某型裝備典型核事故仿真動態(tài)演示系統(tǒng)的開發(fā)及實現(xiàn)

袁 偉，李 藐，李 霄，陳顯波，李 浪

（96901部隊23分隊，北京 100094）

國內(nèi)外基于核電站反應(yīng)堆、核動力裝置、船舶工業(yè)等事故序列的研究相對成熟，有著大量實例和運行數(shù)據(jù)支撐，同時在軟硬件開發(fā)方面也做了大量工作［1］。目前，部隊核應(yīng)急專業(yè)的教育培訓(xùn)，以宣講理論教材和觀看音像為主，技術(shù)手段單一，有必要基于三維模擬仿真技術(shù)，研制開發(fā)具有一定人機交互能力的演示系統(tǒng)，提高核應(yīng)急處置的培訓(xùn)效果。本文以某型裝備典型核事故為例，結(jié)合前期研究工作，從總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、模塊設(shè)計等方面闡述了仿真演示系統(tǒng)開發(fā)過程，為部隊核應(yīng)急工作提供有益參考。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

某型裝備典型核事故仿真動態(tài)演示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括：典型核事故應(yīng)急處置數(shù)據(jù)管理、裝備可視化展示、場景可視化展示、模擬操作演練四個模塊。

1.1 數(shù)據(jù)管理模塊

包括應(yīng)急處置隊伍管理、裝備型號及數(shù)量、物資器材類型及數(shù)量；應(yīng)急裝備戰(zhàn)技指標(biāo)、使用方式管理；核事故序列特征數(shù)據(jù)管理，如放射性核素種類、氣溶膠濃度、地面沉積水平等。

1.2 單裝可視化展示模塊

包括應(yīng)急裝備三維模型展示、戰(zhàn)技指標(biāo)展示、使用方式展示等。

1.3 場景可視化展示模塊

包括典型核事故場景設(shè)定、場景生成、序列特征數(shù)據(jù)融合、發(fā)生發(fā)展基本過程展示、序列特征數(shù)據(jù)查詢。

1.4 模擬操作演練模塊

包括核事故情況報告查看；應(yīng)急處置力量編組；處置建議查看；輻射偵測結(jié)果、個人所受劑量查看；應(yīng)急處置調(diào)度、指揮合理性評價。

2 系統(tǒng)技術(shù)選型

通過系統(tǒng)分析，考慮到大數(shù)據(jù)量的處理要求，兼顧開發(fā)和運維，采用ORACLE 作為后臺數(shù)據(jù)庫。由于OBJ、XML 的3D 文件格式較為通用，滿足多種軟件互導(dǎo)，因此裝備模型、地形地貌等數(shù)據(jù)采用上述格式。系統(tǒng)3D模塊采用DipperVR平臺開發(fā)，兼容麒麟操作系統(tǒng)的國產(chǎn)化計算機環(huán)境。系統(tǒng)支撐層以O(shè)RACLE 數(shù)據(jù)庫與DipperVR平臺為主，為運行提供底層技術(shù)支撐；接口層通過事故序列特征化數(shù)據(jù)，得到所需動態(tài)展示的核素種類、濃度等數(shù)值；功能層包括對四大模塊的管理應(yīng)用。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of the system

3 詳細設(shè)計

本系統(tǒng)的四大模塊按照功能具體要求可分為20個子模塊。圖2為功能模塊的詳細組成。

圖2 系統(tǒng)功能模塊的詳細組成Fig.2 System function module of the detailed composition

3.1 數(shù)據(jù)管理子模塊

數(shù)據(jù)管理模塊可詳細分為7 個子模塊，具體名稱及功能描述見表1。

表1 數(shù)據(jù)管理子模塊的構(gòu)成及功能描述Table 1 Data management submodule composition and function description

（1）處置隊伍管理子模塊可錄入，修改，查詢?nèi)藛T與裝備、器材、物資之間的配套關(guān)系；可錄入，修改，查詢輻射監(jiān)測、武器回收、去污洗消、污染壓制、綜合保障等人員隊伍情況。

（2）人員名單管理子模塊可錄入，修改，查詢?nèi)藛T名稱、聯(lián)系方式、專業(yè)等信息。

（3）裝備型號管理子模塊可錄入，修改，查詢裝備名稱、功能簡介、規(guī)格型號、運輸方式、數(shù)量、操作人數(shù)等裝備信息。

（4）物資器材管理子模塊可錄入，修改，查詢物資器材名稱、功能簡介、規(guī)格型號、運輸方式、數(shù)量、操作人數(shù)等物資信息；能夠上傳、查看教學(xué)資料及使用方式視頻等。

（5）裝備指標(biāo)管理子模塊可錄入、修改裝備型號戰(zhàn)技指標(biāo)信息，如尺寸、質(zhì)量、功能要求、處置效能等。

（6）裝備使用方式管理子模塊能夠上傳、查看裝備教學(xué)資料及使用方式視頻。

（7）事故序列數(shù)據(jù)X 管理子模塊可導(dǎo)入、查詢事故序列數(shù)據(jù)，包括放射性核素類型、氣溶膠濃度、γ 劑量率、事故點坐標(biāo)、持續(xù)時間等信息。支持數(shù)據(jù)文件格式包括CSV、TXT、XML等。

3.2 單裝可視化展示子模塊

單裝可視化展示模塊可詳細分為3 個子模塊，具體名稱及功能描述見表2。

表2 單裝可視化子模塊構(gòu)成及功能描述Table 2 Single-loading visual submodule composition and function description

（1）裝備三維模型展示子模塊基于三維可視化環(huán)境，裝載、展示用戶選擇或指定的核應(yīng)急裝備，包括裝備展開、重點操作部件的分解組合。能夠通過鼠標(biāo)操作控制，實現(xiàn)對模型進行旋轉(zhuǎn)、放大、平移。圖3為核應(yīng)急裝備設(shè)計模型。

圖3 核應(yīng)急裝備設(shè)計模型Fig.3 Design model of nuclear emergency equipment

（2）裝備戰(zhàn)技指標(biāo)展示子模塊能夠通過列表菜單快捷選擇要展示的裝備。對選中的裝備以文本形式并結(jié)合部件圖，展示整裝及重要部件戰(zhàn)技指標(biāo)與主要功能。

（3）裝備使用方式展示子模塊基于三維模擬環(huán)境，構(gòu)造典型應(yīng)用裝備場景，對裝備基本操作進行展示。具體包括人員操作位置、操作方式、裝備機構(gòu)動作、模擬應(yīng)用場景的影響效果。

3.3 場景可視化展示子模塊

場景可視化展示模塊可詳細分為5 個子模塊，具體名稱及功能描述見表3。

表3 場景可視化子模塊構(gòu)成及功能描述Table 3 Scene visualization submodule composition and function description

3.3.1 事故場景設(shè)定

結(jié)合三維模型技術(shù)發(fā)展情況，可產(chǎn)生不同目標(biāo)的數(shù)據(jù)模型，包括體模型、表面模型、混合模型和面向?qū)ο竽Ｐ汀８鶕?jù)山區(qū)、平原、地下建筑等事故環(huán)境，采用邊界表示方法盡可能真實地設(shè)定事故場景三維模型，包括：山區(qū)峽谷、開闊平原、地下建筑；放射性污染物擴散軌跡；事故現(xiàn)場情況，如放射性部件散落分布范圍、裝備受損情況等。

3.3.2 事故場景生成

采用3DMax 建模工具對地形和各類獨立模型進行建模，生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，通過貼圖完成模型制作。其中，地形網(wǎng)格通過植被貼圖完成地貌設(shè)定，人體模型通過骨骼綁定完成骨骼動畫制作，器材設(shè)備活動部分的關(guān)聯(lián)通過“約束”關(guān)系完成設(shè)定。以上數(shù)據(jù)采用Obj、Mesh、Metail等格式，均可導(dǎo)出為系統(tǒng)資源文件，供后續(xù)程序開發(fā)和使用。圖4為事故場景的地形網(wǎng)格。

圖4 事故場景的地形網(wǎng)格Fig.4 Accident scene terrain grid

3.3.3 事故序列特征數(shù)據(jù)融合

如何將事故序列特征數(shù)據(jù)融入場景進行分析與同步展示，是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點。演示過程中，氣溶膠濃度、劑量分布數(shù)值的實時顯示，通過模擬計算給定的初始條件，對擴散過程進行近似推演，并根據(jù)空間坐標(biāo)、時序逐一記錄數(shù)據(jù)。用Shader 編程實現(xiàn)擴散的實時仿真顯示，最終將圖片組按順序提交到顯存，以供展示使用。目前，氣溶膠濃度、劑量大小、環(huán)境溫度和擴散衰減系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)256個梯度的分布。

考慮到模擬的事故場景為瞬時污染源擴散，根據(jù)場景展示要求，以灰度圖構(gòu)造參數(shù)圖片，多個參數(shù)的灰度圖復(fù)合為一張彩色圖片，完成初始條件設(shè)定。風(fēng)可理解為所有污染源的整體水平位移，是仿真顯示的獨立參數(shù)，運行時需單獨進行設(shè)定。Shader編程將圖片組按順序提交到顯存并以FeedbackBuffer 形式存儲，每個仿真周期調(diào)用一次Shader 腳本，結(jié)果以離屏渲染形式回存FeedbackBuffer。系統(tǒng)在展示污染過程時，根據(jù)空間點坐標(biāo)讀取相應(yīng)圖片數(shù)據(jù)即可滿足動態(tài)特征數(shù)據(jù)融合要求［2,3］。

3.3.4 事故發(fā)生發(fā)展過程展示

結(jié)合聲、光、色等特效，按時間、空間順序?qū)κ鹿蕜討B(tài)過程與現(xiàn)象進行模擬展示。展示內(nèi)容包括以下兩個方面：

（1）事故場景粒子特效

粒子系統(tǒng)選取了許多形狀簡單的微小粒子作為基本元素，以表示不規(guī)則模糊物體。采用隨機過程控制粒子數(shù)量，確定粒子的初始隨機屬性，如初始運動方向、大小、顏色、透明度、形狀和生存期等，并可在粒子運動和生長過程中隨機改變這些屬性。粒子系統(tǒng)的隨機性使模擬不規(guī)則模糊物體變得較為簡便［4，5］。

本系統(tǒng)結(jié)合事故影響區(qū)域范圍，采用特定隨機函數(shù)，實現(xiàn)重要粒子特效：爆炸特效，包括碎片、明火燃燒程度等；煙霧特效，包括濃度、籠罩范圍等；光照特效，包括自然光、燈光及物體對光的反射、陰影效果；氣象特效，包括不同方向的自然風(fēng)條件；三維音效，如自然環(huán)境聲、爆炸聲、裝備器材發(fā)聲等［6］。

（2）事故進程及序列數(shù)據(jù)預(yù)測分析

粒子系統(tǒng)是擅長展示非固定形狀的物體，利用局部隨機函數(shù)來完成物體動態(tài)效果的展現(xiàn)。生成隨機函數(shù)時，結(jié)合序列數(shù)據(jù)實現(xiàn)粒子變化趨勢的有效控制，滿足展示效果與序列數(shù)據(jù)預(yù)測分析的一致性［7，8］。圖5為事故進程及序列數(shù)據(jù)預(yù)測分析流程。

圖5 事故進程及序列數(shù)據(jù)預(yù)測分析流程Fig.5 Accident process and sequence data prediction and analysis process

3.3.5 事故序列特征數(shù)據(jù)查詢

序列特征數(shù)據(jù)查詢方式的實現(xiàn)包括兩個方面：

（1）通過激光筆功能，實現(xiàn)一個可見的射線，用于查看激光找點的物體表面污染程度。

（2）通過可操作的儀表模型，顯示三維空間位置的核素種類、濃度等信息。該模型通過鼠標(biāo)左鍵進行水平四個方向上的移動，通過右鍵進行垂直方向上的移動。在事故發(fā)生發(fā)展的任意時刻，均可使用上述查詢功能。

3.4 模擬操作演練子模塊

該部分所有功能均在三維環(huán)境下實現(xiàn)。對于事故動態(tài)演示，重點以事故序列數(shù)據(jù)成果為基礎(chǔ)進行全過程仿真模擬，觀察視角包括全景、第一人稱、第三人稱視角三類。該模塊共劃分為五個子模塊，具體名稱及功能描述見表4。

表4 模擬操作演練子模塊構(gòu)成及功能描述Table 4 Simulated operation drill submodule composition and function description

（1）事故情況報告查看。展示事故發(fā)生時間、地點、原因、人員裝備受損情況、已采取的應(yīng)急措施以及應(yīng)急支援需求等。

（2）應(yīng)急處置力量編組。根據(jù)應(yīng)急處置方案，進行輻射偵測、污染壓制、去污洗消等隊伍分組及人員安排；對分隊進行任務(wù)籌劃和安排，分配裝備、器材物資種類和數(shù)量。與系統(tǒng)預(yù)案編組進行對比，考核編組的科學(xué)性與合理性［9］。

（3）應(yīng)急處置開展。根據(jù)預(yù)設(shè)的處置流程，推演應(yīng)急處置的執(zhí)行開展情況，具體包括人員撤離、人員防護、輻射偵測、污染壓制、去污洗消、部件回收等基本流程步驟。

（4）事故危害查看。實時查看預(yù)設(shè)事故區(qū)域范圍內(nèi)任意時間節(jié)點、任意位置的輻射偵測結(jié)果，查看應(yīng)急處置人員受照劑量情況。

（5）處置合理性評價。針對當(dāng)前模擬事故，提前確定標(biāo)準處置作業(yè)流程，將操作者處置作業(yè)與之進行對比評估；預(yù)設(shè)事故關(guān)鍵參數(shù)與應(yīng)急處置作業(yè)流程的參考標(biāo)準，考察操作者所進行的處置作業(yè)的合理性［10］。

4 實例演示

4.1 事故背景

某型裝備在機動過程中，行進至山區(qū)峽谷位置發(fā)生意外，車體遭受強撞擊引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)部炸藥爆炸，造成車輛損毀、大面積放射性污染擴散。現(xiàn)場任務(wù)單位快速啟動應(yīng)急機制，進行人員隊伍編組、應(yīng)急裝備物資分配，完成人員撤離、人員防護、輻射偵測、污染壓制、去污洗消、部件回收等流程作業(yè)。

4.2 流程作業(yè)展示

根據(jù)事故特點，本系統(tǒng)流程作業(yè)展示如下。

（1）預(yù)設(shè)事故發(fā)生時間、地點、原因、應(yīng)急支援需求等事故情況。根據(jù)設(shè)定條件，快速搭建事故區(qū)域地形地貌、環(huán)境特征，擺設(shè)車輛與相關(guān)裝備，生成事故周圍的三維場景。圖6 為系統(tǒng)登錄及三維場景界面。

圖6 系統(tǒng)登錄及三維場景界面Fig.6 System login and 3D scene interface

（2）模擬演示事故車輛發(fā)生爆炸起火，放射性煙云成形、擴散，裝備碎片殘骸紛飛等場景。事故發(fā)生后，系統(tǒng)顯示情況報告并請求應(yīng)急支援；通過操作進行兵力編組，分為輻射偵測、封堵壓制、武器回收、洗消去污、安全警戒等行動組，并安排具體崗位。為各組人員分配應(yīng)急裝備、物資器材，包括人員防護服、個人劑量儀、污染壓制車、洗消去污車等。圖7 為爆炸放射性煙云的形成與擴散。

圖7 爆炸放射性煙云的形成與擴散Fig.7 The formation and diffusion of explosive radioactive clouds

（3）模擬事故現(xiàn)場特定區(qū)域范圍內(nèi)的安全警戒，在演示系統(tǒng)中設(shè)置控制邊界。模擬應(yīng)急滅火組進入現(xiàn)場進行火源控制，系統(tǒng)實時顯示經(jīng)過專用滅火設(shè)備處理后火情減輕的過程和效果。模擬輻射偵測組成員攜帶多功能射線監(jiān)測儀、α/β表面污染測量儀等設(shè)備進入現(xiàn)場進行偵測。結(jié)合導(dǎo)入的事故序列特征數(shù)據(jù)，查看事故范圍內(nèi)任意坐標(biāo)點的輻射類型、劑量大小，標(biāo)定不同程度的污染區(qū)。模擬回收組對爆炸裝備碎片進行回收。模擬洗消去污組對人員、車輛進行簡易洗消。圖8為事故現(xiàn)場的輻射偵測與安全警戒。

圖8 事故現(xiàn)場的輻射偵測與洗消去污Fig.8 Radiation detection and decontamination at accident site

（4）在具體操作中，針對當(dāng)前所模擬的事故，提前確定標(biāo)準應(yīng)急處置作業(yè)流程，將操作者所進行的處置作業(yè)與之對比并評估；預(yù)設(shè)事故關(guān)鍵參數(shù)與應(yīng)急處置作業(yè)流程的參考標(biāo)準，考察操作者所進行的處置作業(yè)的合理性。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合部隊核應(yīng)急業(yè)務(wù)需求，采用仿真再現(xiàn)技術(shù)手段，根據(jù)某型裝備典型核事故序列研究成果，對放射性污染擴散過程進行近似推演，實現(xiàn)動態(tài)展示核事故發(fā)生發(fā)展歷程、放射性傳播擴散過程、人員所受危害、陣地沾染程度和影響范圍、先期應(yīng)急處置建議與方法等，拓展了典型核事故應(yīng)急處置培訓(xùn)手段，提高了應(yīng)急處置實戰(zhàn)化訓(xùn)練效果。后續(xù)，將結(jié)合部隊的訓(xùn)練使用，完善固化相關(guān)技術(shù)成果。