摘  要： 以應(yīng)急預(yù)案為藍(lán)本，以災(zāi)害模型為理論依據(jù),，以3D場(chǎng)景為平臺(tái)建立了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的應(yīng)急演練系統(tǒng),。采用基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的災(zāi)害擴(kuò)散模型和基于勢(shì)函數(shù)的滅火流程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害場(chǎng)景編輯,、突發(fā)事件注入,、事件接報(bào)、事件分析研判,、決策標(biāo)繪,、演練執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集及演練總結(jié)等一系列應(yīng)急演練流程,。
關(guān)鍵詞： 3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎,；應(yīng)急演練；細(xì)胞自動(dòng)機(jī),；勢(shì)函數(shù),；災(zāi)害模型

    真實(shí)應(yīng)急演練存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大和不能循環(huán)利用等缺點(diǎn),，構(gòu)建虛擬應(yīng)急演練成為當(dāng)前應(yīng)急演練的一個(gè)趨勢(shì)[1],。虛擬應(yīng)急演練是基于信息技術(shù)模擬真實(shí)演練的系統(tǒng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的崗位培訓(xùn)和應(yīng)急指揮的決策支持,。目前，虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)主要基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和地理信息技術(shù)的決策支持,，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸成熟,，以分布式虛擬環(huán)境[2-3]為基礎(chǔ)的應(yīng)急演練系統(tǒng)逐步成為市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)[4],。
　由于網(wǎng)絡(luò)游戲具有協(xié)同性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)游戲引擎實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練系統(tǒng)成為可能,。徐守祥[5]等以火災(zāi)軟件模型和數(shù)字城市為基礎(chǔ),，針對(duì)消防演練和火災(zāi)科學(xué)研究的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，提出了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的消防虛擬現(xiàn)實(shí)體系結(jié)構(gòu),。賀日興[6]等基于游戲引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地鐵3維虛擬演練系統(tǒng),。SMITH S P[7]認(rèn)為第一人稱(chēng)射擊類(lèi)游戲FPS（First Personal Shooter）非常適合建立演練環(huán)境，率先提出使用計(jì)算機(jī)游戲開(kāi)發(fā)建立虛擬環(huán)境快速原型的思想,，并以此方法于2009年建立了火災(zāi)撤離訓(xùn)練演示系統(tǒng)[8],。這些系統(tǒng)大都關(guān)注角色的技能培訓(xùn)方面，如消防員如何訓(xùn)練滅火流程,。為了滿(mǎn)足應(yīng)急演練過(guò)程中應(yīng)急指揮和部門(mén)間的協(xié)同配合需要,，本文在3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎和災(zāi)害仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案處置流程搭建出應(yīng)急演練系統(tǒng),。
　細(xì)胞自動(dòng)機(jī)被廣泛用于火災(zāi)蔓延過(guò)程[9],，黃光球[10]等提出了基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型的地下礦火災(zāi)發(fā)生時(shí)火災(zāi)在巷道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中蔓延的可視化仿真方法，孟曉靜[11]等構(gòu)建了基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的城市地震次生火災(zāi)蔓延概率模型,。這些研究都是根據(jù)災(zāi)害場(chǎng)景特點(diǎn)進(jìn)行建模,，沒(méi)有結(jié)合災(zāi)害模型進(jìn)行討論。本文將細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和災(zāi)害模型相結(jié)合實(shí)現(xiàn)火災(zāi)蔓延過(guò)程,。
1 系統(tǒng)框架及功能模塊
　本應(yīng)急演練系統(tǒng)基于Torque 3D游戲引擎設(shè)計(jì),。系統(tǒng)功能可分成8個(gè)子系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。其中,，角色子系統(tǒng)包含演練所涉及角色，包括客戶(hù)端控制類(lèi)和AI類(lèi),，客戶(hù)端控制類(lèi)包括各參演單位的領(lǐng)導(dǎo),、工作人員領(lǐng)隊(duì)、演練編導(dǎo)和演練指揮領(lǐng)導(dǎo)等,；而AI類(lèi)角色則包括各參演單位的工作人員,。粒子特效子系統(tǒng)管理場(chǎng)景所涉及粒子系統(tǒng)包括煙霧、毒氣,、火和噴射水等,。在這些子系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)急演練的邏輯功能。

?。?）場(chǎng)景編輯模塊
　該模塊的功能是布置演練場(chǎng)景,，包括設(shè)置演練天氣及其變化情況、災(zāi)害模型,、參演單位及人數(shù),、設(shè)備配置和受災(zāi)場(chǎng)地布局等,。其中，天氣變化情況設(shè)置風(fēng)力和風(fēng)向變化情況,，災(zāi)害模型通過(guò)傳入的外界作用參數(shù)根據(jù)模型進(jìn)行演化,。
　（2）災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延模塊
該模塊主要根據(jù)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型,，采用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)機(jī)制模擬出災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延過(guò)程,，參見(jiàn)本文第2節(jié)。
?。?）事件接報(bào)模塊
　本模塊功能為應(yīng)急辦工作人員接報(bào)警及上報(bào)事件,，該模塊角色應(yīng)能根據(jù)事態(tài)發(fā)展生成事態(tài)報(bào)告，實(shí)時(shí)匯報(bào)給決策者,。
?。?）事件分析研判模塊
專(zhuān)家領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)匯報(bào)的事態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻,，對(duì)事態(tài)走勢(shì)進(jìn)行分析,，包括天氣情況、救援隊(duì)伍及救援情況,、災(zāi)害影響分析和場(chǎng)地分析等,，最終得出研判報(bào)告。
?。?）決策標(biāo)繪模塊
應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)研判報(bào)告進(jìn)行決策,，各參演單位根據(jù)決策結(jié)果在場(chǎng)景中進(jìn)行標(biāo)繪。
?。?）演練執(zhí)行模塊
決策標(biāo)繪完成后進(jìn)入演練執(zhí)行模塊,，該模塊提供參演單位角色之間的對(duì)話(huà)通信功能，各參演單位根據(jù)標(biāo)繪結(jié)果展開(kāi)救援,。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括施救方案（如消防員如何滅火,，如何營(yíng)救被困人員，醫(yī)護(hù)人員如何現(xiàn)場(chǎng)救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等,。
?。?）數(shù)據(jù)采集模塊
　系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集場(chǎng)景數(shù)據(jù)，跟蹤災(zāi)害事態(tài)變化,。采集的信息包括現(xiàn)場(chǎng)被困人員情況,、災(zāi)害覆蓋范圍、現(xiàn)場(chǎng)救援情況和環(huán)境數(shù)據(jù)等,，以供專(zhuān)家,、領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)一步研判和決策。該模塊也為演練總結(jié)、處置預(yù)案生成等提供手段,。
?。?）事件注入模塊
　事件注入包括人為注入事件和捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入，人為注入事件是指編導(dǎo)角色在演練過(guò)程中改變場(chǎng)景的某些設(shè)置（如演練前為晴天,，在演練進(jìn)行中改為雨天，風(fēng)力改變等）以及指派某一突發(fā)事件等,。而捕捉的環(huán)境數(shù)據(jù)注入是指通過(guò)傳感設(shè)備采集到的外界數(shù)據(jù),，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成場(chǎng)景內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù),，如外界溫度,、濕度、風(fēng)力,、風(fēng)向等,。
　（9）演練總結(jié)模塊
　演練結(jié)束后進(jìn)行總結(jié),，總結(jié)的內(nèi)容包括根據(jù)應(yīng)急預(yù)案的處置流程對(duì)參演單位進(jìn)行評(píng)估考核,，檢驗(yàn)參演單位對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力和協(xié)同配合能力。

　目標(biāo)接收的熱通量q（r）刻畫(huà)了池火所產(chǎn)生的熱輻射對(duì)周?chē)矬w的影響,，目標(biāo)距離池火越近,，其接收的熱通量將越多，受到的傷害也將越大,。目標(biāo)接收熱通量的計(jì)算公式為：
　q（r）=q0V（1-0.058lnr）（2）
　其中,，r為目標(biāo)到池火中心的水平距離，V為目標(biāo)的視角系數(shù),。
　在本演練系統(tǒng)中,，通過(guò)將式（2）與演練設(shè)置的相關(guān)參數(shù)（如儲(chǔ)罐存儲(chǔ)液體類(lèi)型、儲(chǔ)罐儲(chǔ)量,、儲(chǔ)罐泄漏量,、人員距離池火的水平距離）相結(jié)合，確定儲(chǔ)罐池火的熱輻射對(duì)位于不同距離之外事物的影響程度,，并以直觀的形式在演練場(chǎng)景中進(jìn)行表現(xiàn),，并以此作為后續(xù)災(zāi)害蔓延和撲救依據(jù)。
?。?）在池火的表面熱通量與場(chǎng)景池火的火焰粒子系統(tǒng)之間建立數(shù)學(xué)映射關(guān)系,，通過(guò)對(duì)火焰粒子系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬火勢(shì)的大小與火勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化,。
?。?）根據(jù)目標(biāo)接收的熱通量，將池火的影響范圍劃分為死亡、重傷,、輕傷和安全4個(gè)范圍,，并在演練場(chǎng)景中通過(guò)不同顏色的圓圈進(jìn)行標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)根據(jù)火勢(shì)發(fā)展,，對(duì)池火的上述影響范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新,，幫助參與演練者及時(shí)掌握火勢(shì)的發(fā)展情況。
2.2 基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬災(zāi)害蔓延及傷害模型
　對(duì)于災(zāi)害蔓延過(guò)程,，將場(chǎng)景中事故涉及點(diǎn)分為多個(gè)相互連通的網(wǎng)格,，每個(gè)網(wǎng)格根據(jù)其燃燒特性（如物品的易燃情況）排放細(xì)胞出生點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境因素確定細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力演化方程,，將這些方程轉(zhuǎn)換到3D引擎中粒子系統(tǒng)的參數(shù)中,，生成相應(yīng)的粒子系統(tǒng)蔓延過(guò)程。
　細(xì)胞自動(dòng)機(jī)一般由細(xì)胞空間,、細(xì)胞的狀態(tài)空間,、細(xì)胞鄰居及局部演化規(guī)則4部分組成[11]，可用一個(gè)四元組（Ld,，S,，V，f）表示,。其中,，Ld為細(xì)胞空間，d為細(xì)胞空間的維數(shù),；S為細(xì)胞的有限狀態(tài)集,；V表示一個(gè)所有鄰域內(nèi)細(xì)胞的組合；f表示細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力演化方程,，該演化方程是根據(jù)細(xì)胞當(dāng)前狀態(tài)及其鄰居狀態(tài)確定下一時(shí)刻該細(xì)胞狀態(tài)的演化規(guī)則,。
　對(duì)于池火災(zāi)模型而言，考慮到易燃液體的存儲(chǔ)布局,，災(zāi)害蔓延可在二維平面模擬,，因而只需考慮二維CA模型，即d=2,。二維CA模型的細(xì)胞空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用平面方形網(wǎng)格,，每個(gè)網(wǎng)格代表一個(gè)CA模型的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞定義為Cij,，整個(gè)細(xì)胞空間定義為：
　L2={Cij|i,，j∈{0，1,，2,，…，N}}（3）
　通常二維細(xì)胞自動(dòng)機(jī)考慮兩種鄰域：一種是Von Neumann鄰域，由一個(gè)中心細(xì)胞和4個(gè)位于其東西南北方位的細(xì)胞組成,；另一種是Moore鄰域,，它還包括次鄰近的位于東北、西北,、東南和西南方位的4個(gè)細(xì)胞,。對(duì)于位置為（m，n）處的細(xì)胞,，V的取值組合如表1所示,。

　（1）災(zāi)害蔓延過(guò)程
　對(duì)于災(zāi)害蔓延過(guò)程的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)而言,，S只有{0，1}兩種狀態(tài),，其中0表示沒(méi)有起火,，1表示起火。起火后,，火勢(shì)大小只與該細(xì)胞自身因素和環(huán)境因素有關(guān),，而與周邊的火勢(shì)無(wú)關(guān)。
　根據(jù)式（2）,，災(zāi)害蔓延的動(dòng)力演化方程可表示為：

3 結(jié)果展示
　根據(jù)上述功能,，本文實(shí)現(xiàn)了基于3D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的應(yīng)急演練系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬的部分結(jié)果如圖4所示,。其中圖4（a）,、圖4（b）為災(zāi)害產(chǎn)生及蔓延模塊。采用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬災(zāi)害蔓延及傷害過(guò)程,，對(duì)于災(zāi)害蔓延過(guò)程,，i、j取值采用Von Neumann鄰域,，設(shè)定儲(chǔ)罐起火閾值,，當(dāng)接收相鄰儲(chǔ)罐的熱通量達(dá)到閾值時(shí)，該儲(chǔ)罐起火,。同樣,，設(shè)定在場(chǎng)人員的輕傷、重傷和致命傷害的傷害閾值,，當(dāng)接收儲(chǔ)罐的熱通量達(dá)到對(duì)應(yīng)閾值時(shí),，人員就進(jìn)入相應(yīng)的傷害狀態(tài)。圖4（c）為演練執(zhí)行模塊,，實(shí)現(xiàn)了基于勢(shì)函數(shù)的滅火流程,。

　與其他虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景編輯和突發(fā)事件功能，因而適用范圍更廣,，更能體現(xiàn)應(yīng)急演練的效果,。同時(shí)，本系統(tǒng)以應(yīng)急預(yù)案和災(zāi)害模型為依據(jù),，更具有科學(xué)性,。下一步將考慮與GIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)災(zāi)害場(chǎng)景的模擬與標(biāo)繪,，使系統(tǒng)能夠進(jìn)一步實(shí)用化,。
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