CN102779453A - 城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置及方法属于公共安全仿真技术领域。演示装置包括动态沙盘、投影设备及控制系统三部分；动态沙盘上设置城市模型，在动态沙盘的内部设置位置可移动的升降机、震动仪；动态沙盘上设置检测设备，投影设备分为动态沙盘投影仪、三维动画投影机和水平投影屏三部分。通过实体物理模型与虚拟三维影像相结合的基于三屏联动方式实现对城市多种突发事件及其耦合情况下的发生、发展规律进行的实验和数值模拟结果进行演示，实现灾害场景模拟再现、监测监控、信息传递、信息接入、预测预警、决策控制等环节的动态展示，并为灾害重现、风险评估、情景推演、预案演练、教育培训等提供直观可视化的表现手段。
Description
技术领域
本发明属于公共安全仿真技术领域，特别涉及一种城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置及方法。
背景技术
公共安全的重点在城市。安全是现代化城市的第一要素，城市安全保障受到政府、社会和公众的普遍高度重视。公共安全科技是有效应对突发事件、提升应急能力的有效支撑，而城市公共安全研究设施是发展城市公共安全科技的必要手段。我国用于城市公共安全研究的综合实验设施缺乏，对于研究城市公共安全与应急技术的综合性、全局性和共性的科学问题非常不利。当前城市公共安全突发事件影响范围广，呈现出复杂的灾害次生衍生、相互耦合的特点。现有的公共安全实验装置多以小范围单灾害实验为主，难以实现对城市整体范围内多种灾害次生衍生以及相互耦合作用的实验。如果搭建纯实体的多灾种耦合实验装置，不仅多灾种的耦合情景和承灾体破坏形式极难再现，也需要昂贵的建设费用和维护费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置及方法。
本发明所述演示装置的结构包括动态沙盘、投影设备及控制系统三部分。
动态沙盘上设置城市模型，在动态沙盘的内部设置位置可移动的升降机、震动仪；动态沙盘上设置震动测试仪、风扇、风速仪、摄像头；
投影设备分为动态沙盘投影仪、三维动画投影机和水平投影屏三部分，多个动态沙盘投影机位于动态沙盘的上方，由上至下投影至动态沙盘上；水平投影屏竖直放置于动态沙盘的一侧，三维动画投影机与水平投影屏位置相对，位于动态沙盘的另一侧；
控制系统分别与投影设备、升降机、震动仪、震动测试仪、风速仪、摄像头、触摸一体机连接，通过触摸一体机进行控制信号的输入。
所述风扇为适用于电脑CPU的智能 F-128 型风扇；所述风速计为CEM感应式风速计DT-8880，测量分辨率为0.01m/s。
所述摄像头为罗技Logitech HD C310 720p高清摄像头。
所述动态沙盘投影仪采用四通道投影采用三洋 xm1500投影仪，其参数为1024×768像素分辨率、600流明和2000:1对比度。
所述触摸一体机采用Dell U2410 24寸宽屏电阻触摸显示器。
本发明提供的一种基于所述演示装置的演示方法，包括以下步骤：
（a）建立实体模型：
实体模型采用素体模型和仿真彩体模型相结合，将需要动画展示的区域制作成素体模型，便于投影动画的效果表现；将非动画表现区域做成彩体模型；
实体模型包括建筑物模型、铁道模型、公路模型、桥梁模型、隧道模型、山体模型、河流模型、大坝模型、电网模型、石化区模型、高铁模型；
（b）安装数据采集设备：
将风速仪和风扇分别放置在铁道模型的两侧，用于铁路列车的强风监测模拟；
在建筑物模型上安置摄像头；
建筑物模型下安置震动仪、升降机及震动测试仪；
（c）安装投影设备：
在动态沙盘的上方安装动态沙盘投影机，在动态沙盘的一侧竖直安装水平投影屏，在动态沙盘的另一侧与水平投影仪相对的位置安装三维动画投影机；
（d）模拟演示及数据采集：
动态沙盘投影机采用二维和三维特效，自上而下向动态沙盘上投射各种灾害、人员疏散、人员密集的信息，经由摄像头实时监测，并通过图像处理程序对异常监视图像、人员流量等进行分析，模拟公共安全物联网系统中的信息采集、信息传输和分析研判过程；
水平投影仪采用三维动画和视频相结合的形式，模拟自然灾害、事故灾难的情景；或作为背景，对投影到动态沙盘上的内容作进一步的解释和说明；或建立逼真的三维场景，对灾害环境进行再现；或进行人机交互，用户以第一人称视角在三维场景中漫游，对灾害条件下的人员疏散、消防救援等进行模拟仿真，为灾害重现、风险评估、情景推演、预案演练、教育培训等提供直观可视化的表现手段；
在灾害模拟时，相邻区域的建筑物模型通过升降机作用以不同相位分别上下运动，关联的建筑模型和设施可发生倾斜；安置在模型下的震动仪使建筑模型抖动，模拟地震发生的情形；安装在建筑模型内部的震动测试仪记录这些模拟的灾害强度。
所述动态沙盘投影机输出的特效动画分辨率为1500×1500，输出分辨率上、下边长误差不高于200。
所述水平投影仪输出的高清三维动画分辨率为1920×1080。
所述自然灾害包括地震、泥石流、洪水、强风、暴雨雪和闪电，所述事故灾害包括火灾、爆炸和危化品泄漏。
本发明的有益效果为：
通过实体物理模型与虚拟三维影像相结合的基于三屏（实体物理沙盘模型、信息屏和触摸屏）联动方式实现对城市多种突发事件及其耦合情况下的发生、发展规律进行的实验和数值模拟结果进行演示，实现灾害场景模拟再现、监测监控、信息传递、信息接入、预测预警、决策控制等环节的动态展示，并为灾害重现、风险评估、情景推演、预案演练、教育培训等提供直观可视化的表现手段。通过本实验装置，可为研究突发事件危险性、承灾载体脆弱性和应急管理有效性提供有力的理论技术支撑。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图。
图中标号：
1-动态沙盘；2-城市模型；3-升降机；4-震动仪；5-动态沙盘投影仪；6-三维动画投影机；7-水平投影屏；8-触摸一体机。
具体实施方式
本发明提供了一种城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，该演示装置包括动态沙盘1、投影设备及控制系统三部分。动态沙盘1上设置城市模型2，在动态沙盘1的内部设置位置可移动的升降机3、震动仪4；动态沙盘1上设置震动测试仪、风扇、风速仪、摄像头。投影设备分为动态沙盘投影仪5、三维动画投影机6和水平投影屏7三部分，多个动态沙盘投影机5位于动态沙盘1的上方，由上至下投影至动态沙盘1上；水平投影屏7竖直放置于动态沙盘1的一侧，三维动画投影机6与水平投影屏7位置相对，位于动态沙盘1的另一侧。控制系统分别与投影设备、升降机3、震动仪4、震动测试仪、风速仪、摄像头、触摸一体机8连接，通过触摸一体机8进行控制信号的输入。
动态沙盘1上设置复杂城市物理模型，是开展城市公共安全突发事件综合实验的载体和平台，包括多种城市要素。如：楼房、公路、铁路、桥梁、隧道、山体、河流、大坝、发电站、厂房、石油罐区、医院、消防站、加油站、应急指挥中心、大型场馆、避难所、电网、城市地下水，天然气网等生命线系统、城市地铁、汽车、列车等。
使用所述装置进行演示时，按如下步骤进行：
（a）建立实体模型：
实体模型采用素体模型和仿真彩体模型相结合，将需要动画展示的区域制作成素体模型，便于投影动画的效果表现；将非动画表现区域做成彩体模型；
实体模型包括建筑物模型、铁道模型、公路模型、桥梁模型、隧道模型、山体模型、河流模型、大坝模型、电网模型、石化区模型、高铁模型；
（b）安装数据采集设备：
将风速仪和风扇分别放置在铁道模型的两侧，用于铁路列车的强风监测模拟；采用适用于电脑CPU的智能 F-128 (PWM)型风扇模拟强风，可控制改变风量大小；采用CEM感应式风速计DT-8880，可测量0.1~25m/s的风速，分辨率为0.01m/s。高铁模型采用百万城CE00501CRH3和谐号动车组频/火车头控制器。
在建筑物模型上安置摄像头；摄像头选用罗技Logitech HD C310720p高清摄像头。
建筑物模型下安置震动仪、升降机及震动测试仪；
（c）安装投影设备：
在动态沙盘的上方安装动态沙盘投影机，在动态沙盘的一侧竖直安装水平投影屏，在动态沙盘的另一侧与水平投影仪相对的位置安装三维动画投影机；
沙盘投影动画是通过四个动态沙盘投影机，采用二维和三维特效，自上而下投影至城市沙盘上。四通道投影采用三洋 xm1500投影仪，其参数为1024×768像素分辨率、600流明和2000:1对比度，重约16.0kg，采用通道融合技术进行边缘融合。
（d）模拟演示及数据采集：
动态沙盘投影机采用二维和三维特效，自上而下向动态沙盘上。投影内容可模拟河道的水流运动，城市绿化、还可表现出地下水的流动、汽车和列车的穿梭，天然气的网络等。在灾害场景下，投射各种灾害、人员疏散、人员密集的信息，经由摄像头实时监测，并通过图像处理程序对异常监视图像、人员流量等进行分析，模拟公共安全物联网系统中的信息采集、信息传输和分析研判过程。投影动画可以基于计算机数值模拟结果实现。动态沙盘投影机的输出特效动画分辨率为1500×1500.输出分辨率上、下边长误差不高于200.依靠三维特效，结合素体模型、将灾难发生和应急平台的感（信息采集）、传（信息传输）、知（分析研判）、用（调度指挥）表现出来。
水平投影仪采用三维动画和视频相结合的形式，输出高清三维动画分辨率为1920×1080。采用三维动画+视频相结合的形式，模拟地震、泥石流、洪水、强风、暴雨雪、闪电等自然灾害以及火灾、爆炸、危化品泄漏等事故灾难的情景；或作为背景，对投影到动态沙盘上的内容作进一步的解释和说明；或建立逼真的三维场景，基于计算机数值模拟计算结果，对灾害环境进行再现；或进行人机交互，用户以第一人称视角在三维场景中漫游，对灾害条件下的人员疏散、消防救援等进行模拟仿真，为灾害重现、风险评估、情景推演、预案演练、教育培训等提供直观可视化的表现手段；
在灾害模拟时，相邻区域的建筑物模型通过升降机作用以不同相位分别上下运动，关联的建筑模型和设施可发生倾斜；安置在模型下的震动仪使建筑模型抖动，模拟地震发生的情形；安装在建筑模型内部的震动测试仪记录这些模拟的灾害强度。
运用中央控制系统和触摸一体机对展示内容进行控制，参观者可以任意选择灾难场景，展示系统就展示相应的灾情，并展示该灾情下的应急管理流程。即灾难发生、传感器感知、信息传输到指挥中心、指挥中心综合研判、决策指挥应急处理。参观者也可以通过中央控制系统来查看各类感知前端布置展示、生命线安全运行监控展示。
Claims (9)
1.城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置，包括动态沙盘（1）、投影设备及控制系统三部分，其特征在于，
动态沙盘（1）上设置城市模型（2），在动态沙盘（1）的内部设置位置可移动的升降机（3）、震动仪（4）；动态沙盘（1）上设置震动测试仪、风扇、风速仪、摄像头；
投影设备分为动态沙盘投影仪（5）、三维动画投影机（6）和水平投影屏（7）三部分，多个动态沙盘投影机（5）位于动态沙盘（1）的上方，由上至下投影至动态沙盘（1）上；水平投影屏（7）竖直放置于动态沙盘（1）的一侧，三维动画投影机（6）与水平投影屏（7）位置相对，位于动态沙盘（1）的另一侧；
控制系统分别与投影设备、升降机（3）、震动仪（4）、震动测试仪、风速仪、摄像头、触摸一体机（8）连接，通过触摸一体机（8）进行控制信号的输入。
2.根据权利要求1所述的城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置，其特征在于，所述风扇为适用于电脑CPU的智能 F-128 型风扇；所述风速计为CEM感应式风速计DT-8880，测量分辨率为0.01m/s。
3.根据权利要求1所述的城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置，其特征在于，所述摄像头为罗技Logitech HD C310 720p高清摄像头。
4.根据权利要求1所述的城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置，其特征在于，所述动态沙盘投影仪（5）采用四通道投影采用三洋xm1500投影仪，其参数为1024×768像素分辨率、600流明和2000:1对比度。
5.根据权利要求1所述的城市公共安全多灾种次生衍生耦合仿真演示装置，其特征在于，所述触摸一体机采用Dell U2410 24寸宽屏电阻触摸显示器。
6.一种基于权利要求1所述演示装置的演示方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）建立实体模型：
实体模型采用素体模型和仿真彩体模型相结合，将需要动画展示的区域制作成素体模型，便于投影动画的效果表现；将非动画表现区域做成彩体模型；
实体模型包括建筑物模型、铁道模型、公路模型、桥梁模型、隧道模型、山体模型、河流模型、大坝模型、电网模型、石化区模型、高铁模型；
（b）安装数据采集设备：
将风速仪和风扇分别放置在铁道模型的两侧，用于铁路列车的强风监测模拟；
在建筑物模型上安置摄像头；
建筑物模型下安置震动仪、升降机及震动测试仪；
（c）安装投影设备：
在动态沙盘的上方安装动态沙盘投影机，在动态沙盘的一侧竖直安装水平投影屏，在动态沙盘的另一侧与水平投影仪相对的位置安装三维动画投影机；
（d）模拟演示及数据采集：
动态沙盘投影机采用二维和三维特效，自上而下向动态沙盘上投射各种灾害、人员疏散、人员密集的信息，经由摄像头实时监测，并通过图像处理程序对异常监视图像，人员流量进行分析，模拟公共安全物联网系统中的信息采集、信息传输和分析研判过程；
水平投影仪采用三维动画和视频相结合的形式，模拟自然灾害、事故灾难的情景；或作为背景，对投影到动态沙盘上的内容作进一步的解释和说明；或建立逼真的三维场景，对灾害环境进行再现；或进行人机交互，用户以第一人称视角在三维场景中漫游，对灾害条件下的人员疏散、消防救援等进行模拟仿真，为灾害重现、风险评估、情景推演、预案演练、教育培训等提供直观可视化的表现手段；
在灾害模拟时，相邻区域的建筑物模型通过升降机作用以不同相位分别上下运动，关联的建筑模型和设施可发生倾斜；安置在模型下的震动仪使建筑模型抖动，模拟地震发生的情形；安装在建筑模型内部的震动测试仪记录这些模拟的灾害强度。
7.根据权利要求6所述的演示方法，其特征在于，所述动态沙盘投影机输出的特效动画分辨率为1500×1500，输出分辨率上、下边长误差不高于200。
8.根据权利要求6所述的演示方法，其特征在于，所述水平投影仪输出的高清三维动画分辨率为1920×1080。
9.根据权利要求6所述的演示方法，其特征在于，所述自然灾害包括地震、泥石流、洪水、强风、暴雨雪和闪电，所述事故灾害包括火灾、爆炸和危化品泄漏。
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