罐区灾害场景建模及应急处置仿真实训系统研究*

李 磊，孙小丽，李智临，赵祥迪

(1.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 2661042.山东省济南市安全生产监察支队，山东济南 250000)

随着虚拟仿真技术的发展，基于事故模拟的虚拟现实技术已应用到事故应急培训与演练中，通过模拟事故场景进行应急处置培训与演练，提高救援人员的应急处置能力。Manca基于虚拟现实和增强虚拟现实的训练方案，将动态过程模拟机与动态事故模拟机互连，以培训操作人员对事故应急情况做出有效反应。Kwok基于信息和通信技术、虚拟现实和离散事件模拟技术，研究能够再现大规模、多机构突发事件的危险模拟系统；Cha在CFD模拟的基础上，开发了火灾模拟训练器，能够计算各种难以确定的变量，如有毒气体、热量等，并提出了一种直观体验火灾危险环境进行训练和评估的方法。Garcia研发了面向油气田安全培训的设备调试、校准和安装的虚拟现实系统。陈艳芳提出了基于虚拟技术的核电站核应急辅助系统的开发方法，开发了一套可用于核应急演习场景设计及核应急场景三维动态展示的辅助系统。刘敦文基于建构主义安全培训理论，以3Dmax和Unity3D技术手段，构建隧道火灾应急救援培训系统。基于此，以罐区的温度场为例，讨论了灾害场中的关键问题，开发了基于虚拟现实可穿戴技术的应急处置仿真系统，提升了消防应急训练的真实感和交互性。

1 灾害场及人员伤害仿真建模方法

1.1 事故火灾场景模拟构建

由美国国家标准技术局开发火灾动力学模拟工具(Fire Dynamics Simulator，FDS)是计算流体力(Computational Fluid Dynamics，CFD)的一种模型，可以模拟火的能量驱动流体流动。通过应用该软件对单个不同直径储罐进行三维虚拟建模，计算区域为200 m×200 m×40 m的空间。选择轻质油储罐为研究对象，设定20～100 m直径情况下的储罐火灾，计算其在不同等级风速情况下的模拟工况，图1、图2和图3分别给出了不同风级情况下，储罐直径及救援人员安全距离对照，从图中可以看出：不同伤害区域的变化随着储罐直径的增加而增加，但是其趋势并非严格的呈线性分布。在距地面距离2.5 m处的无风、三级风、四级风情况下的应急距离分布趋势呈指数变化，而罐顶高度位置处的分布大体趋势呈线性。

图1 无风情况下轻质油储罐辐射热安全距离与储罐直径关系(FDS模型)

图2 三级风(4 m/s)情况下轻质油储罐辐射热安全距离与储罐直径关系(FDS模型)

图3 四级风(8 m/s)情况下轻质油储罐辐射热安全距离与储罐直径关系(FDS模型)

以上测得数据为不同风级情况下，储蓄罐直径及救援人员安全距离对照结果数据，通过神经网络等方法建立不同风级下救援人员的安全距离模型，并作为最后感知系统的基础。

1.2 人员伤害仿真建模

伤害模型能够计算应急人员、应急装备在灾害场中受到的伤害及由该伤害引起的损伤情况。以应急人员在罐区火灾事故现场为例，研究建立伤害模型的方法，并在其基础上探讨了体感防护服设计的关键技术。高温作业防护服是特殊定制服装，通常采用特殊材质的多层织物材料制作。最外层与环境接触的部分采用防火布，不但耐火，而且可以对辐射热有较好的阻隔作用，有耐火隔热的安全性能；防火布表层里是多层组合织物，有较好的阻燃性、强力性能和抗辐射渗透性能，这样做出的防热服具有很好的抗热性、阻燃防火及经久不变等特点。

应急处置人员身着防护服暴露在火灾现场，需要建立“环境-防护服-人体”模型来展现应急人员受到的伤害情况。火焰通过辐射热传递方式作用于防护服外表面，进入防护服内部的热量会在防护服的多层织物之间进行热量传递，传导方式为热传递，假定防护服的各层织物的物理特性不会变化，同时简化建模，假定各层织物的比热和热传导率也不会发生变化，则可以建立传导方式的热传递模型。防护服和人体皮肤之间还有空气层，因此防护服最内层和人体皮肤之间热传递方式又变化为热辐射方式。

依据上述的“环境-防护服-人体”模型分析，建立防护服模型，步骤如下。

a) 建立辐射模型。应急人员在火场中，防护服的受热方式为辐射热，不考虑人员的身体形态变化，计算时认为人体以固定面积受辐射热影响。在前人的研究中，不同文献对人体的有效辐射面积用不同方法进行了测试，根据这些经验数据，将防护服的有效辐射面积设置为0.9 m。在发生火灾后，火焰的形态为一个柱体，将过火面积等效为圆形，则可以将该柱体等效为一个圆柱体。

三维虚拟现实系统传回应急人员当前所在的坐标位置

P

，火焰中心点所在位置为

P

，身穿防护服的应急人员受到火焰辐射受到的辐射热：

Q

,=

FE

A

(1)

式中：

Q

,——热辐射，J·m；

F

——角系数；

E

——辐射热的能量，J；

A

——被辐射物体受辐射面积，m。b) 计算不同织物层间的热传导。进入防护服的热量，在防护服的多层织物之间传导热量，假定防护服内层的各层织物的比热和热传导率都是相同的。计算时将防护服内部织物分为

n

层，设定每层的厚度都是相同的。从最外层的

T

温度，经过每层织物后都会有温度降低，如图4所示。

图4 多层平壁热传导

防护服的总热量计算方法如下：

(2)

式中：

ΔT

——两层之间的温差，℃(或K)；

λ

——为导热系数，W/(m·K)；

A

——为传热面积，m；

δ

——为壁面厚度，m；

Q

——为热流量，W。c) 计算防护服内层温度。应急人员防护服表面接受到的辐射热是

Q

,，防护服表面温度为

T

，则内层第

n

层的温度从上式进行反推，可以得到：

(3)

d) 计算受训者健康值。人体皮肤温度超过44 ℃后，就可能对皮肤组织产生灼伤，随着灼伤时间的延长，皮肤组织破坏深度和组织坏死程度会逐渐严重。由于人的皮肤与衣物接触之间的空隙很小，忽略防护服内侧与皮肤之间的热对流和热辐射，认为皮肤表层温度等于防护服最内侧的温度。

计算得到的

T

发送给防护服，防护服驱动加热片进行加热，让用户有灼热的感觉。传送的防护服设定温度上限为40 ℃，保护受训者不受伤害。当

T

的值超过44 ℃后，人体的健康状况将会受到影响。仿真模型设定了健康报警值，当

T

的值超过44 ℃，报警值设定为1，防护服上的报警指示灯闪烁提醒受训者。当

T

的值超过44 ℃后，系统会计算人体所受伤害值

D

，高温环境会对人体产生热负荷，人体所受的伤害值

D

为不同程度的热负荷对人体造成的伤害程度。如可用热应力指数(

HSI

)来进行简单的表示。

HSI

是根据在给定的热环境中作用于人体的外部热应激、不同活动量下的新陈代谢产热率及环境蒸发率等的理论计算而提岀的，其计算公式如为：

(4)

式中：

E

——人体维持热平衡所需的蒸发散热量，J；

E

——为人体最大蒸发散热量，J。计算伤害值

D

是为了在实际的系统应用中给受训者警示作用。

2 虚实结合的事故应急演练与实训系统

在应急处置演练和实训过程中，让应急人员直接感受在现场才有的温度感觉，不但提高受训者的体验感，而且克服自身恐惧感。

2.1 可穿戴温控体感防护服

对于可穿戴式温控体感防护服定量描述系统来说，其为应急人员提供感受事故应急救援现场温度的体验服，使其在三维虚拟火灾场景体验到火灾温度的感觉，实现应急人员能与虚拟现实场景中人员同步感受火灾现场的氛围。应急人员身穿定制体感防护服，在虚拟现实环境中接近火源时，虚拟现实主机将消防人员与火源的距离通过高速并行串口通知加热核心控制模块，加热核心控制模块控制热源的发热量，使操作人员靠近火源时感受到防护服温度上升。在虚拟现实环境中当消防人员远离火源时，虚拟现实主机通知核心控制模块，控制冷却装置向防护服中送入冷空气，温度实时检测反馈模块确保消防员远离火源，防护服中的温度降低，可穿戴温控体感防护服设计时序如图5所示。

图5 可穿戴温控体感防护服设计时序示意

图5中，用户、防护服和虚拟场景三者之间相互交映，首先用户穿戴防护服并连接设备，同时在场景中触发距离感应；然后计算机将距离触发感应信号实时传递给消防防护服的电路系统，对感应电信号进行转化；最后，穿戴体感防护服的用户能够感受到真实热量变化。

温控体感防护服采用面向可穿戴设备的混合温控技术，其主控系统核心为STM32F407高速嵌入式运算平台，采用ST公司的STM32系列处理器，能够快速响应温度反馈信号，具有强大的数据运算处理能力，同时集成高速串行数据传输模块，能够满足虚拟场景的大数据量传输吞吐需求，温控体感式防护服整体效果如图6所示。

图6 温控体感式防护服

2.2 虚拟现实可穿戴式应急演练与实训

根据危险化学品事故特点和应急处置业务需求，将系统整体架构分为虚拟现实系统、显示单元、位置捕捉单元和体验设备，整体结构见图7。

图7 多感知式应急处置方案推演与演练整体结构

选择某特大型炼化企业轻油罐区为研究对象，罐区占地面积约320 000 m，包括大小储罐52座，结构形式分为拱顶罐、内浮顶、外浮顶3种。虚拟现实可穿戴式应急演练与实训流程如图8所示，根据罐区和装置生产场景真实场景，通过基础数据子平台，利用3DS Max软件建立应急预案推演所需三维场景，三维场景数据和设计尺寸按1∶1比例构建，主要包括石化罐区应急资源和地理信息等三维数字虚拟模型。将三维数字虚拟模型导入基于VC++和OpengGL开发的三维引擎，实现危险化学品场景和事故应急处置过程的三维可视化，在应急演练和实训过程中，应急人员使用可穿戴式与可操作实体装备，建立与虚拟现实场景融合的多感知环境。应急人员通过穿戴温控体感防护服，能与虚拟现实场景中虚拟人同步感受火灾事故现场的氛围。在虚拟现实场景中，当应急人员接近火灾时，系统动态实时的根据人员与火灾的坐标判断两者间距离，根据距离系统给出人员所感受到的热辐射值，虚拟现实主机通过高速并行串口通知加热或冷却控制模块调整防护服温度，给应急人员带来身临其境的状态。通过该虚实交互的仿真实训系统，能够真实有效地减少应急人员的伤害程度。

图8 虚拟现实可穿戴式应急演练与实训流程

3 结论

本文结合罐区灾害场建模方法，以储罐区火灾事故为研究对象，建立了储罐火灾的灾害场流体动力学模型，在此基础上建立了火灾灾害场对周围物体的伤害模型，通过对防护服进行建模，分析计算了灾害场对人体伤害的程度。最后，提出了一种体感式防护服制作方法，通过电加热装置让使用者身穿该防护服感知火灾事故现场，为受训者营造多感知、多维度仿真实训环境，通过贴近实际的应急处置操作，增加危险化学品火灾场景应急训练场景的真实感和体验感，提高了应急训练效果。