基于VR技術的實驗室安全事故應急處置系統設計

王軍 王衛宏 姜瑋

摘 ?要： 為了提高實驗室安全管理和監控力量，提供安全穩定的科研環境，充分利用VR技術的高度逼真模擬功能，設計實現了實驗室安全事故應急處置系統。系統中各種傳感器采集實驗室環境信息，基于該信息VR系統裝置構建實驗室安全事故模型庫，模擬實驗室安全事故數值，并實現事故現場可視化重建。在此基礎上，實驗室安全監控裝置實現事故報警信息分析、處理后，依據報警信息切斷實驗室內電源、啟動排風系統、清空實驗室內所有人員。同時VR系統裝置將模擬的安全事故應急處置現場可視化重建結果發送到反饋控制裝置，為事故應急處置提供可靠依據。經實驗驗證，該系統處置5次實驗室火災與爆炸事故的平均總用時為8.83 s，7.0 s，低于對比系統，應急處置效率高。

關鍵詞： VR技術; 實驗室安全; 事故應急處置; 可視化重建; 監控裝置; 系統設計

中圖分類號： TN082?34; G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0122?05

Abstract： A laboratory security accident emergency disposal system is designed and implemented by making full use of the high realistic simulation function of the VR technology， so as to improve security management and monitoring forces of the laboratory， and provide a safe and stable scientific research environment. In the system， the laboratory environmental information is collected by various sensors. The laboratory security accident model library is constructed on the basis of the information VR system device， so as to simulate the numerical values of laboratory security accidents， and realize visualized reconstruction of the accident scene. On this basis， the power supply in the laboratory is cut off， the exhaust system is started， and all personnel in the laboratory are cleared out according to the alarm information after analysis and processing of accident alarm information implemented by the laboratory security monitoring device. The VR system device sends the visualized reconstruction result of the simulated security accident emergency disposal scene to the feedback control device， so as to provide a reliable basis for emergency disposal of accidents. The experimental results show that the average total time consumptions for the system to deal with five laboratory fires and five explosion accidents are 8.83 s and 7.0 s， which are lower than those of the comparison system， and the system has a high emergency disposal efficiency.

Keywords： VR technology; laboratory security; accident emergency disposal; visualized reconstruction; monitoring device; system design

0 ?引 ?言

實驗室是為實驗提供專門場地的場所，是科學發展不可或缺的重要場所，為國家、科研機構以及學校提供科技服務、培養人才、科學研究的必備場所[1]。實驗過程需要用到大量儀器設備，以及品類眾多的化學藥劑，一些化學藥劑存在易燃易爆、劇毒或高破壞性等危險。實驗室所需環境存在較高差異，有些實驗需要嚴格滿足超高溫、超低溫、高電壓、高磁力、高輻射等特殊環境要求。有些實驗還會排放對生態環境或人類有危害的廢水廢氣甚至劇毒物質。近年來實驗室高發各種火災、中毒、環境污染以及人傷等事故，不僅給國家、科研機構以及學校造成大量財力損失，還會對人員生命安全造成嚴重威脅[2]，因此實驗室發生安全事故時，能快速有效應急處理事故，可降低經濟損失。設計高效實驗室安全事故應急處置系統，是目前急需解決的問題。虛擬現實（Virtual Reality）是集成人工智能、人機交互、CG技術、動態傳感等多項高新技術的一種綜合性技術。將VR技術用在實驗室安全事故應急處置系統中，由計算機通過VR技術創造出三維空間虛擬實驗室，為使用者模擬出對于實驗室真實場景發生安全事故的聽覺、視覺以及觸覺感受[3]，用戶通過設備交互操作虛擬實驗室，提高實驗室安全事故應急處置有效性。

1 ?設計實驗室安全事故應急處置系統

1.1 ?系統總體結構設計

實驗室安全事故應急處置系統由煙霧傳感器、紅外傳感器、電化學傳感器、壓力監控傳感器、溫濕度傳感器、電流電壓傳感器、聲光、電話報警裝置、實驗室安全監控裝置、VR系統裝置、反饋控制裝置、實驗室安全監控中心、數據庫與電腦、手機等終端等組成。系統總體結構圖見圖1。

圖1 ?應急處置系統總體結構圖

傳感器用于采集實驗室內各種異常情況信息：煙霧傳感器、紅外傳感器采集實驗室火災信息;電化學傳感器采集各種有毒有害、易燃易爆、化學物質（如氯化氫、一氧化碳、氨氣、氯乙烯、氯氣等）泄露信息;壓力監控傳感器采集實驗室內各種存儲有毒有害氣體易燃易爆氣體容器壓力數據;溫濕度傳感器采集實驗室各種設備異常信息[4];電流電壓傳感器采集實驗室內各種帶電設備電流電壓信息。各類型傳感器將采集到的實驗室中不同監控信息，反饋給VR系統裝置和實驗室安全監控裝置，實現室內安全事故的虛擬模擬和安全監控。

1.2 ?VR系統裝置設計

VR系統裝置在實驗室安全事故應急處置系統中具體過程為：基于實驗室內各種類型傳感器采集的數據，通過3ds MAX等建模工具建立實驗室基本模型，將實驗室數據利用系統數據接口導入VR系統中，利用Vega視覺仿真工具模擬實驗室內實際情況。VR系統裝置結構圖如圖2所示。

圖2 ?VR系統裝置結構圖

實驗室安全事故數值模擬和事故現場可視化重建是實驗室安全事故應急處置系統模擬需要解決的兩個關鍵問題。為了解決此問題，需要先搜集國內實驗室安全事故為主的事故模型，將這些事故模型編程，組成事故模型安全庫。將不同傳感器采集的實驗室內有害氣體濃度、氧氣濃度、儀器溫度、有害液體容量、引火溫度、室內形狀等參數引入模型內，計算出產生爆炸、火災等事故的沖擊波、破壞程度等數據，依據數據結果分析實驗室安全事故對周圍人員、設備以及環境造成影響[5]。利用幾何語言PlaSM描述事故發生時場景變化，將場景變化編程為安全事故腳本。安全事故腳本中描述了實驗室模型內各部位形變與粒子（煙氣、火、水等）的運動變化，使安全事故通過播放腳本得以重現，進而實行最快速有效的處置方法[6]。

VR系統利用幾何描述語言PlaSM重建實驗室安全事故，將三維復雜場景動畫通過建模、仿真與分析重現。幾何描述語言與三維動畫場景相結合的方法可以將復雜動畫環境迅速定義與模擬，實現虛擬現實技術（VR技術）。通過粒子系統模擬實驗室發生的火災、爆炸、化學氣體泄漏等事故，通過粒子時刻運動、改變形狀的特征，將水、火、煙等模糊的事故狀態展示出來[7]。

安全事故應急處置方案通過幾何編程語言PlaSM描述，使事故應急處置現場可視化。VR系統裝置將生成的安全事故應急處置現場發送到反饋控制裝置，為應急處置提供良好方案。

1.3 ?實驗室安全監控裝置設計

實驗室安全監控裝置基于VR系統裝置模擬實驗室安全事故狀態，實現事故報警信息分析、處理、傳輸，以及事故安全監控。該模塊由輸入接口單元、預警報警單元、中央處理單元、輸出接口單元以及控制單元組成，具體結構圖見圖3。

圖3 ?安全監控裝置結構圖

1） 通過VR系統裝置將獲取的實驗室安全事故數值模擬信號發送到輸入接口單元，開關輸入通過輸入接口單元同中央處理單元直接連接;當輸入為模擬量信號時，將模擬量信號轉換成數字信息才可以通過輸入接口單元傳送到中央處理單元。

2） 輸入接口單元將收到的安全事故數值信號發送到中央處理單元，由中央處理單元邏輯判斷與處理收到報警信號。中央處理單元接收數據達到設定報警值時，將報警信息發送到預警報警單元與反饋控制單元，反饋控制單元負責切斷實驗室內電源以及啟動排風系統。

3） 中央處理單元將報警信息發送到預警報警單元后，預警報警單元馬上啟動聲光與電話報警系統，清空實驗室內所有人員。

4） 中央處理單元邏輯判斷后的信號作為輸入信號發送到反饋控制單元，反饋控制單元進行邏輯判斷，若判斷結果超過設定值，反饋控制信號切斷實驗室內電源并啟動排風系統。

5） 中央處理單元將報警信號與系統狀態最終發送到輸出接口單元內，輸出接口單元將報警信號與系統狀態最終發送到遠程服務器內。

2 ?系統軟件實現

2.1 ?VR技術特點和系統開發過程

VR技術具有很強的感知性、交互性、想象性與真實的臨場感。基于VR技術的實驗室安全事故應急處置系統是一個智能平臺，可以真實感知聽覺、味覺、視覺與觸覺等，系統中用戶可以親手操控設備，感受觸摸物體，清晰看見三維立體場景，令使用者身臨其境，仿佛置身在實驗室環境內[8]。

通過3DConvert將3ds MAX所建立的三維實驗室模型轉化成3DSTATE引擎支持的格式，3ds MAX是非常有效的模型制作軟件，雖然場景制作復雜，但真實感非一般建模軟件所能比擬。三維實驗室模型由3ds MAX建模完成后，調用3DSTATE引擎函數在VC#.NET環境下運行系統。利用虛擬攝影機的角度與移動程序，設計實驗室安全事故應急處置系統。

2.2 ?系統功能結構圖

系統功能結構如圖4所示。

圖4 ?系統功能結構圖

設計系統軟件時，先采用3ds MAX軟件建立實驗室內場景及實物三維模型。只有充分了解實驗室內設備器具尺寸及各部分功能和實驗室運動情況才能使模型更加真實。建立實驗室模型之后可利用OpenGLAPI或World ToolsKit兩種系統開發軟件對模型進行系統設計。

系統對實施平臺性能要求很高，實施虛擬仿真模擬的計算機需要強大的CPU、顯卡與內存，需要通過工作站形式實現實驗室環境的仿真模擬，應依據系統所需配備VR技術專業的輸入設備與傳感器，其中動作捕捉傳感器是常用的一種傳感器。為了使系統更逼真，令使用者感覺更真實，需要配備立體成像、幾何曲面校正裝置[9]、弧形屏幕、無縫投影、高性能顯示頭盔以及立體眼鏡等高配置的配件。

2.3 ?系統子系統設計

為了提高實驗室安全性，設計實驗室安全事故應急處置系統，該系統包括圖5所示的三種子系統：

1） 通過Director軟件平臺，采用VR軟件構建實驗室三維信息展示子系統，實現系統信息查詢和顯示，實現實驗室設備檢索、場景瀏覽和空間分析等功能，將其他功能模塊的主要設備和參數通過三維動畫形式呈現給系統管理員;

2） 應急預案演練和模擬子系統實現實驗室安全事故應急處置的演練，提升應急處置效果。演練人員登錄系統后，感受到高逼真模擬實驗室現場，在該現場中開展實驗室安全事故的應急處置;

3） 視頻監控子系統包括CCTV和移動單兵兩種功能模塊，前者顯示系統可見范圍內實驗室真實狀態[10]，后者將視頻和音頻信號移動到實驗室設備的任意點，如果設備出現故障，則將事故信號傳輸給反饋控制裝置進行控制，獲取完整安全事故應急預案。

圖5 ?系統子系統結構圖

3 ?實驗分析

本文系統是基于VR的實驗室安全事故模擬與應急處置的商品化軟件，提供各種實驗室安全事故統一接口，通過實驗室安全事故模型庫，自動生成實驗室安全事故腳本，經過知識處理、運算數據以及分析三維空間后自動生成安全事故應急處置現場，提高了安全事故處置的時間與效率。為驗證本文系統對某大學化學實驗室安全事故應急處置的有效性，對比本文系統與OTRMNET系統和Petri系統各個指標，結果見表1。分析該表可以看出，相對其他兩種系統，本文系統含有實驗室安全事故分析模型，并且具有二次開發功能，可模擬火災、危險品泄漏、爆炸等多種安全事故，能夠用于實驗室安全事故應急處置。

表1 ?各系統指標對比

將本文系統與OTRMNET系統和Petri系統模擬實驗室發生5次火災事故時應急處置總用時相對比，對比結果見表2～表4。

表2 ?OTRMNET系統處置火災事故用時 ? ?

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表3 ?Petri系統處置火災事故用時 ?

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表4 ?本文系統處置火災事故用時 ? ?

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通過表2～表4三種系統對比結果總用時可以看出，本文系統在應急處置模擬5次實驗室火災事故時總用時最低和最高分別為8.41 s和8.88 s，平均總用時為8.83 s，比其他兩種系統的總用時低，并且本文系統進行實驗室火災事故發現、處置準備、現場處置以及事故后處理的時間都低于其他兩種系統，說明本文系統進行實驗室火災事故處置的用時低、效率高。

將本文系統與OTRMNET系統和Petri系統模擬實驗室發生5次爆炸事故時應急處置總用時相對比，對比結果見圖6～圖8。

對比分析圖6～圖8可得，本文系統在應急處置模擬5次實驗室爆炸事故時平均總用時約為7 s，遠遠低于其他兩種系統，并且處理爆炸事故的各項時間都遠遠低于其他系統。

圖6 ?OTRMNET系統處置爆炸事故用時

圖7 ?Petri系統處置爆炸事故用時

圖8 ?本文系統處置爆炸事故用時

通過以上模擬實驗室火災與爆炸事故結果可以看出，本文系統對實驗室安全事故應急處置速度快，極大地降低了室內事故的發生概率，確保實驗室的安全。

4 ?結 ?論

本文設計基于VR技術的實驗室安全事故應急處置系統，主要由各種監測傳感器、報警裝置、實驗室安全監控裝置、VR系統裝置、反饋控制裝置、實驗室安全監控中心等裝置構成。該VR系統裝置設計了安全事故模型庫，用戶可自由增減與修改事故模型，擴展性良好，依據事故庫內各種安全事故模型應急處置實驗室安全事故，為事故的處置爭取了寶貴時間。本文系統基于VR技術實現實驗室安全事故應急處置主要體現在兩個方面：VR系統裝置依據各種傳感器采集的實驗室環境信息，模擬實驗室安全事故數值，基于事故數值結果，實驗室安全監控裝置實現事故報警信息分析、處理后，將信息傳輸到聲光和電話報警裝置進行報警;VR系統裝置通過實驗室安全事故模型庫，經過知識處理、運算數據以及分析三維空間后自動生成安全事故應急處置現場重建結果，反饋控制裝置，依據重建結果制定事故應急處置方案。經多次實驗驗證，該系統對實驗室安全事故應急處置速度快，可使實驗室事故得到有效控制。

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