危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練裝備與系統(tǒng)設(shè)計*

李智臨

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266104 2.應急管理部化學品登記中心，山東青島 266104)

0 前言

伴隨我國危險化學品生產(chǎn)能力和規(guī)模的逐年加大，危險化學品產(chǎn)業(yè)向大型化、規(guī)模化發(fā)展，重特大事故不斷增多。如2015年8月12日，天津濱海新區(qū)危險品倉庫發(fā)生特別重大爆炸事故，共造成165人死亡，其中消防人員99人。消防救援工作危險度高，個人素質(zhì)、責任意識影響指揮水平和救援實施效果，而實戰(zhàn)化訓練是提升應急隊伍戰(zhàn)斗力行之有效的方法，所以加強消防模擬訓練設(shè)施建設(shè)，對保障救援過程中消防隊員自身安全至關(guān)重要。以消防模擬訓練設(shè)施為依托，通過模擬典型事故場景，加強消防救援人員對各類災害事故特點、發(fā)展規(guī)律的掌握，從而提高危險化學品事故應急響應能力。

隨著虛擬現(xiàn)實與計算機仿真軟硬件技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機仿真模擬訓練研究成果逐漸增多，ZHANG H研究了基于頭戴式顯示器(HMD)的虛擬仿真訓練系統(tǒng)；YOUNGHEE L等以模擬事故情景和假設(shè)運行經(jīng)驗為基礎(chǔ)，研發(fā)了1套交互式氫燃料站操作員教育系統(tǒng)。以上成果只能通過鼠標或手柄點擊進行交互，僅有視聽交互方式，缺乏其它感知形式，造成訓練時事故現(xiàn)場感不足，無法滿足近似實戰(zhàn)化的訓練需要。體感技術(shù)作為新興的技術(shù)在很多領(lǐng)域中都已經(jīng)有所應用，針對危險化學品事故現(xiàn)場的關(guān)鍵因素，如火焰高度、燃燒底面、熱釋放速率、溫度、煙氣形狀、煙顆粒濃度和聲音大小等可展開模擬研究。

1 系統(tǒng)框架

根據(jù)危險化學品燃爆事故特點和應急救援訓練需求，危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練系統(tǒng)研發(fā)了事故處置模擬訓練系統(tǒng)、事故處置模擬訓練體感交互裝備、模擬訓練綜合評估系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示?；谑鹿蕬本仍A案，使用組態(tài)式重大災害情景構(gòu)建軟件，結(jié)合音響系統(tǒng)、噴氣設(shè)備、霧化設(shè)備、無害化學原料等仿真事故環(huán)境，進行情景三維構(gòu)建與推演，實現(xiàn)典型危險化學品事故情景模擬與交互。并針對易燃易爆危險化學品事故，開發(fā)交互座椅，交互裝備可以實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)交互，完成易燃易爆危險化學品事故現(xiàn)場任務及信息交互?；谖ｋU化學品事故處置模擬訓練系統(tǒng)及全體感交互裝備，研究參訓人員在危險環(huán)境下的生理和心理基本體征，如心跳、血壓、體溫等，開展應急救援人員模擬訓練與評估。

圖1 危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練系統(tǒng)架構(gòu)

在典型最壞場景構(gòu)建及風險分析基礎(chǔ)上，利用體感交互設(shè)計模型以及事故動態(tài)可視化技術(shù)，研究事故現(xiàn)場信息的融合及多方共享技術(shù)，建立危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練裝備與系統(tǒng)，為救援隊伍解決單純VR操作培訓、計算機仿真應急演練時事故現(xiàn)場還原難、模擬真實性差、缺少感知交互等問題，旨在通過技能培訓提高應急響應人員重特大事故的防范能力和應急救援效率。

2 事故處置模擬訓練模型

利用虛擬現(xiàn)實等三維可視化技術(shù)，結(jié)合?；菲髽I(yè)事故專題模型和數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒒馂臒彷椛洹怏w泄漏范圍等事故形態(tài)進行三維仿真，結(jié)合?；菲髽I(yè)三維模型，能夠讓參訓者直觀地感受到事故過程及影響范圍，對事故應急處置能力的提高、減小事故影響范圍將起到重要的作用。

2.1 熱輻射模型

熱輻射造成傷害的主要形式是熱輻射通量，采用Mudan計算法對熱輻射通量進行計算，火焰對距離火焰中心水平距離為

x

的某一處目標點的熱輻射通量公式如下：

q

=

E

·

F

·

τ

(1)

式中：

q

——火焰對距離火焰中心水平距離

x

的位置點的熱輻射通量，kw/m；

E

——火焰表面平均熱輻射通量，w；

F

——視角系數(shù)；

τ

——大氣透射系數(shù)。其中

F

受風向、風速對熱輻射通量的影響，見公式(2)。

(2)

池火、噴射火需要考慮時間的影響，因此是一個持續(xù)的過程，還需要考慮風向、風速的影響，且應用相對較廣；閃火、BLEVE火球多為瞬時過程，持續(xù)時間很短，風向、風速的影響可以不用考慮，該兩種模型應用較少。熱輻射模擬效果詳見圖2所示。

圖2 熱輻射模擬計算可視化效果

2.2 氣體泄漏模型

泄漏模型主要是基于經(jīng)典高斯煙羽模型模擬氣體的連續(xù)泄漏擴散，基于經(jīng)典高斯煙團模型模擬氣體的瞬時泄漏擴散。

煙羽模型的數(shù)學模型為：

C

(

x

,

y

,

z

,

H

)=

(3)

式中：

x

——目標位置距泄漏源下風向的距離，m；

y

——目標點位置距泄漏源橫向的距離，m；

z

——目標點與地面距離，m；

H

——氣體泄漏點距地面距離，m；

Q

——氣體泄漏的總量，m；

u

——泄漏時平均風速，m/s；

σ

，

σ

——氣體在水平方向上泄漏擴散參數(shù)；

σ

——氣體垂直方向擴散參數(shù)。

高斯煙團的數(shù)學模型為：

(4)

式中:

t

——泄漏氣體持續(xù)時間，s；(

x

,

y

,

z

)——泄漏點坐標；(

x

,

y

,

z

)——

t

時刻采樣點坐標。

基于數(shù)學理論，結(jié)合OpenGL開發(fā)工具，在可視化系統(tǒng)渲染引擎的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對氣體泄漏的三維可視化模擬。

3 事故處置模擬虛擬交互裝備

3.1 事故處置模擬多感知交互座椅

危險化學品事故處置模擬多感知交互座椅為事故現(xiàn)場模擬協(xié)同訓練裝備，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行原景重現(xiàn)，并同步實現(xiàn)場景多感知數(shù)據(jù)交互，完成危險化學品事故現(xiàn)場訓練任務及信息交互。

多感知交互座椅包括：六自由度電缸平臺、鋼化玻璃座椅、數(shù)據(jù)采集組件和環(huán)境模擬組件，根據(jù)事故場景進行多角度實時位移及俯仰。而六自由度電缸平臺的六軸定點運動，是根據(jù)輸入的六軸數(shù)據(jù)通過運動學解算，求出六缸伸縮量，驅(qū)動六自由度平臺從一個姿態(tài)到另一個姿態(tài)。如圖3所示，軟件提供六軸連續(xù)運動的輸入方式，可設(shè)定六軸的正弦運動的振幅、頻率和相位，經(jīng)過測試，六缸伸縮量與實驗標記點位誤差率均能夠滿足工況要求。

圖3 設(shè)定六軸正弦運動參數(shù)

多感知交互座椅無線接口采用了AP6212模塊，該模塊為一種具備WiFi、藍牙以及FM功能的低功耗芯片。該模塊支持IEEE 802.11 b/g/n標準，Bluetooth V4.0標準，支持單天線同時接受藍牙與WLAN功能。

3.2 多感知交互座椅體感環(huán)境模擬組件

基于氣體泄漏、火災熱輻射范圍、爆炸范圍等事故形態(tài)的參數(shù)化表達數(shù)據(jù)，通過用戶、多感知交互座椅和虛擬場景三者交互，實現(xiàn)環(huán)境組件對于仿真情景的多感知模擬。用戶進入多感知交互座椅并連接環(huán)境模擬設(shè)備，同時在虛擬場景中觸發(fā)距離感應；計算機將距離觸發(fā)感應信號實時傳遞給多感知交互座椅的電路系統(tǒng)，驅(qū)動環(huán)境模擬組件對感應電信號進行轉(zhuǎn)化，模擬還原多感知體感效果；最終，多感知交互座椅內(nèi)的用戶能夠感受到高仿真體感變化。

以熱源、風源控制模塊為例，采用P620光電耦合器獲取交流脈動電路中電流的的正弦波信號的過零點，獲取觸發(fā)可控硅的同步脈沖信號，可控硅采用BT41-1200，耐壓1 200 V，電流40 A?？煽毓柰ㄟ^MCS3052光耦隔離觸發(fā)，通信采用HM-12C雙模藍牙，發(fā)射距離60 m。經(jīng)過測試，通信響應時間與響應丟失率均能夠滿足工況要求，通信響應測試結(jié)果詳見圖4所示。

圖4 熱源風源同步信號通信響應測試

為確保受訓人員安全，將熱源模擬組件設(shè)置11個檔位、溫度范圍45～55 ℃，用以模擬事故現(xiàn)場300～800 ℃環(huán)境。此外，將風源模擬組件設(shè)置11個檔位，模擬事故現(xiàn)場50～150 m/h環(huán)境。

3.3 基于邏輯編輯器的應急預案三維快速構(gòu)建平臺

在危險化學品事故處置模擬訓練系統(tǒng)中，選擇典型最壞場景構(gòu)建的災害模型、應急響應人員與應急裝備模型，基于邏輯編輯器設(shè)置事故災害后果事件、人員與裝備動作事件，并按時間軸梳理不同事件的先后次序與邏輯關(guān)系，形成編輯好的三維數(shù)字化預案。

三維數(shù)字化預案的邏輯表達與快速構(gòu)建，是將救援過程中具象化的關(guān)鍵角色(如外操、消防員、消防車輛與消防裝備等)與其自帶的屬性動作按照實際規(guī)則排列組合，形成可供編排的獨立事件，再通過邏輯編輯器，將不同的獨立事件按照應急邏輯關(guān)系串聯(lián)起來，最終實現(xiàn)數(shù)字化應急預案的三維快速構(gòu)建。

4 事故應急救援人員模擬訓練綜合評估系統(tǒng)

通過無線傳感器采集到人員皮電、心電、肌電、脈搏、呼吸、皮溫、體溫等生理信息以及人員動作行為信息。對采集到的信息進行打分，使各類數(shù)據(jù)的取值范圍在[0,1]之間，同時給出心理因素評估指標清單并在[0,1]內(nèi)進行打分，然后采用一種類歐拉距離的評價概念計算歸納各因素得出一個綜合評價值，最后將所得的綜合評價值進行分級。

4.1 綜合評估指標體系構(gòu)建

對于傳感器采集因素，重點對皮電活動(Electrodermal Activity，EDA)、心率變異性(Heart Rate Variability)、肌電圖(Electromyography，EMG)等指標進行了分析。

以皮電活動為例，因皮膚汗腺機能變化，人體的皮膚電阻、電導會發(fā)生改變，將此類可測量的皮膚電改變定義為皮電活動。皮電反應與個體的情緒、喚醒和注意力密切相關(guān)。皮電活動能夠非?？焖佟㈧`敏地反應刺激事件對個體的影響程度。皮電活動基本成分定義如表1所示。

表1 皮電活動基本成分定義

根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，進行個體差異標準化、時域分析、事件相關(guān)分析，并將分析后的數(shù)據(jù)交給相關(guān)專家在[0,1]內(nèi)進行打分(靠近0表示皮電活動越正常，靠近1表示皮電活動越異常)，得出皮電活動分析總體分值。根據(jù)生理評估因素和心理評估因素的分析，建立綜合評估指標體系。

4.2 ?；窇本仍藛T模擬訓練評估算法

參考風險矩陣的內(nèi)涵及形式，把傳感器采集數(shù)據(jù)、心理評估因素，看作是對應的

n

維空間坐標的坐標軸，而把坐標原點看作是基準點，采用這些影響因素的影響程度組成的

n

維空間坐標點對原點的空間距離或歐氏距離來表征危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練系統(tǒng)對個體的影響大小。用公式表示，即：

(7)

式中，

C

，

C

，…，

C

為所考慮的影響因素的評價值，取值范圍是[0,1]。

5 結(jié)論

研究成果在國家危險化學品應急救援某實訓基地對危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練設(shè)備與系統(tǒng)進行了示范應用，驗證了裝備和系統(tǒng)的可行性和適用性，解決了危險化學品事故現(xiàn)場還原難、危險化學品事故處置現(xiàn)場經(jīng)驗不足、缺少危險化學品事故處置應急指揮及救援經(jīng)驗、危險化學品事故現(xiàn)場情景構(gòu)建精度不高以及缺少交互式處置模擬訓練等問題，為危險化學品事故現(xiàn)場體感式訓練提供了新的思路與手段，下一步可對危險化學品事故現(xiàn)場的核心傷害因素開展研究，從而為實戰(zhàn)化訓練提供更加精準的體感信號。