王軍 王衛(wèi)宏 姜瑋
摘 ?要: 為了提高實(shí)驗(yàn)室安全管理和監(jiān)控力量,提供安全穩(wěn)定的科研環(huán)境,充分利用VR技術(shù)的高度逼真模擬功能,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)。系統(tǒng)中各種傳感器采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息,基于該信息VR系統(tǒng)裝置構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全事故模型庫,模擬實(shí)驗(yàn)室安全事故數(shù)值,并實(shí)現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng)可視化重建。在此基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警信息分析、處理后,依據(jù)報(bào)警信息切斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電源、啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)、清空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有人員。同時(shí)VR系統(tǒng)裝置將模擬的安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)可視化重建結(jié)果發(fā)送到反饋控制裝置,為事故應(yīng)急處置提供可靠依據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)處置5次實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)與爆炸事故的平均總用時(shí)為8.83 s,7.0 s,低于對(duì)比系統(tǒng),應(yīng)急處置效率高。
關(guān)鍵詞: VR技術(shù); 實(shí)驗(yàn)室安全; 事故應(yīng)急處置; 可視化重建; 監(jiān)控裝置; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào): TN082?34; G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào): 1004?373X(2019)12?0122?05
Abstract: A laboratory security accident emergency disposal system is designed and implemented by making full use of the high realistic simulation function of the VR technology, so as to improve security management and monitoring forces of the laboratory, and provide a safe and stable scientific research environment. In the system, the laboratory environmental information is collected by various sensors. The laboratory security accident model library is constructed on the basis of the information VR system device, so as to simulate the numerical values of laboratory security accidents, and realize visualized reconstruction of the accident scene. On this basis, the power supply in the laboratory is cut off, the exhaust system is started, and all personnel in the laboratory are cleared out according to the alarm information after analysis and processing of accident alarm information implemented by the laboratory security monitoring device. The VR system device sends the visualized reconstruction result of the simulated security accident emergency disposal scene to the feedback control device, so as to provide a reliable basis for emergency disposal of accidents. The experimental results show that the average total time consumptions for the system to deal with five laboratory fires and five explosion accidents are 8.83 s and 7.0 s, which are lower than those of the comparison system, and the system has a high emergency disposal efficiency.
Keywords: VR technology; laboratory security; accident emergency disposal; visualized reconstruction; monitoring device; system design
0 ?引 ?言
實(shí)驗(yàn)室是為實(shí)驗(yàn)提供專門場(chǎng)地的場(chǎng)所,是科學(xué)發(fā)展不可或缺的重要場(chǎng)所,為國家、科研機(jī)構(gòu)以及學(xué)校提供科技服務(wù)、培養(yǎng)人才、科學(xué)研究的必備場(chǎng)所[1]。實(shí)驗(yàn)過程需要用到大量儀器設(shè)備,以及品類眾多的化學(xué)藥劑,一些化學(xué)藥劑存在易燃易爆、劇毒或高破壞性等危險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)室所需環(huán)境存在較高差異,有些實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格滿足超高溫、超低溫、高電壓、高磁力、高輻射等特殊環(huán)境要求。有些實(shí)驗(yàn)還會(huì)排放對(duì)生態(tài)環(huán)境或人類有危害的廢水廢氣甚至劇毒物質(zhì)。近年來實(shí)驗(yàn)室高發(fā)各種火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染以及人傷等事故,不僅給國家、科研機(jī)構(gòu)以及學(xué)校造成大量財(cái)力損失,還會(huì)對(duì)人員生命安全造成嚴(yán)重威脅[2],因此實(shí)驗(yàn)室發(fā)生安全事故時(shí),能快速有效應(yīng)急處理事故,可降低經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)高效實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng),是目前急需解決的問題。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)是集成人工智能、人機(jī)交互、CG技術(shù)、動(dòng)態(tài)傳感等多項(xiàng)高新技術(shù)的一種綜合性技術(shù)。將VR技術(shù)用在實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)中,由計(jì)算機(jī)通過VR技術(shù)創(chuàng)造出三維空間虛擬實(shí)驗(yàn)室,為使用者模擬出對(duì)于實(shí)驗(yàn)室真實(shí)場(chǎng)景發(fā)生安全事故的聽覺、視覺以及觸覺感受[3],用戶通過設(shè)備交互操作虛擬實(shí)驗(yàn)室,提高實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置有效性。
1 ?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)
1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)由煙霧傳感器、紅外傳感器、電化學(xué)傳感器、壓力監(jiān)控傳感器、溫濕度傳感器、電流電壓傳感器、聲光、電話報(bào)警裝置、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置、VR系統(tǒng)裝置、反饋控制裝置、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)庫與電腦、手機(jī)等終端等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。
傳感器用于采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種異常情況信息:煙霧傳感器、紅外傳感器采集實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)信息;電化學(xué)傳感器采集各種有毒有害、易燃易爆、化學(xué)物質(zhì)(如氯化氫、一氧化碳、氨氣、氯乙烯、氯氣等)泄露信息;壓力監(jiān)控傳感器采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種存儲(chǔ)有毒有害氣體易燃易爆氣體容器壓力數(shù)據(jù);溫濕度傳感器采集實(shí)驗(yàn)室各種設(shè)備異常信息[4];電流電壓傳感器采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種帶電設(shè)備電流電壓信息。各類型傳感器將采集到的實(shí)驗(yàn)室中不同監(jiān)控信息,反饋給VR系統(tǒng)裝置和實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安全事故的虛擬模擬和安全監(jiān)控。
1.2 ?VR系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)
VR系統(tǒng)裝置在實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)中具體過程為:基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種類型傳感器采集的數(shù)據(jù),通過3ds MAX等建模工具建立實(shí)驗(yàn)室基本模型,將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入VR系統(tǒng)中,利用Vega視覺仿真工具模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)際情況。VR系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
實(shí)驗(yàn)室安全事故數(shù)值模擬和事故現(xiàn)場(chǎng)可視化重建是實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)模擬需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。為了解決此問題,需要先搜集國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室安全事故為主的事故模型,將這些事故模型編程,組成事故模型安全庫。將不同傳感器采集的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有害氣體濃度、氧氣濃度、儀器溫度、有害液體容量、引火溫度、室內(nèi)形狀等參數(shù)引入模型內(nèi),計(jì)算出產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)等事故的沖擊波、破壞程度等數(shù)據(jù),依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)室安全事故對(duì)周圍人員、設(shè)備以及環(huán)境造成影響[5]。利用幾何語言PlaSM描述事故發(fā)生時(shí)場(chǎng)景變化,將場(chǎng)景變化編程為安全事故腳本。安全事故腳本中描述了實(shí)驗(yàn)室模型內(nèi)各部位形變與粒子(煙氣、火、水等)的運(yùn)動(dòng)變化,使安全事故通過播放腳本得以重現(xiàn),進(jìn)而實(shí)行最快速有效的處置方法[6]。
VR系統(tǒng)利用幾何描述語言PlaSM重建實(shí)驗(yàn)室安全事故,將三維復(fù)雜場(chǎng)景動(dòng)畫通過建模、仿真與分析重現(xiàn)。幾何描述語言與三維動(dòng)畫場(chǎng)景相結(jié)合的方法可以將復(fù)雜動(dòng)畫環(huán)境迅速定義與模擬,實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR技術(shù))。通過粒子系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的火災(zāi)、爆炸、化學(xué)氣體泄漏等事故,通過粒子時(shí)刻運(yùn)動(dòng)、改變形狀的特征,將水、火、煙等模糊的事故狀態(tài)展示出來[7]。
安全事故應(yīng)急處置方案通過幾何編程語言PlaSM描述,使事故應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)可視化。VR系統(tǒng)裝置將生成的安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送到反饋控制裝置,為應(yīng)急處置提供良好方案。
1.3 ?實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置基于VR系統(tǒng)裝置模擬實(shí)驗(yàn)室安全事故狀態(tài),實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警信息分析、處理、傳輸,以及事故安全監(jiān)控。該模塊由輸入接口單元、預(yù)警報(bào)警單元、中央處理單元、輸出接口單元以及控制單元組成,具體結(jié)構(gòu)圖見圖3。
1) 通過VR系統(tǒng)裝置將獲取的實(shí)驗(yàn)室安全事故數(shù)值模擬信號(hào)發(fā)送到輸入接口單元,開關(guān)輸入通過輸入接口單元同中央處理單元直接連接;當(dāng)輸入為模擬量信號(hào)時(shí),將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息才可以通過輸入接口單元傳送到中央處理單元。
2) 輸入接口單元將收到的安全事故數(shù)值信號(hào)發(fā)送到中央處理單元,由中央處理單元邏輯判斷與處理收到報(bào)警信號(hào)。中央處理單元接收數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定報(bào)警值時(shí),將報(bào)警信息發(fā)送到預(yù)警報(bào)警單元與反饋控制單元,反饋控制單元負(fù)責(zé)切斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電源以及啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)。
3) 中央處理單元將報(bào)警信息發(fā)送到預(yù)警報(bào)警單元后,預(yù)警報(bào)警單元馬上啟動(dòng)聲光與電話報(bào)警系統(tǒng),清空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有人員。
4) 中央處理單元邏輯判斷后的信號(hào)作為輸入信號(hào)發(fā)送到反饋控制單元,反饋控制單元進(jìn)行邏輯判斷,若判斷結(jié)果超過設(shè)定值,反饋控制信號(hào)切斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電源并啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)。
5) 中央處理單元將報(bào)警信號(hào)與系統(tǒng)狀態(tài)最終發(fā)送到輸出接口單元內(nèi),輸出接口單元將報(bào)警信號(hào)與系統(tǒng)狀態(tài)最終發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器內(nèi)。
2 ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
2.1 ?VR技術(shù)特點(diǎn)和系統(tǒng)開發(fā)過程
VR技術(shù)具有很強(qiáng)的感知性、交互性、想象性與真實(shí)的臨場(chǎng)感?;赩R技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)是一個(gè)智能平臺(tái),可以真實(shí)感知聽覺、味覺、視覺與觸覺等,系統(tǒng)中用戶可以親手操控設(shè)備,感受觸摸物體,清晰看見三維立體場(chǎng)景,令使用者身臨其境,仿佛置身在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)[8]。
通過3DConvert將3ds MAX所建立的三維實(shí)驗(yàn)室模型轉(zhuǎn)化成3DSTATE引擎支持的格式,3ds MAX是非常有效的模型制作軟件,雖然場(chǎng)景制作復(fù)雜,但真實(shí)感非一般建模軟件所能比擬。三維實(shí)驗(yàn)室模型由3ds MAX建模完成后,調(diào)用3DSTATE引擎函數(shù)在VC#.NET環(huán)境下運(yùn)行系統(tǒng)。利用虛擬攝影機(jī)的角度與移動(dòng)程序,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)。
2.2 ?系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí),先采用3ds MAX軟件建立實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)景及實(shí)物三維模型。只有充分了解實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備器具尺寸及各部分功能和實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)情況才能使模型更加真實(shí)。建立實(shí)驗(yàn)室模型之后可利用OpenGLAPI或World ToolsKit兩種系統(tǒng)開發(fā)軟件對(duì)模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)對(duì)實(shí)施平臺(tái)性能要求很高,實(shí)施虛擬仿真模擬的計(jì)算機(jī)需要強(qiáng)大的CPU、顯卡與內(nèi)存,需要通過工作站形式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的仿真模擬,應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)所需配備VR技術(shù)專業(yè)的輸入設(shè)備與傳感器,其中動(dòng)作捕捉傳感器是常用的一種傳感器。為了使系統(tǒng)更逼真,令使用者感覺更真實(shí),需要配備立體成像、幾何曲面校正裝置[9]、弧形屏幕、無縫投影、高性能顯示頭盔以及立體眼鏡等高配置的配件。
2.3 ?系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了提高實(shí)驗(yàn)室安全性,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng),該系統(tǒng)包括圖5所示的三種子系統(tǒng):
1) 通過Director軟件平臺(tái),采用VR軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室三維信息展示子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息查詢和顯示,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備檢索、場(chǎng)景瀏覽和空間分析等功能,將其他功能模塊的主要設(shè)備和參數(shù)通過三維動(dòng)畫形式呈現(xiàn)給系統(tǒng)管理員;
2) 應(yīng)急預(yù)案演練和模擬子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置的演練,提升應(yīng)急處置效果。演練人員登錄系統(tǒng)后,感受到高逼真模擬實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng),在該現(xiàn)場(chǎng)中開展實(shí)驗(yàn)室安全事故的應(yīng)急處置;
3) 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)包括CCTV和移動(dòng)單兵兩種功能模塊,前者顯示系統(tǒng)可見范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)狀態(tài)[10],后者將視頻和音頻信號(hào)移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的任意點(diǎn),如果設(shè)備出現(xiàn)故障,則將事故信號(hào)傳輸給反饋控制裝置進(jìn)行控制,獲取完整安全事故應(yīng)急預(yù)案。
3 ?實(shí)驗(yàn)分析
本文系統(tǒng)是基于VR的實(shí)驗(yàn)室安全事故模擬與應(yīng)急處置的商品化軟件,提供各種實(shí)驗(yàn)室安全事故統(tǒng)一接口,通過實(shí)驗(yàn)室安全事故模型庫,自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)室安全事故腳本,經(jīng)過知識(shí)處理、運(yùn)算數(shù)據(jù)以及分析三維空間后自動(dòng)生成安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng),提高了安全事故處置的時(shí)間與效率。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)某大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置的有效性,對(duì)比本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo),結(jié)果見表1。分析該表可以看出,相對(duì)其他兩種系統(tǒng),本文系統(tǒng)含有實(shí)驗(yàn)室安全事故分析模型,并且具有二次開發(fā)功能,可模擬火災(zāi)、危險(xiǎn)品泄漏、爆炸等多種安全事故,能夠用于實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置。
將本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)生5次火災(zāi)事故時(shí)應(yīng)急處置總用時(shí)相對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見表2~表4。
通過表2~表4三種系統(tǒng)對(duì)比結(jié)果總用時(shí)可以看出,本文系統(tǒng)在應(yīng)急處置模擬5次實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故時(shí)總用時(shí)最低和最高分別為8.41 s和8.88 s,平均總用時(shí)為8.83 s,比其他兩種系統(tǒng)的總用時(shí)低,并且本文系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故發(fā)現(xiàn)、處置準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)處置以及事故后處理的時(shí)間都低于其他兩種系統(tǒng),說明本文系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故處置的用時(shí)低、效率高。
將本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)生5次爆炸事故時(shí)應(yīng)急處置總用時(shí)相對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見圖6~圖8。
對(duì)比分析圖6~圖8可得,本文系統(tǒng)在應(yīng)急處置模擬5次實(shí)驗(yàn)室爆炸事故時(shí)平均總用時(shí)約為7 s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種系統(tǒng),并且處理爆炸事故的各項(xiàng)時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他系統(tǒng)。
通過以上模擬實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)與爆炸事故結(jié)果可以看出,本文系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置速度快,極大地降低了室內(nèi)事故的發(fā)生概率,確保實(shí)驗(yàn)室的安全。
4 ?結(jié) ?論
本文設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng),主要由各種監(jiān)測(cè)傳感器、報(bào)警裝置、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置、VR系統(tǒng)裝置、反饋控制裝置、實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控中心等裝置構(gòu)成。該VR系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)了安全事故模型庫,用戶可自由增減與修改事故模型,擴(kuò)展性良好,依據(jù)事故庫內(nèi)各種安全事故模型應(yīng)急處置實(shí)驗(yàn)室安全事故,為事故的處置爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。本文系統(tǒng)基于VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:VR系統(tǒng)裝置依據(jù)各種傳感器采集的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息,模擬實(shí)驗(yàn)室安全事故數(shù)值,基于事故數(shù)值結(jié)果,實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警信息分析、處理后,將信息傳輸?shù)铰暪夂碗娫拡?bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警;VR系統(tǒng)裝置通過實(shí)驗(yàn)室安全事故模型庫,經(jīng)過知識(shí)處理、運(yùn)算數(shù)據(jù)以及分析三維空間后自動(dòng)生成安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場(chǎng)重建結(jié)果,反饋控制裝置,依據(jù)重建結(jié)果制定事故應(yīng)急處置方案。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全事故應(yīng)急處置速度快,可使實(shí)驗(yàn)室事故得到有效控制。
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