基于3 D網(wǎng)絡(luò)游戲引擎的應(yīng)急演練系統(tǒng)*

陳建剛 ，徐守祥 ，黃國偉 ，何 濤

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 深圳 518172；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字媒體學(xué)院，廣東 深圳 518172；3.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，廣東 深圳 518172）

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[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)為第一人稱射擊類游戲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。為了滿足應(yīng)急演練過程中應(yīng)急指揮和部門間的協(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)害場景特點(diǎn)進(jìn)行建模，沒有結(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，包括客戶端控制類和AI類，客戶端控制類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。

圖1 系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)框圖

圖2給出了虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)功能模塊的劃分，下面簡單介紹各模塊功能。

圖2 虛擬應(yīng)急演練功能模塊流程

（1）場景編輯模塊

該模塊的功能是布置演練場景，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)生及蔓延過程，參見本文第2節(jié)。

（3）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。

（4）事件分析研判模塊

專家領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)匯報(bào)的事態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場視頻，對事態(tài)走勢進(jìn)行分析，包括天氣情況、救援隊(duì)伍及救援情況、災(zāi)害影響分析和場地分析等，最終得出研判報(bào)告。

（5）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)果在場景中進(jìn)行標(biāo)繪。

（6）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話通信功能，各參演單位根據(jù)標(biāo)繪結(jié)果展開救援。涉及的技術(shù)點(diǎn)包括施救方案（如消防員如何滅火，如何營救被困人員，醫(yī)護(hù)人員如何現(xiàn)場救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等。

（7）數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集場景數(shù)據(jù)，跟蹤災(zāi)害事態(tài)變化。采集的信息包括現(xiàn)場被困人員情況、災(zāi)害覆蓋范圍、現(xiàn)場救援情況和環(huán)境數(shù)據(jù)等，以供專家、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。

（8）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)角色在演練過程中改變場景的某些設(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)注入是指通過傳感設(shè)備采集到的外界數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成場景內(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)案的處置流程對參演單位進(jìn)行評估考核，檢驗(yàn)參演單位對突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力和協(xié)同配合能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 災(zāi)害傷害模型

本系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)了池火災(zāi)傷害模型和毒物擴(kuò)散傷害模型，現(xiàn)以池火災(zāi)傷害模型[12]為例進(jìn)行簡單介紹。

池火災(zāi)傷害模型如圖3所示。易燃液體儲(chǔ)罐進(jìn)行裝卸、存儲(chǔ)過程中，有可能發(fā)生易燃液體泄漏并引發(fā)火災(zāi)事故。池火災(zāi)傷害模型以這類事故為研究對象，可應(yīng)用于確定池火熱輻射對人員財(cái)物的傷害程度等方面。在池火模型中，池火以圓柱形火焰的形式進(jìn)行描述、建模，并假設(shè)池火熱輻射均勻向外擴(kuò)散；而池火對周圍人員、環(huán)境的影響可由池火表面熱通量q0與目標(biāo)接受熱通量 q（r）共同描述。

池火表面熱通量q0刻畫了池火火焰表面散發(fā)的熱量，池火表面熱通量越大，則其影響的范圍將越廣。池火表面熱通量的計(jì)算公式為：

圖3 池火災(zāi)傷害模型

其中，L為池火火焰高度，D為池火直徑，mf為易燃液體的燃燒速率，ΔHc為易燃液體的燃燒熱，f為熱輻射系數(shù)。

目標(biāo)接收的熱通量q（r）刻畫了池火所產(chǎn)生的熱輻射對周圍物體的影響，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：

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)。

（1）在池火的表面熱通量與場景池火的火焰粒子系統(tǒng)之間建立數(shù)學(xué)映射關(guān)系，通過對火焰粒子系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬火勢的大小與火勢的動(dòng)態(tài)變化。

（2）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，并在演練場景中通過不同顏色的圓圈進(jìn)行標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)根據(jù)火勢發(fā)展，對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

對于災(zāi)害蔓延過程，將場景中事故涉及點(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：

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)害蔓延過程

對于災(zāi)害蔓延過程的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)而言，S只有{0，1}兩種狀態(tài)，其中0表示沒有起火，1表示起火。起火后，火勢大小只與該細(xì)胞自身因素和環(huán)境因素有關(guān)，而與周邊的火勢無關(guān)。

表1 （m，n）位置處不同鄰域的取值組合

根據(jù)式（2），災(zāi)害蔓延的動(dòng)力演化方程可表示為：

其中，wi，j表示周邊細(xì)胞的權(quán)重系數(shù)，該權(quán)重系數(shù)由風(fēng)力、風(fēng)向和天氣等環(huán)境因素決定。當(dāng)采用不同鄰域模型時(shí)，i、j取值也不同，如表1所示。根據(jù)儲(chǔ)罐排列方式?jīng)Q定采用哪種鄰域。

當(dāng)q（r）超過細(xì)胞的傷害閾值時(shí)，該細(xì)胞的狀態(tài)S由0變?yōu)?，表示該細(xì)胞起火。

（2）傷害模型

對于傷害模型的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，S表示細(xì)胞產(chǎn)生的傷害程度，將細(xì)胞產(chǎn)生的傷害程度劃分為 {致命傷害，重傷，輕傷，安全}4種狀態(tài)，用目標(biāo)接收的熱通量值表示這4種范圍。

根據(jù)式（2），傷害模型的動(dòng)力演化方程可表示為：

當(dāng)q（r）超過人員對應(yīng)的傷害閾值時(shí)，該人員就進(jìn)入相應(yīng)的傷害狀態(tài)。由式（5）可以看出，傷害狀態(tài)只會(huì)嚴(yán)重，而不會(huì)減弱。

2.3 基于勢函數(shù)的滅火流程

對AI角色而言，若要達(dá)到最佳滅火效果，需要靠近火源，由上述傷害模型可知，火勢對AI角色的傷害會(huì)增大。需尋找合適距離以保證既能產(chǎn)生滅火功效，又能規(guī)避傷害。這種情況與勢函數(shù)模型相吻合，勢函數(shù)表示為：

對于滅火場景，相應(yīng)的勢函數(shù)可表示為

其中，參數(shù)A、B可分別根據(jù)滅火設(shè)備噴射的粒子系統(tǒng)的屬性和火粒子系統(tǒng)的屬性預(yù)定設(shè)定。采用勢函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)AI消防人員自動(dòng)滅火過程，將火勢對人的傷害作為斥力分量，將滅火器滅火功效作為引力分量，通過控制AI角色在規(guī)避傷害前提下，根據(jù)火勢大小不斷調(diào)整AI角色與火源距離，實(shí)現(xiàn)AI角色的自動(dòng)滅火過程。

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)害蔓延及傷害過程，對于災(zāi)害蔓延過程，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)了基于勢函數(shù)的滅火流程。

圖4 應(yīng)急演練系統(tǒng)的模擬結(jié)果

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)對真實(shí)災(zāi)害場景的模擬與標(biāo)繪，使系統(tǒng)能夠進(jìn)一步實(shí)用化。

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