实时三维技术在化工企业安全仿真领域中的应用.doc

化工安全虚拟现实仿真系统的设计与实现The Design and Implementation of VR System of Simulation for Security of Chemical IndustryAbstract：This paper describes the constitution of integrated platform of chemical simulation, details of technology to realize the system,and methods of how to create the system of logic and counterplan for safety,and how to create the system of evaluation to operations.The system designed by us can successfully simulate the status of production in chemical plant,the accident,and counterplan for safety.The software which exploitured successfully was used in a large plant of petrochemical in Beijing,and through it we get a remarkable effect,at the same time it have enriched methods of exercise for factorys security and counterplan.Keywords：virtual reality；system simulation；counterplan for safety；chemical simulation引言随着中国经济的蓬勃发展，石油化工企业的各生产事故也频频发生。目前，国家对生产安全的重视程度也已被提高到前所未有的高度。同时企业在安全管理上也做了许多工作，例如：制订安全守则，对生产人员进行安全培训等。但是这些手段还保留传统的“书本教学”方式，达到的效果不甚明显。因此，我们需要一种新颖的仿真平台“现代安全综合仿真系统”。1现代安全综合仿真系统是指在安全领域内充分利用当前最先进的虚拟现实计算机技术，结合过程动态仿真技术，建立一套能提供安全操作培训、应急预案演练等功能的计算机软硬件系统。即采用计算机实时三维图形化方法，模拟实际操作的环境和场景并提供交互操作环境、用严格的数学模型模拟生产的工艺过程、操作过程、事故过程2。可使用户有身临真实现场操作、执行应急预案的感觉。由此，安全综合仿真系统的应用可以用生动的形式来提高仿真的效率，最终可达到以下的目的： 1）完善应急预案：为预案提供了一种先进的演练培训手段；关注突发事件或事故发生后，如何处理和应对，以避免或减少人员的伤亡，降低经济损失。2）对企业作出准确的安全预估：关注对客观条件的评估、安全隐患的甄别以及事故的预防等。对客观条件进行安全评估后的结果，可以作为制订或修改应急预案和安全操作规程的参考依据之一。3）基本安全教育和特殊工种的培训：可提高被培训人员的素质（安全意识）和岗位技术教育。1 系统体系结构设计我们开发的“基于虚拟现实的化工企业安全仿真系统”是用三维仿真技术，在计算机上重现现场的环境和设备，模拟事故发生时的声、光、影等特效，可以给用户以身临其境的感觉，同时允许用户与虚拟环境进行交互，按预案的要求进行相应的操作处理，达到熟悉和演练预案的目的。该系统不同于其他仿真系统，具有许多特点（如：3D用户界面、可交互性、特效模拟等），同时还能与工艺流程仿真模型服务器通信。1.1 系统特点1）采用VR技术 用户可在虚拟现实的三维场景中进行操作和培训； 2）可交互性 用户不仅可观察虚拟的三维场景和设备，并漫游其中，还可与三维场景中的对象进行交互； 3）特效模拟 进行爆炸、烟雾、火焰等特效的模拟；4）考核评分功能 是衡量培训效果最直接的手段5）应急预案学习 提供在线预案学习功能；6）具有平台特性 可基于此开发不同的安全应急预案演练培训系统或其他需要3D技术的模拟仿真应用产品，比如烟雾扩散模拟系统等；7）具有较强的可扩展性、可维护性，能够比较容易适应不同行业的需求；1.2 研发总体思路1）自主开发3D引擎（采用VC+，OpenGL等底层开发工具和开发环境）2）第三方建模工具和自己研发的建模工具相结合（3Dmax，Multigen Creator，AutoCAD，PhotoShop等）3）模块式设计（使系统易于扩充和维护管理）4）面向对象建模方式3（增强系统的可修改性和可维护性）1.3 系统描述该系统应当实现化工企业三维场景快速构建，人机交互，预案逻辑处理、演练和培训考评等功能。因此系统又进一步细分为如下子系统：1）主驱动程序： 建立启动引擎。碰撞检测。特效模拟。人机交互。2）VR显示系统： 配合操作平台，负责与现实相应的场景和装置显示。3）网络通信服务系统： 负责在网络中传送消息，协调各子系统运行。4）预案逻辑处理系统：支持不同的应急预案5）演练考评系统： 记录客户操作原始数据。对客户操作流程正确与否进行评价6）工艺仿真模型计算系统：处理相应过程动态模型计算7）3D建模子系统： 快速搭建化工企业3D场景。1.4 系统拓扑结构对于划分的子系统，有一些需要专门配置计算机进行单独运算（为了资源的合理配置），而有一些则可以集成到一起。考虑目前系统采取C/S结构4，服务器端程序主要负责系统终端各个程序之间的数据传输及其之间的协调运作。 系统的拓扑结构图1： 图1 系统拓扑结构图1.5 系统实现主要类库的构建1）场景节点类库：依场景实物进行祖类的构建，基本可划分为：l 大地类（地形场景的处理，显示）l 天空类，房屋类（主要关注厂房）l 管道类，反应容器类（化工反应器和容器）l 仪表类、角色人物类（应当设定几个主要的动作）l 次要场景类（包括树，道路，房子等可以粗略表现的次要场景）。2）基础对象与算法，数学模型计算类库：基类的构建，基本可以划分为：l LOD算法类（计算场景的显示细节度）、l 数学运算类（处理纯数学计算比如：矩阵运算，空间几何运算等）l 几何图元构建算法类（处理本系统需要的简单模型的快速生成，保存四面体，球体，柱状体，管状体，三角网曲面构建等）l 化工工艺算法类（负责化工工艺计算）3）3D图形特效类库：l 文字处理类（处理场景中的文字显示）l 光源类（实现光照模型，分为点光源PointLightNode，平行光源DirLightNode，锥光源SpotLightNode）l 照相机类(处理场景的漫游和变换)l 粒子系统类（实现爆炸效果，火焰等的模拟）l 阴影实现类（实现阴影和透明的模拟）l 水波模拟类，烟雾类（实现烟雾特效）l 天气类（实现下雨天气，大雾天气，黑夜天气等的模拟）4）声音特效类库：l 声效处理类（负责声音的动态播放）5）纹理类与材质类库：l 纹理类（管理纹理的调入，保存，删除，规范化，纹理坐标变换，纹理的效果处理等）l 材质类（管理设置材质属性）6）场景管理与交互类库：l 碰撞检测类，对象捕捉和交互类l 路径类（负责需要路径的对象的路径生成与管理）7）网络通信类库：l 通信类（负责网络间的通讯传输）8）操作评价模型类库：l 操作类（定义相应工艺和装置的各种操作流程以及异常处理流程等）l 评价类（对操作过程和结果进行评价）9）文件管理类库：l 文件管理类（负责需要的各种文件格式的读取，保存，删除等操作）l 数据库操作类（数据库的查，增，删，改等操作）1.6 仿真系统主要算法LOD场景优化算法5、几何图元构成算法8、数学计算类算法、化工类算法、场景生成算法（地形，阴影，光照，纹理动态模型等）、场景对象运动类算法、对象交互和碰撞检测算法5、操作评价算法等。2 系统实现主要技术介绍2.1 实时3D引擎的构建与优化为了构造高效灵活的3D引擎，我们考虑选择适合做工程软件的语言平台VC+，和高效的OpenGL底层API函数6做我们的开发工具。同时选择微软的Direct Sound和Direct Music为开发音效引擎的工具。下面我们用一个示意图表示虚拟视景系统的构建。虚拟视景生成系统如图2所示：图2 虚拟场景生成系统图图3 虚拟场景生成界面我们知道要让用户对三维场景具有沉浸感，显示系统中图像显示的速度，即每秒帧数（fps）至关重要。一般而言，只要fps能够达到25以上，用户就可以有实时交互性的感觉。由于计算机硬件的限制，往往由于显示的场景过大而使得系统的显示达不到实时性。为了解决这个问题我们采用了一些优化算法来进行系统优化，其核心的技术归结到一点就是把我们肉眼看不见的体和面简化或删除5。其中用到的算法包括：1）面裁剪技术2）遮挡裁剪技术3）视锥体裁剪技术4）细节层次（LOD）技术对于碰撞检测我们采用了八叉树优化算法，尽量减少系统的额外开销。图3是虚拟场景的外观。2.2 网络接口协议的构建由于我们构建的是基于C/S的分布式仿真系统，故需要建立必要的网络通讯。为了灵活的构建网络通讯协议，我们选用的是Windows有关的网络通讯的底层API函数作为网络通讯的构建工具7。本系统的网络通讯接口有两类，一类是有关工艺模型仿真计算系统的接口，另一类是与服务器端的三维场景控制软件的接口。 图4 第二类网络通讯示意图对于前一种，我们开发出了一系列的网络接口API函数，在每一个仿真时间段内通过网络通讯API，在工艺模型仿真系统中查找工艺模型的工程号，模型号，参数号等相关参数，进行相应的读取，存储，修改等操作。同时把取得的相应参数传递到虚拟仪表显示子系统中，通过虚拟仪表显示出来。 对于第二类网络接口，由于我们构造的视景仿真系统是一个多人协同操作的网络系统，当每一操作客户端进入系统时，操作客户端能够在自己的场景中相互看到对方，每个操作客户端对工艺模型仿真系统进行的操作结果都会反应到其他的客户端。因此第二类网络通讯协议主要解决的是每一个操作客户端在同一个虚拟场景下的位置坐标信息、动作信息（如站立，走，跑动，开关返阀门等动作）、还要传送该客户端的名称以便服务器端的控制程序对客户的操作进行记录、评价。图4为第二类网络通讯示意图。2.3 预案逻辑与操作评分系统的构建为了更加真实的模拟各种预案的实施过程，需要在仿真系统中加入预案逻辑处理功能，把三维场景中可操作点（阀门，开关等）以及可观察点（仪表等）与后台预案仿真模型和工艺流程模型进行数据连接，对于操作者的动作进行系统提示，对误操作等引起的后果（如火焰，爆炸等）进行实时的仿真。同时记录操作动作本身，记录操作引起的结果，在仿真结束时得出考评结果，并提出相应的改进建议。图5 预案逻辑流程图由此我们建立了安全预案仿真子系统，系统建立在服务器端的控制程序里。主要功能是为每一次实时仿真提供预案流程数据（主要集中在逻辑结构，例如判断每一步操作是否完成，下一步的动作应该是什么，动作完成以后引起的后果等）。程序的流程图见图5。在构建系统的时候，我们考虑到了对于操作成果的考评，对此我们在服务器端的控制程序中建立了专家考评子系统。考评系统是建立在预案逻辑仿真系统的基础上的，通过对记录下来的数据用专家库进行打分， 对操作团队和操作个人进行评价。系统的难点在于专家库的构建和评价系统的准确性。专家库的构建方法有很多，主要分为两大类9：1，带人工智能的。2，非人工智能的。构建专家库的时候要注意循序渐进的过程，先易后难。重点应当集中在库的逻辑结构设计、评判规则的设定、推理机的设计等。它是一个相当复杂的系统工程。最后还应当对专家系统进行评价。工艺模型仿真程序示例见图6。图6 工艺模型仿真程序示例界面3 系统运行实例达到的效果以及现实意义（北京某大型的石化炼油厂）经过半年多的努力，我们基本构建出了一个适用于化工企业的VR安全仿真系统，通过此系统我们基本实现了多客户端同时针对VR场景进行实时性交互式操作（通过开关阀门对后台数据进行操作），后台数据的虚拟仪表的实时显示，雾化、天气、火焰、爆炸等特效的模拟，预案逻辑与专家图7 虚拟化工厂 图8 虚拟DCS控制室考评系统的构建。通过在北京某大型的石化炼油厂的催化裂化装置的模拟仿真实例得到应用，达到了较好的仿真效果。图7是虚拟化工厂的设备全图，图8是DCS控制室的模拟，图9是虚拟仪表，图10是发生火灾的火焰特效。图9 虚拟仪表仿真 图10 火焰特效 4 结束语目前，安全仿真系统可以根据培训人员的操作步骤，处理方式，响应速度，选择条件等情况给出操作成绩评定。使被培训人员，能够做到通过培训，正确了解自己的水平，进而提高自己的水平，真正做到有备无患。随着安全仿真技术的发展和企业的需求，安全仿真系统将可进一步检验工厂的设计是否符合安全标准、事故的应急预案是否可靠等方面发展，这样该仿真系统将产生更大的经济和社会效益。参考文献:1 吴重光编，仿真技术，化学工业出版社，2000_52 万利国 陈砺.计算机在化学化工中的应用. 化学工业出版社 20033 （英）Ian Sommerville. Software Engineering 6th Edition. Pearson Education. 2003-1-14 吴建等