動變化進行合理的計算,比較真實地再現(xiàn)了火焰燃燒的物理過程.所以,這種方法對火焰的運動變化控制得比較精確,也最能體現(xiàn)火焰場景的豐富細節(jié).物理模型方法的核心是流體動力學(xué)方程,其連續(xù)性求解對于現(xiàn)階段計算機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行仿真是不現(xiàn)實的.而其他2種火焰仿真方法也有一定的特點:粒子系統(tǒng)方法實現(xiàn)簡單,能表現(xiàn)一定的燃燒場景和燃燒細節(jié),并可用隨機過程對模擬火焰進行控制;紋理技術(shù)方法如果運用得當(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感.因此,可以對距離視點較近的火焰采用物理模型方法仿真,而對于距離視點較遠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感,又提高了繪制的實時性.

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的各項先進特性,為船舶火災(zāi)場景仿真提供了良好的平臺.利用LBM并行性好的特點,運用圖形處理器強大的并行處理能力可對LBM計算過程進行加速;運用GPU的幾何著色器技術(shù)可以增強粒子系統(tǒng)方法繪制火焰的速度與效果;運用高動態(tài)范圍技術(shù)可模擬火焰燃燒時昡目刺眼的效果.

3 結(jié) 論

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

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,實現(xiàn)精度與效率的較好統(tǒng)一.

3)對火災(zāi)場景仿真進行研究,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制的真實感與實時性,實現(xiàn)船舶火災(zāi)場景的仿真.

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