“華龍一號”廠區(qū)應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)開發(fā)研究

儲進(jìn)昌，馬義濤

（中國核電工程有限公司 鄭州分公司，河南 鄭州 450051）

核電廠應(yīng)急撤離能力的分析評估是核電廠應(yīng)急準(zhǔn)備和應(yīng)急響應(yīng)的重要基礎(chǔ)，安全局要求“營運(yùn)單位應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際情況，按照保守情況對場內(nèi)外人員應(yīng)急撤離方案進(jìn)行分析評價”，因此有必要開展應(yīng)急撤離能力的模擬分析工作。

核電廠的應(yīng)急撤離能力，是核電廠應(yīng)急計劃制定以及應(yīng)急響應(yīng)行動的實(shí)施需要考慮的重要因素。評估應(yīng)急撤離能力的主要方法是估算撤離時間。通過對應(yīng)急撤離狀況下的各種狀況進(jìn)行模擬分析，生成應(yīng)急撤離的時間，可以對撤離方案進(jìn)行排序和優(yōu)化。在應(yīng)急響應(yīng)階段，估算實(shí)際可能的撤離時間，可以為選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)急響應(yīng)策略提供技術(shù)支持。

為完成福清核電廠“華龍一號”機(jī)組工程運(yùn)行階段環(huán)境影響報告書的編制工作，需開發(fā)“華龍一號”廠區(qū)應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)，本文以二、三維結(jié)合的形式，對應(yīng)急撤離狀況下各種情況進(jìn)行模擬分析，生成應(yīng)急撤離的時間，為在應(yīng)急響應(yīng)階段，決策者選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)急響應(yīng)策略提供技術(shù)支持。

1 設(shè)計思路及理念

目前國內(nèi)在應(yīng)急撤離能力仿真模擬分析系統(tǒng)方面的研究相對較少，大部分都是在國外有關(guān)交通流模擬分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，形成文本報告。這些分析系統(tǒng)基本都是對交通流的模擬仿真，不是針對核電廠的應(yīng)急撤離能力進(jìn)行仿真模擬分析，并且最終形成的文本報告基本不能讓高層決策者對事故風(fēng)險有更直觀的感觸。

針對該問題，“華龍一號”廠區(qū)應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)建立了全廠區(qū)內(nèi)三維模型，廠外宏觀二維衛(wèi)星地圖，在該基礎(chǔ)上，根據(jù)《場區(qū)非應(yīng)急人員集合、清點(diǎn)與撤離規(guī)程》方案，設(shè)置各種屬性信息，結(jié)合核電廠的特殊情況，對廠區(qū)應(yīng)急撤離進(jìn)行模擬仿真分析，并形成分析數(shù)據(jù)報表，可以直觀的對核電廠非應(yīng)急人員的應(yīng)急撤離能力進(jìn)行仿真模擬分析。

2 具體設(shè)計方法

具體設(shè)計方法如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

（1） 資料收集

資料收集需要收集廠址周圍環(huán)境狀況以及核電廠的設(shè)計圖紙和三維模型，為構(gòu)建三維模型場景提供資料支持。同時，收集核電廠《場區(qū)非應(yīng)急人員集合、清點(diǎn)與撤離規(guī)程》方案，為系統(tǒng)策劃提供指導(dǎo)。

（2） 系統(tǒng)策劃

對廠區(qū)內(nèi)、廠區(qū)外應(yīng)急撤離狀況下的混合交通流、公共車輛的調(diào)度、系統(tǒng)不確定性的要素，以及對應(yīng)急撤離的影響因素等進(jìn)行分析策劃。

（3） 模型處理

對 AVEVA PDMS三維設(shè)計軟件導(dǎo)出的三維設(shè)計模型，進(jìn)行拆分以及輕量化處理[3]，然后對模型進(jìn)行修復(fù)和展 UV工作，最后使用 Substance Painter對各個專業(yè)的模型進(jìn)行貼圖。

（4） 場景集成

三維場景集成是把所有的三維模型集成到一個三維場景中。使用 Unity對所有的模型和材質(zhì)進(jìn)行集成。為了保證該模擬分析系統(tǒng)運(yùn)行流暢，還需要在 Unity中對全廠區(qū)內(nèi)的場景進(jìn)行烘焙處理，降低實(shí)時燈光對計算機(jī)性能的消耗，提升該模擬分析系統(tǒng)的流暢度[1,4]。

（5） AI尋路算法開發(fā)

在發(fā)生核事故的情況下，在核設(shè)施場區(qū)的工作人員必須立即撤離。采用在 A* 最短路徑尋路算法的基礎(chǔ)上，對算法的權(quán)重值進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)人員、車輛的自動尋路、動態(tài)避障、互相避免碰撞，以滿足人員、車輛能夠自動尋路到目標(biāo)點(diǎn)，在該過程中能夠規(guī)避障礙、避免擁堵[5,6]。

（6） 交互功能開發(fā)

根據(jù)策劃的要素以及交互邏輯，使用Axure交互設(shè)計軟件設(shè)計整個系統(tǒng)的高保真交互原型，使用Adobe Photoshop設(shè)計出界面元素，結(jié)合交互界面、AI尋路算法以及全廠區(qū)內(nèi)場景，在Unity開發(fā)平臺中，使用Visual Studio工具開發(fā)出系統(tǒng)的整體交互功能[1,2]。

（7） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與報表功能

根據(jù)系統(tǒng)策劃，開發(fā)出能夠生成終點(diǎn)人數(shù)/時間曲線圖、集合點(diǎn)人數(shù)/時間曲線圖、統(tǒng)計點(diǎn)車數(shù)量/速度曲線圖、單車速度/時間曲線圖、撤離車輛到達(dá)撤離節(jié)點(diǎn)的時間分布圖、相應(yīng)的人員撤離的時間分布圖，并記錄集合點(diǎn)坐標(biāo)、人員車輛撤離詳細(xì)時間、廠區(qū)撤離節(jié)點(diǎn)（指廠區(qū)人員撤離到的廠區(qū)邊界的位置）的經(jīng)緯度信息等數(shù)據(jù)，并能夠保存成HTML格式和Word格式的數(shù)據(jù)分析報表[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行流暢以及仿真準(zhǔn)確的要求，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是三維模型快速輕量化技術(shù)、大場景集成技術(shù)、AI尋路算法。

3.1 三維模型快速輕量化技術(shù)

根據(jù)核電行業(yè)三維模型的特點(diǎn)，主要通過模型精簡、模型孔洞修復(fù)和模型重建等輕量化過程的開發(fā)綜合實(shí)現(xiàn)[3]。三維模型輕量化技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 三維模型輕量化技術(shù)路線圖Fig.2 3D model lightweight technical route

3.2 大場景集成技術(shù)

大場景集成技術(shù)可以把所有的三維模型集成到一個三維場景中，在場景中創(chuàng)建真實(shí)環(huán)境資源（如燈光、天空盒子等）并保證系統(tǒng)運(yùn)行流暢。

由于全廠三維模型具有海量的數(shù)據(jù)，雖然模型經(jīng)過輕量化，但數(shù)據(jù)量還是很大，通常一個中型廠房的數(shù)據(jù)量就會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行卡頓。為了保證計算機(jī)運(yùn)行流暢，使大場景集成成為可能，根據(jù)之前項目積累的經(jīng)驗(yàn)，首先，對零散的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合，保證單個模型具有合適的規(guī)模；其次，修改模型貼圖的大小到合適的尺寸，節(jié)省渲染內(nèi)存資源占用；最后，關(guān)閉實(shí)時燈光，取消實(shí)時渲染，通過對場景進(jìn)行烘焙處理實(shí)現(xiàn)靜態(tài)光照，節(jié)省系統(tǒng)資源。通過以上操作，實(shí)現(xiàn)了大場景的集成[1,4]。

3.3 AI尋路算法

AI尋路算法是在A* 最短路徑尋路算法的基礎(chǔ)上，對算法的權(quán)重值進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)人員、車輛的自動尋找最短路徑、動態(tài)避障，以滿足人員、車輛能夠自動尋路到目標(biāo)點(diǎn)，在該過程中能夠規(guī)避障礙、避免擁堵[5,6]。

該算法是解決廠區(qū)應(yīng)急疏散中的人員撤離路線的最優(yōu)選擇問題。通過對集成模型場景中的區(qū)域平面進(jìn)行網(wǎng)格化；通過算法計算以人員所在中心最近的 8個網(wǎng)格單元的路徑距離，離目標(biāo)撤離集合點(diǎn)的距離進(jìn)行估值，并考慮周圍障礙物的規(guī)避情況；通過程序不斷進(jìn)行遍歷和迭代，實(shí)現(xiàn)最終最優(yōu)路線的計算和優(yōu)選。算法關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要分為以下幾個過程[5,6]。

（1） 確定尋路移動方法

網(wǎng)格移動及距離估算處理采用國際上的Chebyshev Distance方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)格中使用對角線距離，避免使用“水平”和“垂直”移動的拆線路線和呆板表現(xiàn)。Chebyshev Distance方法的移動方式如圖 3所示，規(guī)劃的路徑1和路徑2均采用了對角線和水平垂直線結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 應(yīng)急疏散自動尋路移動方式Fig.3 Mobile mode of automatic route finding for emergency evacuation

（2） 建立尋路算法

在 Chebyshev Distance方法的移動方式基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急疏散過程中自動尋找最優(yōu)路線。算法核心是：首先以出發(fā)點(diǎn)所在的網(wǎng)絡(luò)中心，對周圍的 8個網(wǎng)格單元，每個單元格進(jìn)行與目標(biāo)集合點(diǎn)的距離估算。

距離估算值由兩部分相加組成，以出發(fā)點(diǎn)周圍的 8個網(wǎng)格單元其中之一為例。一部分是由出發(fā)點(diǎn)到達(dá)周圍的 8個網(wǎng)格單元中指定網(wǎng)格中心的最優(yōu)路徑距離估值，與此目標(biāo)單元格距離目標(biāo)集合點(diǎn)之間的方位有關(guān)；另一部分為此目標(biāo)單元格距離目標(biāo)集合點(diǎn)按水平垂直進(jìn)行快速估值。

以圖 4、圖 5所示的距離估算示意網(wǎng)格為例。S為出發(fā)點(diǎn)，E為目標(biāo)集合點(diǎn)，黑色網(wǎng)格為障礙物，每個單元格的長寬為10。對S周圍8個單元格進(jìn)行自動尋路算法的距離估算，8個單元格分別以1～8表示。對于2號網(wǎng)格，單元格的左下方數(shù)值14為出發(fā)點(diǎn)S到達(dá)此單元格選擇對角線的優(yōu)選路徑估算值；右下方數(shù)值30為2號網(wǎng)格距離目標(biāo)集合點(diǎn)E的最短距離。通過計算可以得出S周圍8個單元格的估算值，其中2號網(wǎng)格距離44為第一次計算最優(yōu)路徑，移動至2號網(wǎng)格為對角線。第2次迭代時，以2號網(wǎng)格為中心，周圍有2個障礙物單元格，對周圍網(wǎng)格迭代后，9號距離估算值最小，采用對角線移動。

圖4 自動尋路算法距離估算示意網(wǎng)格圖1Fig.4 Schematic grid diagram of distance estimation for automatic routing algorithm 1

圖5 自動尋路算法距離估算示意網(wǎng)格圖2Fig.5 Schematic grid diagram of distance estimation for automatic routing algorithm 2

4 結(jié)論

通過以上敘述，開發(fā)出“華龍一號”廠區(qū)應(yīng)急撤離仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)S區(qū)內(nèi)、外人員撤離的情景進(jìn)行分析和仿真推演，對整體撤離時間、每個人員在每個階段的撤離時間、每輛車在每個階段的運(yùn)行時間、集合點(diǎn)人員數(shù)量、統(tǒng)計點(diǎn)車輛信息、大門口人員數(shù)量等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以為核電廠進(jìn)行應(yīng)急撤離或隱蔽等防護(hù)行動決策提供技術(shù)依據(jù)，并應(yīng)用到福清核電5、6號機(jī)組工程運(yùn)行階段環(huán)境影響報告書的編制工作中，為環(huán)境影響報告書提供了更充分的背景資料，同時，也可為三維設(shè)計模型的進(jìn)一步應(yīng)用提供思路。