危险化学品事故现场体感式训练装备与系统设计*

李智临

(1.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104 2.应急管理部化学品登记中心，山东青岛 266104)

0 前言

伴随我国危险化学品生产能力和规模的逐年加大，危险化学品产业向大型化、规模化发展，重特大事故不断增多。如2015年8月12日，天津滨海新区危险品仓库发生特别重大爆炸事故，共造成165人死亡，其中消防人员99人。消防救援工作危险度高，个人素质、责任意识影响指挥水平和救援实施效果，而实战化训练是提升应急队伍战斗力行之有效的方法，所以加强消防模拟训练设施建设，对保障救援过程中消防队员自身安全至关重要。以消防模拟训练设施为依托，通过模拟典型事故场景，加强消防救援人员对各类灾害事故特点、发展规律的掌握，从而提高危险化学品事故应急响应能力。

随着虚拟现实与计算机仿真软硬件技术的发展，基于虚拟现实技术的计算机仿真模拟训练研究成果逐渐增多，ZHANG H研究了基于头戴式显示器(HMD)的虚拟仿真训练系统；YOUNGHEE L等以模拟事故情景和假设运行经验为基础，研发了1套交互式氢燃料站操作员教育系统。以上成果只能通过鼠标或手柄点击进行交互，仅有视听交互方式，缺乏其它感知形式，造成训练时事故现场感不足，无法满足近似实战化的训练需要。体感技术作为新兴的技术在很多领域中都已经有所应用，针对危险化学品事故现场的关键因素，如火焰高度、燃烧底面、热释放速率、温度、烟气形状、烟颗粒浓度和声音大小等可展开模拟研究。

1 系统框架

根据危险化学品燃爆事故特点和应急救援训练需求，危险化学品事故现场体感式训练系统研发了事故处置模拟训练系统、事故处置模拟训练体感交互装备、模拟训练综合评估系统，系统架构如图1所示。基于事故应急救援预案，使用组态式重大灾害情景构建软件，结合音响系统、喷气设备、雾化设备、无害化学原料等仿真事故环境，进行情景三维构建与推演，实现典型危险化学品事故情景模拟与交互。并针对易燃易爆危险化学品事故，开发交互座椅，交互装备可以实现场景数据交互，完成易燃易爆危险化学品事故现场任务及信息交互。基于危险化学品事故处置模拟训练系统及全体感交互装备，研究参训人员在危险环境下的生理和心理基本体征，如心跳、血压、体温等，开展应急救援人员模拟训练与评估。

图1 危险化学品事故现场体感式训练系统架构

在典型最坏场景构建及风险分析基础上，利用体感交互设计模型以及事故动态可视化技术，研究事故现场信息的融合及多方共享技术，建立危险化学品事故现场体感式训练装备与系统，为救援队伍解决单纯VR操作培训、计算机仿真应急演练时事故现场还原难、模拟真实性差、缺少感知交互等问题，旨在通过技能培训提高应急响应人员重特大事故的防范能力和应急救援效率。

2 事故处置模拟训练模型

利用虚拟现实等三维可视化技术，结合危化品企业事故专题模型和数据，能够将火灾热辐射、气体泄漏范围等事故形态进行三维仿真，结合危化品企业三维模型，能够让参训者直观地感受到事故过程及影响范围，对事故应急处置能力的提高、减小事故影响范围将起到重要的作用。

2.1 热辐射模型

热辐射造成伤害的主要形式是热辐射通量，采用Mudan计算法对热辐射通量进行计算，火焰对距离火焰中心水平距离为

x

的某一处目标点的热辐射通量公式如下：

q

=

E

·

F

·

τ

(1)

式中：

q

——火焰对距离火焰中心水平距离

x

的位置点的热辐射通量，kw/m；

E

——火焰表面平均热辐射通量，w；

F

——视角系数；

τ

——大气透射系数。其中

F

受风向、风速对热辐射通量的影响，见公式(2)。

(2)

池火、喷射火需要考虑时间的影响，因此是一个持续的过程，还需要考虑风向、风速的影响，且应用相对较广；闪火、BLEVE火球多为瞬时过程，持续时间很短，风向、风速的影响可以不用考虑，该两种模型应用较少。热辐射模拟效果详见图2所示。

图2 热辐射模拟计算可视化效果

2.2 气体泄漏模型

泄漏模型主要是基于经典高斯烟羽模型模拟气体的连续泄漏扩散，基于经典高斯烟团模型模拟气体的瞬时泄漏扩散。

烟羽模型的数学模型为：

C

(

x

,

y

,

z

,

H

)=

(3)

式中：

x

——目标位置距泄漏源下风向的距离，m；

y

——目标点位置距泄漏源横向的距离，m；

z

——目标点与地面距离，m；

H

——气体泄漏点距地面距离，m；

Q

——气体泄漏的总量，m；

u

——泄漏时平均风速，m/s；

σ

，

σ

——气体在水平方向上泄漏扩散参数；

σ

——气体垂直方向扩散参数。

高斯烟团的数学模型为：

(4)

式中:

t

——泄漏气体持续时间，s；(

x

,

y

,

z

)——泄漏点坐标；(

x

,

y

,

z

)——

t

时刻采样点坐标。

基于数学理论，结合OpenGL开发工具，在可视化系统渲染引擎的基础上实现对气体泄漏的三维可视化模拟。

3 事故处置模拟虚拟交互装备

3.1 事故处置模拟多感知交互座椅

危险化学品事故处置模拟多感知交互座椅为事故现场模拟协同训练装备，通过虚拟现实技术进行原景重现，并同步实现场景多感知数据交互，完成危险化学品事故现场训练任务及信息交互。

多感知交互座椅包括：六自由度电缸平台、钢化玻璃座椅、数据采集组件和环境模拟组件，根据事故场景进行多角度实时位移及俯仰。而六自由度电缸平台的六轴定点运动，是根据输入的六轴数据通过运动学解算，求出六缸伸缩量，驱动六自由度平台从一个姿态到另一个姿态。如图3所示，软件提供六轴连续运动的输入方式，可设定六轴的正弦运动的振幅、频率和相位，经过测试，六缸伸缩量与实验标记点位误差率均能够满足工况要求。

图3 设定六轴正弦运动参数

多感知交互座椅无线接口采用了AP6212模块，该模块为一种具备WiFi、蓝牙以及FM功能的低功耗芯片。该模块支持IEEE 802.11 b/g/n标准，Bluetooth V4.0标准，支持单天线同时接受蓝牙与WLAN功能。

3.2 多感知交互座椅体感环境模拟组件

基于气体泄漏、火灾热辐射范围、爆炸范围等事故形态的参数化表达数据，通过用户、多感知交互座椅和虚拟场景三者交互，实现环境组件对于仿真情景的多感知模拟。用户进入多感知交互座椅并连接环境模拟设备，同时在虚拟场景中触发距离感应；计算机将距离触发感应信号实时传递给多感知交互座椅的电路系统，驱动环境模拟组件对感应电信号进行转化，模拟还原多感知体感效果；最终，多感知交互座椅内的用户能够感受到高仿真体感变化。

以热源、风源控制模块为例，采用P620光电耦合器获取交流脉动电路中电流的的正弦波信号的过零点，获取触发可控硅的同步脉冲信号，可控硅采用BT41-1200，耐压1 200 V，电流40 A。可控硅通过MCS3052光耦隔离触发，通信采用HM-12C双模蓝牙，发射距离60 m。经过测试，通信响应时间与响应丢失率均能够满足工况要求，通信响应测试结果详见图4所示。

图4 热源风源同步信号通信响应测试

为确保受训人员安全，将热源模拟组件设置11个档位、温度范围45～55 ℃，用以模拟事故现场300～800 ℃环境。此外，将风源模拟组件设置11个档位，模拟事故现场50～150 m/h环境。

3.3 基于逻辑编辑器的应急预案三维快速构建平台

在危险化学品事故处置模拟训练系统中，选择典型最坏场景构建的灾害模型、应急响应人员与应急装备模型，基于逻辑编辑器设置事故灾害后果事件、人员与装备动作事件，并按时间轴梳理不同事件的先后次序与逻辑关系，形成编辑好的三维数字化预案。

三维数字化预案的逻辑表达与快速构建，是将救援过程中具象化的关键角色(如外操、消防员、消防车辆与消防装备等)与其自带的属性动作按照实际规则排列组合，形成可供编排的独立事件，再通过逻辑编辑器，将不同的独立事件按照应急逻辑关系串联起来，最终实现数字化应急预案的三维快速构建。

4 事故应急救援人员模拟训练综合评估系统

通过无线传感器采集到人员皮电、心电、肌电、脉搏、呼吸、皮温、体温等生理信息以及人员动作行为信息。对采集到的信息进行打分，使各类数据的取值范围在[0,1]之间，同时给出心理因素评估指标清单并在[0,1]内进行打分，然后采用一种类欧拉距离的评价概念计算归纳各因素得出一个综合评价值，最后将所得的综合评价值进行分级。

4.1 综合评估指标体系构建

对于传感器采集因素，重点对皮电活动(Electrodermal Activity，EDA)、心率变异性(Heart Rate Variability)、肌电图(Electromyography，EMG)等指标进行了分析。

以皮电活动为例，因皮肤汗腺机能变化，人体的皮肤电阻、电导会发生改变，将此类可测量的皮肤电改变定义为皮电活动。皮电反应与个体的情绪、唤醒和注意力密切相关。皮电活动能够非常快速、灵敏地反应刺激事件对个体的影响程度。皮电活动基本成分定义如表1所示。

表1 皮电活动基本成分定义

根据测量的数据，进行个体差异标准化、时域分析、事件相关分析，并将分析后的数据交给相关专家在[0,1]内进行打分(靠近0表示皮电活动越正常，靠近1表示皮电活动越异常)，得出皮电活动分析总体分值。根据生理评估因素和心理评估因素的分析，建立综合评估指标体系。

4.2 危化品应急救援人员模拟训练评估算法

参考风险矩阵的内涵及形式，把传感器采集数据、心理评估因素，看作是对应的

n

维空间坐标的坐标轴，而把坐标原点看作是基准点，采用这些影响因素的影响程度组成的

n

维空间坐标点对原点的空间距离或欧氏距离来表征危险化学品事故现场体感式训练系统对个体的影响大小。用公式表示，即：

(7)

式中，

C

，

C

，…，

C

为所考虑的影响因素的评价值，取值范围是[0,1]。

5 结论

研究成果在国家危险化学品应急救援某实训基地对危险化学品事故现场体感式训练设备与系统进行了示范应用，验证了装备和系统的可行性和适用性，解决了危险化学品事故现场还原难、危险化学品事故处置现场经验不足、缺少危险化学品事故处置应急指挥及救援经验、危险化学品事故现场情景构建精度不高以及缺少交互式处置模拟训练等问题，为危险化学品事故现场体感式训练提供了新的思路与手段，下一步可对危险化学品事故现场的核心伤害因素开展研究，从而为实战化训练提供更加精准的体感信号。