基于C#和Arc Engine的毒氣擴散仿真系統的設計與實現

張慶龍，戴毅茹，趙榮泳

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

隨著仿真技術的發展，氣體擴散過程的模擬仿真研究進入了一嶄新的階段。目前GIS技術已經逐漸被用于氣體擴散過程的模擬仿真，它是一種以地理空間數據庫為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間動態的地理信息，為相關研究和決策服務的計算機技術系統。從技術和應用的角度，GIS具有強大的空間分析、模擬及可視化表達能力[1]。ArcGIS Engine是在ArcGIS9版本才開始推出的新產品，是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫[2]。

本文基于C#開發語言和ArcGIS Engine繪圖技術，采用C/S模式設計了毒氣擴散動態仿真系統。仿真系統選擇具有連續性泄漏特點的毒氣擴散模型，采用C#和ArcGIS Engine提供的繪圖方法及關鍵技術對具體空間環境和氣象條件下連續點源氣體的擴散過程進行了直觀形象的模擬和分析[3]，取得了較好的效果。

1 總體設計

1.1 需求規定

毒氣擴散仿真系統是毒氣泄漏突發事件模擬仿真的重要工具。系統要求能按照毒氣泄漏事件發生后的時間t模擬毒氣擴散的狀態，并將相應仿真數據提供給用戶。系統操作方式需要簡單，界面需要簡潔直觀，方便用戶操作和觀看仿真結果。

1.2 運行環境

本系統的運行環境分為硬件環境和軟件環境。硬件環境：內存1G以上，主頻2.2GHz以上的服務器端計算機，內存512MB以上。軟件環境：Window 2000以上的操作系統，安裝Framework 3.5以上環境，數據庫服務器為Arc Engine 9.3平臺。選擇Arc Engine 9.3是因為它可以為繪制的圖形提供數據存儲和記錄的功能，且安全性能高，另外還可以提供相應繪圖需要的組件和工具。本系統采用Visual Studio 2005開發，因為該版本的VS跟Arc Engine 9.3具有良好的兼容性，且.NET平臺具有良好的可移植性和通用性。

1.3 設計原則

系統設計遵循現在氣體擴散仿真軟件的主流特點，并融入實時性的特點，確保系統的現實性、實用性、安全性和準確性。軟件開發過程中采用國際通用的軟件開發標準和工具，確保系統的可維護性和擴展性。

2 系統設計與實現

2.1 系統架構設計

由于毒氣擴散的動態仿真是以ArcGIS Engine的繪圖方法進行繪制的，因此，如何將ArcGIS Engine和二次開發的平臺有效結合，利用建立的毒氣擴散模型進行動態模擬也是需要解決的關鍵問題。考慮到二次開發平臺的兼容性，選擇ArcGIS Engine 9.3與C#2005結合作為二次開發的環境，并采用ArcGIS Engine繪圖方法實現了毒氣擴散仿真系統，有效地解決這個問題，整個動態仿真系統的架構和仿真系統結構見圖1。

圖1 動態仿真系統架構和仿真系統結構圖

仿真計算層主要負責支撐和運行一個仿真的環境，維護仿真系統的時間一致性，推行仿真進程的運行，管理仿真對象的數據分發和所有權，分配仿真對象任務，維護仿真對象屬性等功能。

擴散仿真層由5大模塊組成，如圖所示，主要負責毒氣擴散仿真模型的運行，毒氣擴散狀態圖的顯示，用戶接口的交互及評價指標的生成等工作。

基礎信息模塊：5個模塊中最底層的模塊。主要功能：保存地圖上一切仿真要素信息；保存用戶設置的仿真參數；與 “永久性”存儲數據的交互 （讀取和寫入）；提供所有需要的數學計算函數。

繪圖模塊：所有的與圖形繪制相關的函數和方法都由這個模塊負責。

鼠標交互模塊：實現不同狀態下用戶的鼠標策略。

Arc Engine引用庫模塊：為Paint模塊提供引用庫。

用戶界面模塊：維護Interaction界面除外的所有用戶界面；捕捉用戶鼠標信息，根據鼠標的信息調用相應模塊；直接通過用戶界面設置Base中的相關信息。

2.2 仿真程序核心算法設計

基本思想是，先確定泄漏點，然后在一定的氣象和物理條件下，利用高斯煙羽模型得到毒氣擴散范圍的坐標值，將坐標值轉換到Arc Engine地圖的投影坐標系下，然后使用C#語言將轉換后的毒氣擴散范圍坐標值在Arc Engine地圖上呈現出毒氣擴散致死區、重傷區和輕傷區的等濃度區域分布圖，算法流程見圖2。其中，模擬范圍為下風向1500m以內，每5s計算一次毒氣擴散范圍。

圖2 核心算法流程圖

2.3 系統基本功能

毒氣擴散仿真系統由地圖導入、事故點建模、風向建模、毒氣模型參數設置和毒氣繪制五個部分組成。

采用ArcGIS Desktop設計系統需要的地圖。在模擬毒氣擴散的同時，系統自動計算出每個時間點對應的三個毒氣擴散區域即死亡區、重傷區和輕傷區的擴散縱深。

2.4 系統實現的關鍵技術

（1）氣體擴散模型選擇。近年來，國內外對氣體泄漏擴散模型進行了大量研究和改進，已經有多個成熟危化品氣體擴散模型，如高斯模型、Sutton模型、平板模型等[4,5]。目前，危化品氣體擴散模型依據泄漏源的毒氣泄漏類型，可以分為瞬時型模型和連續型模型。具體選擇哪種毒氣擴散模型由應急疏散仿真系統的場景和特點決定。基于大范圍疏散場景和大規模、長時間連續泄漏的特點，選連續型高斯煙羽模型作為擴散模型。

高斯煙羽模型[6]，又稱為中等密度云連續擴散模型。有界的連續點源擴散高斯煙羽模型表達：

（2）Arc Engine繪圖方法。在使用模型進行模擬分析時，需要將默認的坐標系轉換成Arc Engine地圖的投影坐標系[7]；Geometry是Arc Engine中使用最為廣泛的對象集之一。通過Geometry可以繪制點、線（直線或曲線）、面等要素。利用這些基本的要素可以繪制毒氣擴散區域圖。按照直觀性的特點，對擴散區域進行渲染。按照毒氣擴散區域覆蓋的區域可視化特點，對擴散區域所在圖層進行透明化處理，因此，選擇要素作為需要繪制的對象。

（3）模型計算。高斯煙羽模型的實現是毒氣擴散模擬實現的關鍵問題，本仿真系統采用clsDiffusionModel類實現。因此，clsDiffusionModel類的實現是仿真系統實現的關鍵。

3 系統應用舉例

本文選取上海吳涇化工區為地圖，地圖范圍（2.2×3.6）Km。以表1和表2的初始條件為例，利用仿真系統對吳涇化工區附近突發的毒氣泄漏事件進行模擬仿真，并對毒氣擴散的區域縱深與高斯煙羽模型的關鍵參數的關系進行了簡要研究。

表1 初始條件

表2 初始條件

3.1 基于表1初始參數的毒氣擴散區域圖

圖3 t=10min和t=15min毒氣擴散示意圖

3.2 基于表1初始參數的毒氣擴散區域縱深與時間t的關系圖

圖3表明在不同時刻的毒氣擴散區域圖，圖4更詳細地表明了在初始條件下，毒氣擴散區域縱深與泄漏發生后時刻t的關系。該系統不僅可以動態模擬毒氣擴散的狀況，還可以通過調節高斯煙羽模型關鍵參數，模擬出不同的毒氣擴散情景，這樣增加了仿真系統的可塑性。

圖4 毒氣擴散區域縱深和時間t的關系圖

4 結論

本文以突發的毒氣泄漏事件為研究背景，對Arc Engine仿真技術在毒氣擴散仿真中的應用進行了細致研究，實現了基于Arc Engine仿真技術和高斯煙羽模型的毒氣擴散動態仿真系統。系統不僅使毒氣泄漏的擴散狀態直觀化、準確化、實時化，而且對毒氣泄漏事故現場的預測、評估和后續人員疏散方案的制定具有良好的輔助決策作用。

[1]鐘登華，宋洋，黃河，鄭家祥.基于GIS水電工程施工系統的三維動態圖形仿真技術[J].系統仿真學報，2003，12.

[2]孫麗，高飛，胡小華，馬傳松.Arc Engine插件式GIS二次開發框架的設計和實現[J].測繪科學，2011，5.

[3]金陶勝，余志.基于GIS的汽車尾氣污染擴散仿真[J].系統仿真學報，2004，11.

[4]陳國華，張靜，潘游，等.區域風險評價方法研究[J].中國安全科學學報，2006，6.

[5]R.Ohba，A.Kouchi，T.Hara，V.Vieillard and D.Nedelka.Validation of Heavy and Light Gas Dispersion Models for the Safety Analysis of LNG Tank[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries.2004，5.

[6]鄧金華，沈賢明，張保平，王建兵.Mat lab在化學危險性氣體擴散模擬分析中的應用[J].中國安全生產科學技術，2005，5.

[7]劉進忙，張曉剛.經緯度坐標變換及其在防空C3I系統中的應用[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2002，1.