CN105096685B - 石化火灾场景多感知应急训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石化火灾场景多感知应急训练系统，主要解决现有技术中交互性不足、场景感知度较低的问题。本发明通过采用一种石化火灾场景多感知应急训练系统，提供基于B/S架构的石化火灾场景多感知应急训练系统，包括3D驱动引擎、热通量感知仪模块、装备操作模块、基础知识数据库模块、场景数据库模块、桌面推演考核评估模块、服务器及客户端电脑的技术方案较好地解决了上述问题，可用于石化火灾场景多感知应急训练中。

Description

石化火灾场景多感知应急训练系统

技术领域

本发明涉及一种石化火灾场景多感知应急训练系统。

背景技术

灭火和应急救援是消防战训工作的重要内容之一。而石油化工企业火灾事故的特殊性和灭火救援任务的危险性，使得应急消防救援训练成为提高石化企业消防人员临场实战能力、效率的有效途径和重要工作。然而目前的消防训练存在着事故场景针对性不足、感知性不足、交互性不足、科学性低、缺乏训练手段和工具等问题，使得针对重点目标，制定全面的应急预案，并以此开展多感知灭火救援应急训练，是提高专职消防部队临场实战能力的有效途径。

CN201410035247.7涉及一种消防模拟装置，特别涉及一种带压应急堵漏消防模拟训练装置，包括模拟泄漏罐体，该罐体的前部为常温带压罐体，后部为低温带压罐体。该常温带压罐体空腔内配置发电机，供应整个带压应急堵漏消防模拟训练装置的电量。通过该发电机发电后供电给电机，驱动水泵将水箱内的水增压后分成两路，通过管路输送至整个装置上的各个泄漏点。同时通过电控箱控制不同泄漏点的开、关闭状态，并开启烟雾发生器和发声器的电源。

随着三维建模与仿真技术的快速发展，计算机多感知技术的灭火救援模拟训练以其特有的优点越来越受到消防部门的重视。计算机多感知技术模拟不再仅仅是火灾科学基础研究的主要手段，也为模拟真实灾害环境下的抢险救援组织指挥，增强消防救援队伍对突发事故现场的临场处置能力，提供了重要技术手段。针对石油化工灾害事故，利用计算机多感知技术模拟生成各种环境条件下的虚拟事故场景，受训对象依据应急救援战术原则进行指挥决策，调动和部署抢险救援力量，形成战斗方案，控制事故的发展和蔓延。虚拟事故场景也随着战斗方案的执行实时产生动态的多种感知形式的仿真效果，为受训对象创建一个具有高度沉浸感、多种感知形式的训练环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中交互性不足、场景感知度较低的问题，提供一种新的石化火灾场景多感知应急训练系统。该系统用于石化火灾场景多感知应急训练中，具有交互性足、场景感知度较高的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种石化火灾场景多感知应急训练系统，提供基于B/S架构的石化火灾场景多感知应急训练系统，包括3D驱动引擎、热通量感知仪模块、装备操作模块、基础知识数据库模块、场景数据库模块、桌面推演考核评估模块、服务器及客户端电脑，所述3D驱动引擎包括对场景数据库的组织和管理，定制漫游状态机制，实现碰撞检测，实时消隐，层次细节纹理映射，实时估算消防装备射流轨迹、形态，实时模拟事故后果仿真，数值模拟热辐射、泄漏、爆炸影响范围，支持数据的输入/输出设备；所述热通量感知仪模块包括对热通量的动态调整和精确控制、热通量感知仪及与之相连的传感器；所述装备操作模块包括消防装备操作培训课件、消防操控面板及与之相连的传感器；所述基础知识数据库模块包含基础知识培训课件数据库，基础知识考核题库、自动评分及成绩管理；所述场景数据库模块包括石油化工装置、消防装备基础数据库，石油化工装置、消防装备模型库，典型灾害模型库；桌面推演考核评估模块包括石化火灾事故桌面演练逻辑库、演练评估及情景考核；3D驱动引擎、基础知识数据库、场景数据库、桌面演练逻辑库内置于服务器，3D驱动引擎用于接收并处理所述虚拟训练系统中各传感器接收到的参训者动作信号，控制虚拟场景中角色做出对应动作，场景数据库为虚拟训练提供数字化场景；热通量感知仪、消防操控面板与客户端电脑终端通过USB接口连接；主要技术方案包括：(1)数据管理，系统基于SQL SERVER数据库，利用JavaScript语言在网页前台开发了一套支持基本地理信息数据、模型、设备、场景数据的上传、下载、浏览、管理、删除功能，通过可视化的操作管理基础数据和模型属性数据；(2)消防基础知识学习，将石化行业消防基础知识进行梳理分类，按照类别对基础知识课件进行管理，实现课件的在线学习播放及后台维护管理，可针对消防专业知识题库进行在线考核、评分；(3)消防装备培训，将已有消防车、消防设备的培训操作手册，进行功能梳理，开发成可供学习、操作的三维仿真培训课件，通过虚拟课件开关、按钮的操作控制，来掌握装备的操作步骤与要领；(4)消防指挥桌面推演，主要分为消防预案和消防演练两大模块，系统根据对消防作战及其力量部署的研究，系统将消防活动参与者抽象为消防角色，每一个角色的职能任务抽象为消防动作，通过消防角色与消防动作的构建与逻辑编辑，形成一套比较完整的消防应急预案系统，系统支持消防预案的播放、暂停、停止以及时间轴拖动播放机制，演练模式为用户提供了虚拟交互式进行消防演练的软件操作平台，用户可以方便地在系统中进行多种消防演练指挥桌面推演，也支持多人多台机器同时进行同一消防事故处置。

本发明针对现有技术的不足和石油化工火灾场景应急训练技术的实际需求，提供一种基于硬件交互的多感知三维虚拟培训系统，利用热通量感知仪、消防操控面板等虚拟现实硬件设备和自主研发的3D(三维)驱动软件，生成逼真的石油化工装置虚拟场景和典型事故场景，受训者可以真实地完成消防装备操作模拟和事故应急虚拟演练，以提高石化专职消防队虚拟培训的真实性和培训效果。为实现上述目的，本发明提供基于B/S架构的石化火灾场景多感知应急训练系统包括3D驱动引擎、热通量感知仪模块、装备操作模块、基础知识数据库(含考核题库)模块、场景数据库模块、桌面推演考核评估模块、服务器及客户端电脑构成。所述3D驱动引擎包括对场景数据库的组织和管理，定制漫游状态机制，实现碰撞检测，实时消隐，层次细节纹理映射，实时估算消防装备射流轨迹、形态，实时模拟事故后果仿真，数值模拟热辐射、泄漏、爆炸影响范围，支持数据的输入/输出设备；所述热通量感知仪模块包括对热通量的动态调整和精确控制、热通量感知仪及与之相连的传感器；所述装备操作模块包括消防装备操作培训课件、消防操控面板及与之相连的传感器；所述基础知识数据库(含考核题库)模块包含基础知识培训课件数据库，基础知识考核题库、自动评分及成绩管理；所述场景数据库模块包括石油化工装置、消防装备基础数据库，石油化工装置、消防装备模型库，典型灾害模型库；桌面推演考核评估模块包括石化火灾事故桌面演练逻辑库、演练评估及情景考核；3D驱动引擎、基础知识数据库(含考核题库)、场景数据库、桌面演练逻辑库内置于服务器，3D驱动引擎用于接收并处理所述虚拟训练系统中各传感器接收到的参训者动作信号，控制虚拟场景中角色做出对应动作，场景数据库为虚拟训练提供数字化场景；热通量感知仪、消防操控面板与客户端电脑终端通过USB接口连接。主要技术方案包括以下几个部分:

1、数据管理

系统基于SQL SERVER数据库，利用JavaScript语言在网页前台开发了一套支持基本地理信息数据、模型、设备、场景等多类型数据的上传、下载、浏览、管理、删除等功能。通过可视化的操作管理基础数据和模型属性数据，大大方便了后台数据维护更新工作，节约了成本。

主要包含如下几个功能：

1.1数据上传

系统支持多种数据类型上传入库，包括文档、图片、视频、幻灯片等基本数据，以及三维模型数据包括Mod模型，Fbx模型，Ms3d关键帧模型，和大型石化装置场景模型等，通过对预案演练部署进行评估，针对较优预案实现了预案的上传保存，为用户提供了高效的管理组织消防数据与预案的方法。

1.2数据下载

系统提供了大型场景、场景设备和消防模型从服务器端下载到客户端本地并进行保存。提供公共设备通过数据库中场景的设备属性信息自动下载到本地场景文件夹中，增加数据共享服务并节约数据存储。

1.3数据管理

系统对多种类型数据按照业务类型进行分类，针对每一种类型的数据提供了添加、删除、修改及保存功能。模型管理为用户提供了高效地管理多维地理模型数据，用户可以按照场景模型类别进行数据入库，后台录入场景设备属性信息，以及后期更新维护多套场景及其设备等数据操作。

1.4用户管理

系统创建默认超级管理员，提供了其他管理员创建删除机制，并为用户添加密码设置、密码修改和密码删除操作。

2、消防基础知识学习

将石化行业消防基础知识进行梳理分类，按照类别对基础知识课件进行管理，实现课件的在线学习播放及后台维护管理。每一类下可支持ppt、doc、flv、wma、jpg等格式的课件。还可针对消防专业知识题库进行在线考核、评分。

包含如下几个功能：

2.1文档浏览学习

系统支持ppt、doc等格式文档课件的在线浏览学习，网页前台通过点击课件名称可直接进行课件的浏览学习。

2.2图片浏览学习

系统支持jpg、png等格式图片课件的在线浏览学习，网页前台通过点击课件名称可直接进行课件的浏览学习。

2.3视频播放学习

系统支持flv、wmv、swf等格式视频课件的在线播放学习，网页前台通过点击课件名称可直接进行课件的浏览学习。

2.4题库考核

系统支持excel格式试题的批量导入，网页前台通过“题库管理”、“考试管理”、“试卷管理”编辑考试及所属试卷题目，通过在线答题的形式进行培训考核，最终将自动评分成绩存档。

3、消防装备培训

将已有消防车、消防设备的培训操作手册，进行功能梳理，开发成可供学习、操作的三维仿真培训课件，通过虚拟课件开关、按钮的操作控制，来掌握装备的操作步骤与要领。

包含如下几个功能：

3.1操作流程、技术参数浏览

选择某一课件,可进行课件的操作规程及技术参数附件的浏览学习。

3.2课件下载、加载

用户通过选择课件进行课件三维场景的初次下载保存，并自动进行加载打开场景。

3.3相机环绕、暂停

用户通过点击三维课件下方的相机环绕、暂停按钮，可实现相机的自动环绕。

3.4远程视点、侧身视点

用户通过点击三维课件下方的远程视点、侧身视点按钮，场景视点可自动转至远程视点状态及侧身视点状态。

3.5附图、车体结构

点击附图按钮，系统弹出此消防装备的系统结构图以供查阅。点击车体结构按钮，课件三维场景中自动显示车体的长、宽、高标尺信息及各系统结构名称标注。

3.6教学模式浏览

系统可进行课件教学模式的浏览学习，通过浏览观看每一步骤的操作顺序及注意事项，来达到初步学习操作规程的目的。

3.7操作模式控制

系统在操作模式下可进行消防装备的虚拟操作控制，依据教学模式的学习，在操作模式下正确操作后，三维场景中会给与相应操作表现，如臂架展开、炮头摆动等。

3.8大纲、角度显示

系统在操作模式下会提供当前所处操作步骤的状态，让学习者对操作顺序有更直观的印象。臂架展开过程中，系统能实时显示臂架展开角度，让操作者对臂架展开角度能实时进行查看。

3.9视点转到、高亮、动画

系统提供视点转到、高亮、动画等形式的三维表现，课件操作模式及教学模式下，如介绍或操作某一部件，三维中视点会自动转到相应部件并高亮显示，同时会有一定动画表现。

3.10课件切换加载

在学习完一个课件后，可点击停止学习进入到课件选择界面，进行另一课件的选择加载。

3.11实体控制面板(消防操控面板)操作

通过将消防车所对应的硬件实体操作面板与消防车操作培训课件相连，可实现硬件控制虚拟场景中设备的动作，硬件面板与真实设备结构、功能一致，增强了操作的真实感与体验度。

3.12热通量感知仪操作

通过将体感设备热通量感知服与虚拟环境相连，根据场景中距火源位置的距离，实现体感设备温度的改变，依次增强三维环境的体验感。

4、消防指挥桌面推演模块

消防桌面推演主要分为消防预案和消防演练两大模块。系统根据对消防作战及其力量部署的研究，系统将消防活动参与者抽象为消防角色，每一个角色的职能任务抽象为消防动作，通过消防角色与消防动作的构建与逻辑编辑，形成一套比较完整的消防应急预案系统。系统支持消防预案的播放、暂停、停止以及时间轴拖动播放机制。演练模式为用户提供了虚拟交互式进行消防演练的软件操作平台，用户可以方便地在系统中进行多种消防演练指挥桌面推演，也支持多人多台机器同时进行同一消防事故处置。

主要包含如下几个功能：

4.1场景加载

系统利用多核计算技术，建立并行处理模型从海量场景数据中筛选出需即时处理的数据，运用空间索引、实时消隐等技术对数据进行裁剪，降低整个系统的数据交换压力，但是用户获得真实景观的感受没有变化。在降低系统对硬件配置要求的同时，实现对海量数据的实时高效加载。

4.2场景漫游

系统提供多种漫游方式。用户可以通过键盘和鼠标的配合，选择第一人称或第三人称的方式进行场景漫游。还可以根据实际情况选择不同的第一人称角色，比如各式的人物、飞机、汽车等，也可以通过键盘加快和减慢漫游速度。

4.3场景标绘及绘制

系统提供了各种场景绘制功能包括：角色添加标注、标尺绘制、水带绘制、警戒线绘制、消防车行驶路径绘制等，根据具体需求添加相应的三维场景绘制。

4.4空间测量功能

系统可以实现主流软件的空间测量功能。用户可以根据实际情况选择坐标测量、两点间的空间距离测量、多点所构成的平面的面积测量以及目标位置体积等。企业可以在应急时运用此功能进行辅助决策，也可以在设计施工中方便快捷的获取精确地测量数据，节省大量人力和物力；同时可以进行企业、道路、居民区等的模拟规划，即可以在三维地景中添加建筑、道路、预量算平整土地面积等，为设计施工提供便捷的工具和方法。

4.5多角色添加

通过研究分析消防演练过程，系统将消防参战元素抽象为多种消防角色，主要类型有：危险源、消防员、消防车、消防设备、应急资源和应急指挥，每一个类型又包含了多种具体类型角色，为用户提供了丰富的角色类型选择，支持多种类型多种情况下消防演练的仿真模拟。

4.6角色控制

针对多种类型角色，系统为特定类型角色提供了相应的消防动作，消防员动作主要有行走、奔跑、蹲下、站起和拉水带等；消防车动作有行走、驾驶、臂架操作、喷头操作和喷水等；以及各个角色共有的一些脚本动作共同组合完成整套消防演练任务仿真。

4.7预案构建与播放

系统提供多角色多动作添加功能，通过逻辑编辑器编辑各消防角色的各消防动作的逻辑关系，点击生成预案确定每一个动作单元的预案时间，支持预案的播放暂停和停止，开发时间轴界面拖动控制整个预案的播放。

4.8火、烟、水柱等粒子特效

场景中可以添加火、烟、水柱等粒子特效。用户可以根据不同的场合需求选择不同的粒子特效置于场景中的任何位置。同时可以对粒子参数进行设置，以达到实际的效果需求。

4.9灾害事故模拟设置

系统支持数学模型的集成，用户可以通过设置发生时间时的天气状况、地形地貌等影响因子，进行事故模拟，如分析出扩散的影响范围，使参与者能直观形象的了解到当前发生的灾害、类型及灾害的严重性，加深对类似突发事件的认识，辅助决策人员制定方案，做到在遇到类似突发事件时处变不惊、沉着应对。

4.10灭火剂设置

系统提供了多种消防装备来进行消防任务实施，为消防车及消防设备灭火剂添加了喷水、喷泡沫和喷干粉灭火剂的多种类型选择，不同类型的灭火剂选择对演练任务的执行产生不同的影响。

4.11设备查询

系统提供了场景中消防设备和工艺设备的查询，主要包括设备模型查询以及属性信息查询。

4.12场景工具

系统提供了丰富的场景常用工具，主要有模型编辑工具、测量工具、图像输出工具及屏幕录制工具等。

4.13场景设置

根据具体环境情况，需要对场景进行全局宏观的设置，包括天气状况、环境参数等。场景设置功能提供了风力风向设置，光照设置，鹰眼设置以及场景剖切设置。

4.14触发系统

平台需具有一个完整的事件触发系统，当用户进行鼠标左键单击操作、进入到自定义的区域、距场景元素一定距离时会触发不同的事件。支持对已设置所有类型触发器进行各种编辑操作，包括添加、删除、开启、显示触发区域、颜色调节、延长减短触发时间；支持触发器预览及时间轴操作。提供一系列多种类触发脚本接口并规范入库。

4.15消防任务演练

系统提供了在三维场景中模拟仿真交互式进行消防演练过程的功能，分为单机演练和多机协同演练两部分。单机演练下用户可以进行消防演练部署以及具体消防任务实施完成，通过排兵布阵体现消防指挥思路，操作角色控制装备练习具体消防技能；多机模式下，管理员布置消防演练场景，每个操作员控制具体参战角色完成分配的消防任务，多人合作多机协同完成消防事故处理。

4.16演练部署评估

系统提供了对当前预案演练进行评估分析功能，主要通过查看当前预案演练部署信息，包括消防力量部署查询，图表信息查询，专题查询主要有水量查询，消防车部署查询，装置单元查询等多种技术参数数据，对预案演练基于准确的数据支持做出科学合理的评估。

本发明提供一种基于硬件交互的多感知三维虚拟培训系统，利用热通量感知仪、消防操控面板等虚拟现实硬件设备和自主研发的3D驱动软件，生成逼真的石油化工装置虚拟场景和典型事故场景，受训者可以真实地完成消防装备操作模拟和事故应急虚拟演练，以提高石化专职消防队虚拟培训的真实性和培训效果，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为石化火灾场景多感知应急训练系统B/S架构图；

图2为石化火灾场景多感知应急训练系统实现结构图；

图3为石化火灾场景多感知应急训练系统功能结构图；

图4为数据管理模块结构图；

图5为消防基础知识学习模块结构图；

图6为消防装备培训模块结构图；

图7为场景漫游模块结构图；

图8为场景标绘及图形绘制结构图；

图9为多角色添加模块结构图；

图10为多动作模块结构图；

图11为预案构建和播放模块结构图；

图12为场景工具模块结构图；

图13为场景设置模块结构图；

图14为事故模拟模块结构图；

图15为事件触发模块结构图；

图16为设备查询与专题查询模块结构图；

图17为消防演练模块结构图。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

石化火灾场景多感知应急训练系统是基于数据库技术、多维地理信息、虚拟现实等先进技术，建立面向石化装置、罐区演练的三维培训平台软件，实现对装置、罐区的事故救援进行培训学习和预案推演。图1是石化火灾场景多感知应急训练系统B/S(Browser/Server)架构图，图2是石化火灾场景多感知应急训练系统实现结构图。

石化火灾场景多感知应急训练系统主要实现功能包括消防数据的后台管理、消防基础知识和消防设备培训、消防演练事故模拟、消防单机桌面推演以及多机协同演练等功能模块。图3是石化火灾场景多感知应急训练系统功能结构图，系统建设主要包括四个部分：

1、数据管理

系统基于SQL SERVER数据库构建了面向消防类型数据的数据库管理系统，针对多种类型的消防数据包括：用户管理信息、消防基础知识课件、消防装备操作课件、消防桌面推演场景、消防装备管理和其他设置数据等，设计可视化用户操作界面，简洁方便地实现了对多源数据的后台管理、操作和存储。

【结构描述】

数据后台管理模块主要实现对消防数据包括用户管理、消防基础知识课件、消防装备操作课件、消防桌面推演场景、消防装备管理和其他设置数据的上传、下载、分类管理及更新。数据管理员可以通过网页浏览器实现对数据库的可视化管理，包括模型场景和属性数据入库、下载、删除、类别管理、信息查询等。

表1-1功能结构

【结构图】

图4是数据管理模块结构图，先是对多种消防数据进行分类，包括用户信息数据、消防课件数据、消防装备操作课件、消防推演场景和消防装备数据，然后根据数据类型分别对相应的数据进行管理，用户可以按照需求进行数据的上传、下载、删除、修改和查询等操作。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要Sql Server数据库支持

【编程语言】：C++，C#，JavaScript

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表1-2数据管理模块测试计划

2、消防基础知识学习

基于消防数据库管理系统，系统提供对于消防基础知识课件，包括文档、PPT及视频等多种形式学习资料的上传下载更新和浏览学习，并针对相关基础知识可进行在线考核。模块主要包括装置火灾危险性培训、危险化学品基础知识培训、日常战训培训和题库考核。

【结构描述】

消防基础知识学习模块主要是通过消防数据库管理对知识课件进行管理上传下载更新等操作，在该模块用户可以根据资料分类整理，点击选择观看自己需要的知识课件。消防知识课件主要包括：装置火灾危险性培训、危险化学品基础知识培训、日常战训培训和题库考核。

表2-1功能结构

【结构图】

图5是消防基础知识学习模块结构图，

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要常用视频、PPT及文档插件安装

【编程语言】：C#，JavaScript

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表2-2消防基础知识学习模块测试计划

表2-3消防基础知识题库考核模块测试计划

3、消防装备操作培训

装备操作培训主要包括对于各种类型消防车操作和消防移动装备操作的学习和使用。系统首先提供了比较完整的技术性文档详尽的介绍了消防设备的基本信息和使用方法，此外用户还可以在三维场景中虚拟的观看和练习该设备的具体操作方法，虚拟操作模式有教学模式和练习模式，更方便更真切的培训用户的装备操作技能。

【结构描述】

装备培训模块主要是让用户通过多方面的学习和练习来掌握消防装备的使用方法。模块首先通过文档查阅，从理论上对学习装备进行全面详细的介绍，然后在三维场景中分别从教学和练习两种模式，更真切地让用户感受学习到消防装备操作方法。用户可以查看文档，可以观看教学模式下消防装备虚拟操作，并可以在三维场景中自己操作练习来熟悉装备的操作方法。系统也提供了实体的操作面板，通过实体面板与虚拟场景的实时通信来实现装备操作。

表3-1功能结构

【结构图】

图6是消防装备培训模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】：C++、Flash

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表3-2消防装备培训模块测试计划

硬件装置操作主要有热通量感知仪(热通量感知服)和实体操作面板：

操作人员身穿定制体验服，在VR(Virtual Reality)环境中当消防人员接近火源时，VR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消防服温度上升；在VR环境中当消防人员远离火源时，VR主机通知核心控制模块，控制冷却装置向体验服中送入冷空气，温度实时检测反馈模块确保消防员远离火源，消防服中的温度降低。实体操作面板是仿照消防车的实际操作面板进行设计，将消防车的下车操作面板系统封装为一密闭箱体，模拟操作消防车的动作执行及响应情况。通过操作该实体面板，培训者可以实时控制计算机虚拟场景的消防车进行下车操作，既能提高学习者的学习兴趣，也能使培训者更好的掌握操作步骤。

4、消防指挥桌面推演

桌面推演主要分为消防预案和消防演练两大部分，基于VRHSE平台构建了一套在三维场景中模拟消防事故发生演变的过程，并针对事故性质制定了相应的预案应急措施。系统提供了预案的构建、播放、停止、时间轴以及路径显示等功能。

消防演练又分为单机演练和多机协同演练两种模式，单机演练用户可以实时进行交互式操作，包括演练部署，GIS(地理信息系统)分析工具，查询设备等功能，旨在虚拟场景中完成现实中较难完成的消防演练操作。指挥员通过系统进行作战部署，充分展现其在紧急事故中的指挥战斗思想，同时操作员也可以明确作战意图，更好的提升消防员的职业技能和素养。多人演练采用多人协作模式，按照消防救灾预案或者管理员设置事故场景(在装置任意位置部署火、烟、泄漏等事故场景)，参加演练的不同成员通过扮演不同虚拟角色(指挥员、战斗员、操作员等)协同完成突发事故的应急处置。

4.1场景漫游

【结构描述】

场景漫游模块主要实现在场景中动态的、任意角度的浏览观察，本模块主要作用是通过用户对于输入设备的交互操作或设置定点位置的方式，实时控制三维场景中相机的位置、角度、远近，反馈给用户不同的观察视角。用户在使用时采用软件内设的操作模式，交互改变观察角度，实现虚拟漫游功能。

表4-1功能结构

名称	功能
		交互操作漫游	运用输入设备，如鼠标、键盘等，实时操作

	漫游
		定点位置漫游	输入漫游的位置、角度数据，准确定位

【结构图】

图7是场景漫游模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】：C++

【编译/开发环境】：vs2010

【测试计划】

表4-2场景漫游模块测试计划

4.2场景标绘及图形绘制

【结构描述】

模块主要实现用户可以在场景中进行任意位置的绘制出需要的图形图像，主要包括标注绘制、标尺绘制、消防车行车路径绘制、水带绘制、距离估算、警戒线绘制和固定跑作战半径绘制等。用户可以根据具体的需求，交互式地在场景中添加自己需要的绘制图形，实现提示信息，测量场景，显示路径、连接设备、显示距离及影响范围查询等功能。

表4-3功能结构

【结构图】

图8是场景标绘及图形绘制结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】:C++

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-4场景标绘及图形绘制模块测试计划

4.3多角色添加

【结构描述】

系统将消防事故中参战元素抽象为各种类型的消防角色，多角色添加模块为用户提供了在三维场景中手动添加删除消防相关的各种角色接口。并将消防角色分为以下几种类型：危险源、消防员、消防车、消防设备、应急资源和应急指挥多种角色元素。而每一种角色元素又分为多种具体的消防角色个体，用户可以根据需求添加相应的角色，参加消防事故演练。系统也针对具体角色实现了第一视角和第三视角的控制，可以漫游场景并操控具体角色完成消防任务。

表4-5功能结构

【结构图】

图9是多角色添加模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】：C++

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-6多角色添加模块测试计划

4.4多动作添加

【结构描述】

针对消防演练中多种类型角色及其特殊的消防任务，系统为每一个消防角色提供了消防动作添加。点击控制具体角色，进入控制面板可以实现该角色具有的消防动作，角色动作主要包括行走、奔跑、拉水带、蹲下、站起、拿设备、喷水、臂架控制等。在具体的消防任务中，具体角色实施具体的消防动作，完成消防任务，为用户提供了可以在虚拟场景中模拟消防事故开展消防演练的可视化操作平台。

表4-7功能结构

名称

功能

动作添加	针对具体消防角色实现其具有的消防动作

【结构图】

图10是多动作模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】：C++

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-8多动作模块测试计划

输入	选择控制消防角色
		步骤	控制角色进入角色控制面板，点击具体消防动作
理论输出	根据点击动作按钮，角色完成相应动作
		实际输出
判定条件	角色完成动作是否正确
		结果分析	判定为是测试成功，否则测试失败

4.5预案构建和播放

【结构描述】

根据对消防作战及其力量部署的研究，系统将消防活动参与者抽象为消防角色，每一个角色的职能任务抽象为消防动作，通过消防角色绑定，消防角色与消防动作的构建与逻辑编辑，形成一套比较完整的消防应急预案。系统也提供了消防预案创建保存和删除机制，消防角色和消防动作的添加和删除功能，通过逻辑编辑器编辑多个消防动作逻辑关系构建预案。预案播放控制主要有预案的播放、暂停与停止，研发了时间轴拖动播放预案模式。

表4-9功能结构

【结构图】

图11是预案构建和播放模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要MySQL/SqlServer支持

【编程语言】:C++s

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-10预案构建和播放模块测试计划

4.6场景工具

【结构描述】

系统提供了三维场景中常用的一些基本工具，主要包括角色编辑功能有旋转平移和缩放；GIS工具有坐标距离查询，高度、面积和体积测量；输出工具有出图和屏幕录制功能。

表4-11功能结构

【结构图】

图12是场景工具模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】；C++

【编译/开发环境】：vs2010

【测试计划】

表4-12场景工具模块测试计划

4.7场景设置

【结构描述】

场景设置主要通过对场景整体环境及其他参数做设置，从全局上来控制场景的整体环境及显示渲染状况。环境设置主要包括环境风设置，设置当前场景下自然风力风向参数；光照设置，提供了开启光照后场景模型经反射折射散射光后的真实效果，并真实的渲染了光照存在下阴影的状况；天气设置主要是雨雪天气的仿真，开启后在场景中实时渲染出了雨或雪的真实状态，逼真的反映了实际情况中的天气环境状况。鹰眼功能，从整体上展示了整个场景的基本状况，并定位了目前观察者在场景中的位置；剖切功能，用户可以随意剖切整个场景来控制显示场景，寻求感兴趣区域作研究。

表4-13功能结构

【结构图】

图13是场景设置模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0，CG2.0以上的版本

【编程语言】：C++

【编译/开发环境】：vs2010

【测试计划】

表4-14场景设置模块测试计划

4.8事故模拟分析

【结构描述】

事故模拟模块主要是实现在三维场景中进行事故的三维仿真和模拟。包括高斯模型气体扩散模拟，可以实现对气体扩散的过程状态和情况进行实时数值模拟，并分别从二维和三维方面去展示气体扩散的演变过程。热辐射模拟，根据辐射材料性质，输入当前环境参数，使用辐射模型在三维场景中计算表达出辐射影响的范围及危害度分布情况，可以划分为燃烧区、致死区、二度烧伤区和一度烧伤区。爆炸模型，根据爆炸物的类型和材料性质，输入相关环境参数，使用爆炸分析模型三维模拟出爆炸物的危害情况，按照危害程度的不同划分为致死区、人员轻伤区和玻璃破碎区。

表4-15功能结构

【结构图】

图14是事故模拟模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0，Magic Particles(Dev)Version 2.21以上的版本

【编程语言】：C++

【编译/开发环境】：vs2010

【测试计划】

表4-16事故模拟模块测试计划

4.9触发系统

【结构描述】

事件触发模块主要通过触发脚本编辑器在场景中任意的设置触发器，通过脚本设置任意的触发事件，并且加入时间轴的概念，对触发事件设置时间长度，在不同时间点触发不同事件，或者在同一时间点触发多个事件。通过触发脚本系统设置可以模拟各种事故过程。主要包括距离触发、区域触发、点击触发和通用触发等几种触发方式。

表4-17功能结构

【结构图】

图15是事件触发模块结构图

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要Python2.0以上的版本。

【编程语言】：C++、Python脚本

【编译/开发环境】：vs2010

【测试计划】

表4-18事件触发测试计划1

表4-19事件触发测试计划2

4.10设备查询和专题查询

【结构描述】

系统通过对模型和设备的整体管理，提供了消防设备、工艺设备和专题查询功能。查询设备会自动高亮转到对应模型，并可以在属性列表中查看设备参数信息。消防设备主要包括消防栓、灭火器和固定炮等设备；工艺设备主要包括初馏塔、常压塔、常压炉及原油泵等设备；专题查询主要包括水量、化学品、消防力量及装置单元查询。

表4-20功能结构

【结构图】

图16是设备查询与专题查询模块结构图。

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要OpenGL 2.0以上的版本

【编程语言】:C++

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-21设备属性查询测试计划

表4-22专题查询测试计划

4.11消防演练部署与评估

【结构描述】

演练模块为用户提供实时交互式操作平台，包括演练部署、角色控制、设备操作、任务演练等功能，旨在虚拟场景中完成现实中很难完成的消防演练操作。单机演练提供用户通过添加多种消防角色进行消防作战部署，可以实时操作消防角色进行消防意图的作战表现，统一作战思想。多机协同演练对参战角色进行划分为管理员、操作员和观察员，管理员负责整体演练部署和开始演练控制，操作员操控具体消防角色，并根据其操控的角色显示其角色操作面板，多台机器可以针对同一消防事故展开多机协同作战，共同完成消防事故处置。系统支持当前预案演练的分析评估功能，通过各种专题信息与技术参数的计算查询，进行图表数据参数分析，可以对当前的预案演练做出科学评估。

表4-23功能结构

【结构图】

图17是消防演练模块结构图

【设计限制和约束】

【限制条件】：需要IE浏览器支持

【编程语言】:c++,javascript

【编译/开发环境】vs2010

【测试计划】

表4-24消防演练模块测试计划

Claims (1)

1.一种石化火灾场景多感知应急训练系统，提供基于B/S架构的石化火灾场景多感知应急训练系统，包括3D驱动引擎、热通量感知仪模块、装备操作模块、基础知识数据库模块、场景数据库模块、桌面推演考核评估模块、服务器及客户端电脑，所述3D驱动引擎包括对场景数据库的组织和管理，定制漫游状态机制，实现碰撞检测，实时消隐，层次细节纹理映射，实时估算消防装备射流轨迹、形态，实时模拟事故后果仿真，数值模拟热辐射、泄漏、爆炸影响范围，支持数据的输入/输出设备；所述热通量感知仪模块包括对热通量的动态调整和精确控制、热通量感知仪及与之相连的传感器；所述装备操作模块包括消防装备操作培训课件、消防操控面板及与之相连的传感器；所述基础知识数据库模块包含基础知识培训课件数据库，基础知识考核题库、自动评分及成绩管理；所述场景数据库模块包括石油化工装置、消防装备基础数据库，石油化工装置、消防装备模型库，典型灾害模型库；桌面推演考核评估模块包括石化火灾事故桌面演练逻辑库、演练评估及情景考核；3D驱动引擎、基础知识数据库、场景数据库、桌面演练逻辑库内置于服务器，3D驱动引擎用于接收并处理虚拟训练系统中各传感器接收到的参训者动作信号，控制虚拟场景中角色做出对应动作，场景数据库为虚拟训练提供数字化场景；热通量感知仪、消防操控面板与客户端电脑终端通过USB接口连接；主要技术方案包括：(1)数据管理，系统基于SQLSERVER数据库，利用JavaScript语言在网页前台开发了一套支持基本地理信息数据、模型、设备、场景数据的上传、下载、浏览、管理、删除功能，通过可视化的操作管理基础数据和模型属性数据；(2)消防基础知识学习，将石化行业消防基础知识进行梳理分类，按照类别对基础知识课件进行管理，实现课件的在线学习播放及后台维护管理，针对消防专业知识题库进行在线考核、评分；(3)消防装备培训，将已有消防车、消防设备的培训操作手册，进行功能梳理，开发成供学习、操作的三维仿真培训课件，通过虚拟课件开关、按钮的操作控制，来掌握装备的操作步骤与要领；(4)消防指挥桌面推演，主要分为消防预案和消防演练两大模块，系统根据对消防作战及其力量部署的研究，系统将消防活动参与者抽象为消防角色，每一个角色的职能任务抽象为消防动作，通过消防角色与消防动作的构建与逻辑编辑，形成一套比较完整的消防应急预案系统，系统支持消防预案的播放、暂停、停止以及时间轴拖动播放机制，演练模式为用户提供了虚拟交互式进行消防演练的软件操作平台，用户能够方便地在系统中进行多种消防演练指挥桌面推演，也支持多人多台机器同时进行同一消防事故处置；

具体地:

i.数据管理

系统基于SQL SERVER数据库，利用JavaScript语言在网页前台开发了一套支持基本地理信息数据、模型、设备、场景数据的上传、下载、浏览、管理、删除功能，通过可视化的操作管理基础数据和模型属性数据，大大方便了后台数据维护更新工作，节约了成本；

主要包含如下几个功能：

1.1数据上传

系统支持多种数据类型上传入库，包括文档、图片、视频、幻灯片，以及三维模型数据包括Mod模型，Fbx模型，Ms3d关键帧模型，和大型石化装置场景模型，通过对预案演练部署进行评估，针对较优预案实现了预案的上传保存，为用户提供了高效的管理组织消防数据与预案的方法；

1.2数据下载

系统提供了大型场景、场景设备和消防模型从服务器端下载到客户端本地并进行保存；提供公共设备通过数据库中场景的设备属性信息自动下载到本地场景文件夹中，增加数据共享服务并节约数据存储；

1.3数据管理

系统对多种类型数据按照业务类型进行分类，针对每一种类型的数据提供了添加、删除、修改及保存功能，模型管理为用户提供了高效地管理多维地理模型数据，用户按照场景模型类别进行数据入库，后台录入场景设备属性信息，以及后期更新维护多套场景及其设备的数据操作；

1.4用户管理

系统创建默认超级管理员，提供了其他管理员创建删除机制，并为用户添加密码设置、密码修改和密码删除操作；

ii.消防基础知识学习

将石化行业消防基础知识进行梳理分类，按照类别对基础知识课件进行管理，实现课件的在线学习播放及后台维护管理，每一类下能够持ppt、doc、flv、wma、jpg格式的课件，针对消防专业知识题库进行在线考核、评分；

包含如下几个功能：

2.1文档浏览学习

系统支持文档课件的在线浏览学习，网页前台通过点击课件名称直接进行课件的浏览学习；

2.2图片浏览学习

系统支持图片课件的在线浏览学习，网页前台通过点击课件名称直接进行课件的浏览学习；

2.3视频播放学习

系统支持视频课件的在线播放学习，网页前台通过点击课件名称直接进行课件的浏览学习；

2.4题库考核

系统支持excel格式试题的批量导入，网页前台通过“题库管理”、“考试管理”、“试卷管理”编辑考试及所属试卷题目，通过在线答题的形式进行培训考核，最终将自动评分成绩存档；

iii.消防装备培训

将已有消防车、消防设备的培训操作手册，进行功能梳理，开发成供学习、操作的三维仿真培训课件，通过虚拟课件开关、按钮的操作控制，来掌握装备的操作步骤与要领；

包含如下几个功能：

3.1操作流程、技术参数浏览

选择某一课件，进行课件的操作规程及技术参数附件的浏览学习；

3.2课件下载、加载

用户通过选择课件进行课件三维场景的初次下载保存，并自动进行加载打开场景；

3.3相机环绕、暂停

用户通过点击三维课件下方的相机环绕、暂停按钮，实现相机的自动环绕；

3.4远程视点、侧身视点

用户通过点击三维课件下方的远程视点、侧身视点按钮，场景视点自动转至远程视点状态及侧身视点状态；

3.5附图、车体结构

点击附图按钮，系统弹出此消防装备的系统结构图以供查阅；点击车体结构按钮，课件三维场景中自动显示车体的长、宽、高标尺信息及各系统结构名称标注；

3.6教学模式浏览

系统能够进行课件教学模式的浏览学习，通过浏览观看每一步骤的操作顺序及注意事项，来达到初步学习操作规程的目的；

3.7操作模式控制

系统在操作模式下能够进行消防装备的虚拟操作控制，依据教学模式的学习，在操作模式下正确操作后，三维场景中会给与相应操作表现；

3.8大纲、角度显示

系统在操作模式下会提供当前所处操作步骤的状态，让学习者对操作顺序有更直观的印象；臂架展开过程中，系统能实时显示臂架展开角度，让操作者对臂架展开角度能实时进行查看；

3.9视点转到、高亮、动画

系统提供三维表现，课件操作模式及教学模式下，三维中视点会自动转到相应部件并高亮显示，同时会有动画表现；

3.10课件切换加载

在学习完一个课件后，点击停止学习进入到课件选择界面，进行另一课件的选择加载；

3.11实体控制面板操作

通过将消防车所对应的硬件实体操作面板与消防车操作培训课件相连，实现硬件控制虚拟场景中设备的动作，硬件面板与真实设备结构、功能一致，增强了操作的真实感与体验度；

3.12热通量感知仪操作

通过将体感设备热通量感知服与虚拟环境相连，根据场景中距火源位置的距离，实现体感设备温度的改变，依次增强三维环境的体验感；

4、消防指挥桌面推演模块

消防桌面推演主要分为消防预案和消防演练两大模块；系统根据对消防作战及其力量部署的研究，系统将消防活动参与者抽象为消防角色，每一个角色的职能任务抽象为消防动作，通过消防角色与消防动作的构建与逻辑编辑，形成一套比较完整的消防应急预案系统；系统支持消防预案的播放、暂停、停止以及时间轴拖动播放机制；演练模式为用户提供了虚拟交互式进行消防演练的软件操作平台，用户能够方便地在系统中进行多种消防演练指挥桌面推演，也支持多人多台机器同时进行同一消防事故处置；

主要包含如下几个功能：

4.1场景加载

系统利用多核计算技术，建立并行处理模型从海量场景数据中筛选出需即时处理的数据，运用空间索引、实时消隐技术对数据进行裁剪，降低整个系统的数据交换压力，但是用户获得真实景观的感受没有变化；在降低系统对硬件配置要求的同时，实现对海量数据的实时高效加载；

4.2场景漫游

系统提供多种漫游方式；用户通过键盘和鼠标的配合，选择第一人称或第三人称的方式进行场景漫游；根据实际情况选择不同的第一人称角色，也能够通过键盘加快和减慢漫游速度；

4.3场景标绘及绘制

系统提供了各种场景绘制功能包括：角色添加标注、标尺绘制、水带绘制、警戒线绘制、消防车行驶路径绘制，根据具体需求添加相应的三维场景绘制；

4.4空间测量功能

系统能够实现主流软件的空间测量功能；用户能够根据实际情况选择坐标测量、两点间的空间距离测量、多点所构成的平面的面积测量以及目标位置体积；企业能够在应急时运用此功能进行辅助决策，也能够在设计施工中方便快捷的获取精确地测量数据，节省大量人力和物力；同时能够进行企业、道路、居民区的模拟规划，即能够在三维地景中添加建筑、道路、预量算平整土地面积，为设计施工提供便捷的工具和方法；

4.5多角色添加

通过研究分析消防演练过程，系统将消防参战元素抽象为多种消防角色，主要类型有：危险源、消防员、消防车、消防设备、应急资源和应急指挥，每一个类型又包含了多种具体类型角色，为用户提供了丰富的角色类型选择，支持多种类型多种情况下消防演练的仿真模拟；

4.6角色控制

针对多种类型角色，系统为特定类型角色提供了相应的消防动作，消防员动作主要有行走、奔跑、蹲下、站起和拉水带；消防车动作有行走、驾驶、臂架操作、喷头操作和喷水；以及各个角色共有的脚本动作共同组合完成整套消防演练任务仿真；

4.7预案构建与播放

系统提供多角色多动作添加功能，通过逻辑编辑器编辑各消防角色的各消防动作的逻辑关系，点击生成预案确定每一个动作单元的预案时间，支持预案的播放暂停和停止，开发时间轴界面拖动控制整个预案的播放；

4.8粒子特效

场景中能够添加火、烟、水柱的粒子特效；用户能够根据不同的场合需求选择不同的粒子特效置于场景中的任何位置；同时能够对粒子参数进行设置，以达到实际的效果需求；

4.9灾害事故模拟设置

系统支持数学模型的集成，用户能够通过设置发生时间时的天气状况、地形地貌，进行事故模拟，使参与者能直观形象的了解到当前发生的灾害、类型及灾害的严重性，加深对类似突发事件的认识，辅助决策人员制定方案，做到在遇到类似突发事件时处变不惊、沉着应对；

4.10灭火剂设置

系统提供了多种消防装备来进行消防任务实施，为消防车及消防设备灭火剂添加了喷水、喷泡沫和喷干粉灭火剂的多种类型选择，不同类型的灭火剂选择对演练任务的执行产生不同的影响；

4.11设备查询

系统提供了场景中消防设备和工艺设备的查询，主要包括设备模型查询以及属性信息查询；

4.12场景工具

系统提供了丰富的场景常用工具，主要有模型编辑工具、测量工具、图像输出工具及屏幕录制工具；

4.13场景设置

根据具体环境情况，需要对场景进行全局宏观的设置，包括天气状况、环境参数；场景设置功能提供了风力风向设置，光照设置，鹰眼设置以及场景剖切设置；

4.14触发系统

平台需具有一个完整的事件触发系统，当用户进行鼠标左键单击操作、进入到自定义的区域、距场景元素一定距离时会触发不同的事件；支持对已设置所有类型触发器进行各种编辑操作，包括添加、删除、开启、显示触发区域、颜色调节、延长减短触发时间；支持触发器预览及时间轴操作；提供一系列多种类触发脚本接口并规范入库；

4.15消防任务演练

系统提供了在三维场景中模拟仿真交互式进行消防演练过程的功能，分为单机演练和多机协同演练两部分；单机演练下用户能够进行消防演练部署以及具体消防任务实施完成，通过排兵布阵体现消防指挥思路，操作角色控制装备练习具体消防技能；多机模式下，管理员布置消防演练场景，每个操作员控制具体参战角色完成分配的消防任务，多人合作多机协同完成消防事故处理；

4.16演练部署评估

系统提供了对当前预案演练进行评估分析功能，主要通过查看当前预案演练部署信息，包括消防力量部署查询，图表信息查询，专题查询主要有水量查询，消防车部署查询，装置单元查询，对预案演练基于准确的数据支持做出科学合理的评估。