CN112733413A - 一种化学危害信息融合演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种化学危害信息融合演示系统，包括文件管理模块、参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、扩散预测模块、仿真控制模块、数据监测模块、检测融合模块、数据同化模块、态势显示模块、源项反演模块、帮助模块12个功能模块，各功能模块通过程序编码和逻辑接口实现互联互通，最终实现化学危害信息融合的二维仿真演示和三维可视化演示。

Description

一种化学危害信息融合演示系统

技术领域

本发明涉及一种化学危害信息融合演示系统，属于化学危害信息体系技术领域，尤其是 在态势生成与时空表达领域。

背景技术

化学危害信息融合演示系统主要用于演示外部环境下化学危害的发生、云团的生成、危 害扩散过程，以及模拟下风方向化学传感器的信息输出与信息融合过程，为化学危害信息的 融合算法提供一个直观的演示平台。欧美国家于20世纪70年代就开始了相关研究，尤其是 近年来随着深度学习、虚拟现实技术的发展，演示技术与微气象场数值分析、复杂地形危害 物扩散、虚拟环境仿真等不断融合完善，美国、英国、荷兰、瑞典等多个国家都先后建立了 包含泄漏源项模型、风场模型和扩散模型的综合应急演示系统，HGSYSTEM系统、NARAC 系统和SAFER系统等得到了广泛的商业推广应用。国内劳动保护研究所、北京城市危险源 控制技术研究中心、中国辐射防护研究院等也开发设计了各自领域的危害信息融合系统。但 是在化学危害信息融合领域，目前多是开展算法研究，现有演示平台在数据的三维时空表达、 危害区域的精准预测、模拟仿真的动态调控及各构件物理属性的呈现都严重滞后。

发明内容

本发明技术解决问题：为了解决现有系统三维时空表达、危害区域预测、模拟仿真动态 调控及各构件物理属性呈现等存在的问题，提供一种化学危害信息融合演示系统，将复杂难 以理解的、现实中难以实际接触的化学气体云团扩散立体的演示出来，使抽象的计算模型与 数据信息与形象直观的三维视景有机融合，同时采用Unity3D、TCP通信协议，形成仿真演 示环境和可视化数据传输，最终实现化学危害态势的快速自动生成和三维可视化表达，未来 时空的危害扩散模拟和动态调控，满足对化学危害态势的实时性要求。

本发明技术方案是：一种化学危害信息融合演示系统，包括如下模块：文件管理模块、 参数设置模块、装备管理模块、扩散预测模块、仿真控制模块、场景管理模块、数据监测模 块、检测融合模块、数据同化模块、态势显示模块、源项反演模块、帮助模块，其中：

文件管理模块，用于存储当前仿真场景参数设置和导入上次仿真场景参数设置。经参数 设置模块、场景管理模块、装备管理模块和仿真控制模块设定后的仿真场景参数和演示动画 可通过该模块进行保存、导入和导出；

参数设置模块，用于为扩散模拟和仿真提供源项基本参数设置。所述源项基本参数包括 化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置；所述扩散条件参数包括风向、 风级、温度和湿度。所属模块数据作为输入参数传至扩散预测模块和仿真控制模块进行扩散 预测和扩散仿真，也可传至文件管理模块进行独立保存；

场景管理模块，包括地图数据的读写、渲染、交互、编辑，用户根据仿真需要对外部环 境、地理信息、下垫面进行增加和删除。所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿 真控制模块进行扩散预测和扩散仿真，也可传至文件管理模块进行独立保存；

装备管理模块，包含装备部署和装备模型管理2个子模块。其中，装备部署子模块用于 在模拟场景放置各类型侦察装置，所述各类型侦察装置包括红外遥测车，化学侦察车，报警 器；装备模型管理子模块用于对各类化学侦察装备和设备进行模型的导入、导出、构建、存 储及编辑。所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿真控制模块，在地图信息中进 行监测点的设置，完成设置的数据可作为独立数据传至文件管理模块进行保存；

扩散预测模块，是化学危害信息融合演示系统的的核心计算模块，用于对化学危害扩散 的模式选择和危害浓度计算。所述模块受仿真控制模块驱动，对参数设置模块、场景管理模 块、装备管理模块传至的数据进行扩散预测计算，生成各个时刻各个监测点的危害模拟浓度， 所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作进一步处理。

仿真控制模块，是化学危害信息融合演示系统的核心驱动模块，用于对化学危害扩散的 模式选定、时间流控制和动态调控。所述模块对经参数设置模块、场景管理模块、装备管理 模块传至的数据进行扩散模拟仿真，驱动扩散预测模块生成各个时刻各个监测点的危害模拟 浓度，并由时钟控制组件和动态调控组件进行仿真流程控制；所述模块可对态势显示模块传 至的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势图数据进行二三维动态展示；所述模块数据可 封装传至文件管理模块进行保存；源项未知时，由源项反演模块经假定源项输入所述模块进 行扩散仿真，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同化修正；

数据监测模块，用于显示各类传感器传输的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型 号等数据，对危害浓度数据进行预处理和初步拟合。所述模块生成数据可传至检测融合模块 进行信息融合处理，也可传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示；

检测融合模块，用于对监测模块处理后数据的进一步融合分析。所述模块数据来源为数 据监测模块，所述模块生成数据可传至数据同化模块进行同化修正；

数据同化模块，用于对产生化学危害浓度分布进行修正。所述模块数据来源为检测融合 模块生成的观测数据和扩散预测模块生成的模拟数据，所述模块生成数据可传输至源项反演 模块进行源项的寻优迭代；

源项反演模块，用于对真实源强与爆炸坐标进行反向推演。源项未知时，由所述模块假 定源项并传至扩散控制模块，由扩散控制模块进行模拟仿真，生成的数据经数据同化模块后 再次传至所述模块，通过寻优算法循环迭代，最终获得源项的最优解；最优解数据最终由所 述模块传至仿真控制模块进行扩散模拟和演示；

态势显示模块，用于显示化学爆炸一定时间后的危害扩散浓度分布图、等值线、等值面 和态势图。所述模块数据来源为仿真控制模块和数据监测模块，所述模块生成数据传至仿真 控制模块由输出界面进行三维可视化展示；

帮助模块，属于操作说明文档，用于协助用户进行仿真模拟演示和三维可视化演示操作。

本发明的一种化学危害信息融合演示方法，实现步骤为：

(1)源项已知条件下的扩散二维仿真演示和三维可视化演示。其实现流程如下：

(11)在输入界面完成各类参数的设置，通过调用参数设置模块，对化学危害源项(位 置、源强)、气象参数(大气稳定度、风场、湿度、扩散参数等)进行设置或导入；通过调用场景管理模块，对三维地图数据进行导入和网格化；通过调用装备管理模块，在地图中对各类侦察装备和监测设备进行定点部署；通过调用仿真控制模块，对仿真的时间流、动态调控、扩散模式(瞬时、连续、离散)进行设定，构建整个仿真控制流程。相关设置完成后， 点击“启动”按钮即可开始扩散预测和模拟仿真，并由输出界面进行扩散二维仿真演示；演 示期间，可通过调用仿真控制模块对演示进行关闭、暂停、重启，可将现有参数设置、地图 信息、装备部署和仿真控制作为案例封装，导入文件管理模块进行保存；如需帮助，可在输 入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询。

(12)二维仿真演示后，由仿真控制模块将仿真演示数据传输至态势显示模块和场景管 理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势图；态势显示 模块处理后的数据再次返回仿真控制模块，在输出界面中实现三维动态演示。如需帮助，可 在输入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询。

(2)源项未知条件下的扩散二维仿真演示和三维可视化演示，其实现流程如下：

(21)通过调用数据监测模块，对仿真过程中各侦察装备和监测设备的监测数据进行采 集和标准化处理；采集到的数据导入检测融合模块，对数据进一步融合分析，实现多源异构 监测数据的融合；融合处理后的数据作为观测数据导入数据同化模块和源项反演模块。

(22)源项反演模块根据导入观测数据生成初始假定源项，该源项作为新的输入导入仿 真控制模块和扩散预测模块进行扩散预测和模拟，扩散预测模块生成的数据作为模拟数据传 至数据同化模块；数据同化模块对导入的观测数据和模拟数据进行同化修正，修正结果导入 源项反演模块；源项反演模块根据导入的修正结果，通过寻优算法对初始假定源项进行调整， 并将调整后的源项输入仿真控制模块和扩散预测模块进行二次仿真，得到新的模拟数据；依 次迭代，得到同化最优解下的化学危害源项(位置、源强)、气象参数(大气稳定度、风场、 湿度、扩散参数)信息；这些信息作为参数设置输入，作为源项已知的扩散二维仿真演示， 实现对未来时刻的危害扩散浓度进行预测，并通过仿真控制模块由输出界面进行二维演示。

(23)二维仿真演示后，由仿真控制模块将仿真演示数据传输至态势显示模块和场景管 理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势图；态势显示 模块处理后的数据再次返回仿真控制模块，在输出界面中实现三维动态演示。如需帮助，可 在输入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询。

所述文件管理模块以演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危害浓 度分布图、等值线图、等值面图、态势图为单位，以数据文件时间为标签，按照分类分级方 式对这些数据文件进行保存、导入、导出、删减等；

所述文件管理模块的输入包括仿真演示全过程的数据文件和功能选择；数据文件中包含 演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危害浓度分布图、等值线图、等 值面图、态势图等；功能选择是用户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导 式的选择窗口；

所述文件管理模块装备主要包括这些数据文件的保存、导入、导出、删减等功能，其中 保存功能可将参数设置模块、装备管理模块、场景管理模块、仿真控制模块、态势显示模块 设定或生成的数据进行独立或集中封装，保存到指定文件夹中；导入功能可对保存或预设的 参数数据进行选择和导入；导出功能可将系统设置以指定的格式进行生成和导出；删减功能 可将已有数据文件从指定文件夹中删除。

所述参数设置模块与扩散预测模块、仿真控制模块、文件管理模块一起配合，模块间通 过网口通讯，实现化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置和保存，具体 实施过程如下：

(1)化学危害物质设置：对化学危害物质危害特征(密度、挥发度、致残浓度等)设置， 可在化学危害物质数据库选取，也可直接对危害物进行参数输入；

(2)源强设置：对化学危害源的强度进行设置，若为瞬时释放源，则源强可以选择以 mg或g为计量单位；若为连续释放源，则源强选择以mg/s或g/min为计量单位。

(3)源的位置设置：对化学危害源的位置进行设置，若在地图中标定，可以输入相应的 经纬度；若以指定坐标系为模拟对象，可以输入危害源在坐标系中的坐标。

(4)扩散条件设置：根据演示要求，输入大气稳定度、太阳辐射角、风向、风级、温度和湿度等参数值。

(5)参数设置保存：以上参数设置完毕后，可对本次设置进行保存，保存数据传输至文 件管理模块留存。

所述场景管理模块以地图类型(二维、三维)、地图地形(山地、平原、城市、盆地)、地图分辨率为单位，以数据文件时间为标签，按照场景图结构对各类地图数据进行读写、渲染、交互、编辑等，具体实施功能如下：

(1)场景读写：对地形数据、植被数据、建筑数据的导入，并能够新建、打开、保存工程项目文件；

(2)场景管理：通过场景图结构组织管理场景；通过视域裁剪、背面剔除、场景动态更 新、LOD控制实现场景的加速渲染；通过分页数据库，实现场景的动态调度，提高场景绘制速度；

(3)场景渲染：用于实现场景三维模型的渲染，包括地形渲染、树木渲染、道路渲染、 建筑物渲染、骨骼模型渲染、其他环境要素(天空、水体、雨雪雾等)渲染，建立真实感场景；

(4)场景交互：通过鼠标和键盘实现场景的各种交互式操作，通过拖拽功能实现树木种 植和建筑模型放置；通过鼠标点击拾取模型，并查询模型的坐标属性等信息；在地形编辑模 块中，通过鼠标的交互式操作，构建编辑区域；此外，还包括对场景的交互式控制，如场景 漫游、场景要素显示与隐藏、场景信息统计与查询；

(5)场景编辑：既包括场景主要要素模型的平移、旋转、缩放、修改模型属性等基本编 辑，还包括对场景地形的编辑，为地形抬升、降低、平整提供支持；

(6)道路与交通设施建模：系统能够在三维场景中利用鼠标点选交互式地设计道路的三 维路线，结合路宽等设计规则实现道路三维模型并将三维道路模型与三维地形进行无缝拼接， 最后通过纹理映射等技术实现三维道路的真实感渲染；对于其他交通设施建模(路灯、桥梁 等)可以通过外部接口导入三维交通设施模型。

所述装备管理模块以侦察装备和设备的型号、编号为单位，以数据文件时间为标签，按 照多级树目录方式对各类装备和设备的三维模型数据进行导入、导出、增加、删减、查询和 编辑等；

所述装备管理模块的输入包括侦察装备和设备的数据文件和功能选择；数据文件中包含 侦察装备和设备的型号、编号、三维模型、基本性能参数、使用操作规范等；功能选择是用 户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口；

所述装备管理模块装备主要包括装备数据的导入、导出、增加、删减、查询和编辑等功 能，其中导入功能可对标准格式的装备数据进行选择和导入；导出功能可将系统生成或编辑 后的装备数据进行保存和导出，生成标准格式的装备文件；增加功能可在系统直接增加新的 装备数据文件，通过绘制或构建装备模型，按照型号、编号、基本性能参数、使用操作规范 的顺序输入相关信息，最终存储到指定文件夹；删减功能可将已有装备数据从指定文件夹中 删除；查询功能可根据输入装备的名称或新建装备的日期进行查询；编辑功能可对现有装备 数据进行适应性修改，编辑后的文件可直接供其他模块使用，也可保存至指定文件夹。

所述扩散预测模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、仿真控制模块一起 配合，各模块通过网口通讯，实现对已知源项下的扩散模式选取、参数输入、地图设置、监 测节点配置、仿真时长设置功能；所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作 进一步处理，其计算过程如下：

(1)建立扩散空间盒：通过鼠标的交互式操作，在地面上定位危害物扩散源的位置点， 并通过界面，设定扩散源空间剖分基本信息(包括剖分底面的长、宽、高，水平和垂直方向 的空间剖分精度)，建立扩散空间盒；

(2)扩散空间剖分：将场景三维节点对象与扩散空间盒进行相交测试，计算出每个扩散 空间盒中存在的节点，组建成一个整体的连续空间场，对空间场进行三维的网格剖分；

(3)扩散边界提取：结合危害源基本信息(包括危害物的扩散性、危害物的物质成分、 危害物的挥发性等)和气象场数据信息(包括风力、风向、温度、大气湿度等)进行扩散空 间的边界提取；

(4)扩散空间数值计算：基于随机粒子游走模式构建化学危害云团的扩散模式，进而实 现扩散预测模块的设计与开发。

所述仿真控制模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、扩散预测模块一起 配合，模块间通过网口通讯，实现对参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块传入数据 的接收，对扩散预测模块的驱动及对扩散仿真时间流控制和动态调控功能；

所述仿真控制模块与态势显示模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对传至的危 害浓度分布图、等值线、等值面、态势图数据二三维动态展示功能；

所述仿真控制模块与源项反演模块、数据同化模块一起配合，两者之间通过网口通讯， 实现对假定源项输入数据的接收，接收源项数据导入扩散预测模块，实现扩散预测并生成模 拟数据，包括监测点坐标、各监测点预测浓度值，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同 化计算，计算结果导入源项反演模块进行迭代运算；

所述仿真控制模块与文件管理模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对扩散仿真 数据的保存和导入；

所述仿真控制模块用于配置化学危害信息融合演示系统的硬件资源，以满足其余各模块 的数据传输、数据处理和二三维演示要求。

所述数据监测模块与各监测节点进行数据传输，通过网络通讯，实现对各类监测节点传 输的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号等数据的接收、预处理和初步拟合；所述 数据监测模块与检测融合模块、态势显示模块一起配合，各模块通过网口通讯，将生成数据 传至检测融合模块进行信息融合处理，也可传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示；所 述数据监测模块具体包括如下功能：

(1)观测数据接收：

通过网络通讯的方式对各监测节点观测数据进行接收，并按时间、坐标、危害种类、危 害浓度、设备型号等规范格式存储；

(2)观测数据预处理：

根据检测融合模块需求，对接收的观测数据结构进行格式化；

(3)观测数据初步拟合：

对格式化的观测数据进行拟合，去除误报和失准数据；

(4)工作参数设置：

设置CAN、RS232/RS484总线的通信参数及数据监测采集时间设置；

(5)设备属性设置：

设置监测节点设备的属性；

(6)下发设置：

将上述参数设置、工作方式配置信息通过网络下发给各监测节点，进行设置。

所述检测融合模块与数据监测模块、数据同化模块一起配合，各模块通过网口通讯，实 现对数据监测模块输入数据的融合处理，所述模块生成数据传至数据同化模块进行同化计算；

所述模块采用基于贝叶斯准则的融合算法对数据监测模块输入数据进行融合处理，如下 所示：

其中，P_Fi、P_Di、P_Mi分别表示监测节点i的虚警、检测和漏警概率；u_i为单个监测节点的局部判决；k为地理网格坐标点的个数或监测节点个数；u₀为融合后的判决；η为门限。 当式的左边大于等于右边时，融合输出u₀＝1，即认为H₁成立，即危害事件成立，否则H₀成立，即不存在危害事件。

所述数据同化模块与检测融合模块、源项反演模块、态势显示模块、仿真控制模块一起 配合，各模块通过网口通讯，实现对观测数据和模拟数据的同化，所述模块生成数据可传输 至源项反演模块进行源项的寻优迭代；

所述模块采用均方根误差(root mean squared error，RMSE)以及相对均方根误差(relative root mean squared error，rRMSE)作为评价指标，其值越小，表征预测的危害浓度场与观测 浓度场之间的误差越小：

其中，k为地理网格坐标点的个数或监测节点个数；

为第i个格点或监测节点的危害 浓度模拟值；

为第i个格点或监测节点t时刻的危害浓度观测真值。

所述源项反演模块与数据同化模块、仿真控制模块一起配合，各模块通过网口通讯，实 现对真实源强与位置进行反向推演；实现流程如下：

(1)所述模块将假定源项数据传至仿真控制模块进行扩散预测，经数据同化后将RMSE、 rRMSE值传入所述模块；

(2)所述模块通过寻优算法(花朵授粉算法，FPA)对假定源项数据进行循环迭代优化， 最终获得源项的最优解，寻优流程如下：

(21)定义花朵及授粉方式：

为便于比较每次假定源项的优劣，将种群中每个花朵定义为一组假定源项，即

X＝[x₁，x₂，x₃]

其中，花朵X为一组假定源项，属于3列单行矩阵；x₁为假定源项的经度数据；x₂为假定源项的纬度数据；x₃为假定源项的源强；

(22)个体更新方式：

通过将不同个体中相同坐标的元素逐层迭代以实现更新，操作方式为：

其中，x′_ij为第i个假定源项数据更新后产生的新的源项方案；X′为第i个假定源项数据 更新后x_ij变为x′_ij产生的新的源项花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x′_ij导 致的花朵更新步长；

(23)生物授粉方式：

设花朵种群规模为N，最大迭代次数为T，k∈[1,N]，t∈[1,T]，则生物授粉方式为：

其中，

为种群为k时第t次迭代生成的花朵；

为种群为k时第t+1次迭代生成的 花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x_ig导致的花朵更新步长；γ为第i个 假定源项方案x_ij对方案x_ig吸引度的衰减系数；a_i为花朵在方案i位置的更新步长因子，a_i∈[0，1]；rand为随机数，rand∈[0，1]；L为花粉的生物移动步长因子，表示寻优的传播强度；σ为正态分布的根方差，一般取0.835；

(24)非生物授粉方式：

非生物授粉方式为：

其中，a为花粉的非生物授粉移动步长因子。

(25)为确保推进迭代产生最优方案，最新花朵赋值选择方式为：

其中，

为种群为k时第t+1次迭代生成的花朵rRMSE值；

为种群为k时第 t次迭代生成的花朵rRMSE值。

(3)最优解数据最终由所述模块传至仿真控制模块进行扩散模拟和演示。

所述态势显示模块与数据同化模块、扩散预测模块、仿真控制模块一起配合，通过网口 通讯，实现对化学危害扩散浓度分布图、等值线、等值面、态势图的可视化，演示数据由所 述模块传输至仿真控制模块，由输出界面显示，具体功能设计如下：

(1)化学危害云团可视化：基于虚拟现实、增强现实、人机交互以及三维数字可视化等 高新技术手段，使抽象的计算模型与数据信息、三维视景有机融合，构建虚拟环境下的化学 危害云团立体演示模型，实现化学危害云团的可视化；

(2)化学危害浓度分布图可视化：依据空间点的不同浓度值以不同的颜色梯度表现出来， 最终形成危害物锋面，使用户能够从任意角度和任意高度查看任意时间段危害物浓度的平面 或立体分布图；

(3)化学危害浓度等值线、等值面可视化：依据化学危害浓度分布情况，按照危害浓度 梯度在分布图中绘制等值线和等值面；

(4)化学危害态势可视化：依据扩散预测模块和数据同化模块计算结果，将不同时刻的 浓度分布图、等值线、等值面转换成可演示动画，实现态势三维图形化渲染。

所述帮助模块与仿真控制模块一起配合，通过网口通讯，实现对仿真模拟演示操作说明 文档和三维可视化演示操作说明文档的调用和查询；

所述帮助模块的输入包括化学危害信息融合演示系统所有模块的操作说明文档和功能 选择；操作说明文档包含仿真模拟演示操作说明文档和三维可视化演示操作说明文档；功能 选择是用户根据需求输入查询模块名称，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

综合以上所述，本发明的实施过程为：当源项情况已知时，在输入界面完成各类参数的 设置，通过调用参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、扩散预测模块、仿真控制模 块，构建整个仿真控制流程，实现扩散二维仿真演示，仿真演示数据由仿真控制模块传输至 态势显示模块和场景管理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值 面、态势图，并在输出界面中实现三维动态演示；当源项情况未知时，通过调用数据监测模 块、检测融合模块、数据同化模块和源项反演模块，得到同化最优解下的化学危害源项(位 置、源强)、气象参数(大气稳定度、风场、湿度、扩散参数)信息，这些信息作为参数设 置输入，作为源项已知的扩散二维仿真演示，实现对未来时刻的危害扩散浓度进行预测，并 通过仿真控制模块由输出界面进行二维演示，仿真演示数据由仿真控制模块传输至态势显示 模块和场景管理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势 图，并在输出界面中实现三维动态演示。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了虚拟现实、增强现实、人机交互以及三维数字可视化等高新技术手 段，将复杂难以理解的、现实中难以实际接触的化学气体云团扩散立体的演示出来，使抽象 的计算模型与数据信息与形象直观的三维视景有机融合，可以很好的解决业务数据可视化的 问题。

(2)本发明使用Unity3D建立仿真演示环境和数据可视化界面，使用TCP通信协议实 现仿真演示数据传输到数据可视化界面，为协同指挥训练和作战部署等场景提供有效的仿真 模拟环境和信息传输手段，预留着一定的实体扩展空间。

(3)本发明中源项反演模块采用花朵授粉算法，其不受可行域不连通的限制，在求解 过程中不需要目标函数的梯度或导数信息，相对于现有其他算法，收敛性和稳定性均较强， 同时可避免陷入局部最优的困境，能够推导出接近真实源强与爆炸坐标的最优值。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的逻辑部署结构图；

图3为本发明的文件管理模块执行流程；

图4为本发明的扩散预测数据流程图；

图5为本发明的化学危害扩散参数计算示例；

图6为本发明的化学危害扩散预测计算流程；

图7为本发明的源项反演与数据同化数据流程图；

图8为本发明的数据监测模块界面；

图9为本发明的基于稳态卡尔曼滤波的数据同化流程；

图10为本发明的追踪格网数据估算等值线的梯度方向；

图11为本发明的寻优算法基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明。

本发明特征在于包括如下模块：文件管理模块、参数设置模块、装备管理模块、扩散预 测模块、仿真控制模块、场景管理模块、数据监测模块、检测融合模块、数据同化模块、态 势显示模块、源项反演模块、帮助模块，其系统功能模块组成如图1所示。

1、文件管理模块，用于存储当前仿真场景参数设置和导入上次仿真场景参数设置。经 参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块和仿真控制模块设定后的仿真场景参数和演示 动画可通过该模块进行保存、导入和导出。

2、参数设置模块，用于为扩散模拟和仿真提供源项基本参数设置。所述源项基本参数 包括化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置；所述扩散条件参数包括风 向、风级、温度和湿度。所属模块数据作为输入参数传至扩散预测模块和仿真控制模块进行 扩散预测和扩散仿真，也可传至文件管理模块进行独立保存。

3、场景管理模块，包括地图数据的读写、渲染、交互、编辑，用户根据仿真需要对外部环境、地理信息、下垫面进行增加和删除。所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿真控制模块进行扩散预测和扩散仿真，也可传至文件管理模块进行独立保存。

4、装备管理模块，包含装备部署和装备模型管理2个子模块。其中，装备部署子模块 用于在模拟场景放置各类型侦察装置，所述各类型侦察装置包括红外遥测车，化学侦察车， 报警器；装备模型管理子模块用于对各类化学侦察装备和设备进行模型的导入、导出、构建、 存储及编辑。所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿真控制模块，在地图信息中 进行监测点的设置，完成设置的数据可作为独立数据传至文件管理模块进行保存。

5、扩散预测模块，是化学危害信息融合演示系统的的核心计算模块，用于对化学危害 扩散的模式选择和危害浓度计算。所述模块受仿真控制模块驱动，对参数设置模块、场景管 理模块、装备管理模块传至的数据进行扩散预测计算，生成各个时刻各个监测点的危害模拟 浓度，所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作进一步处理。

6、仿真控制模块，是化学危害信息融合演示系统的核心驱动模块，用于对化学危害扩 散的模式选定、时间流控制和动态调控。所述模块对经参数设置模块、场景管理模块、装备 管理模块传至的数据进行扩散模拟仿真，驱动扩散预测模块生成各个时刻各个监测点的危害 模拟浓度，并由时钟控制组件和动态调控组件进行仿真流程控制；所述模块可对态势显示模 块传至的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势图数据进行二三维动态展示；所述模块数 据可封装传至文件管理模块进行保存；源项未知时，由源项反演模块经假定源项输入所述模 块进行扩散仿真，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同化修正。

7、数据监测模块，用于显示各类传感器传输的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号等数据，对危害浓度数据进行预处理和初步拟合。所述模块生成数据可传至检测融合 模块进行信息融合处理，也可传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示。

8、检测融合模块，用于对监测模块处理后数据的进一步融合分析。所述模块数据来源 为数据监测模块，所述模块生成数据可传至数据同化模块进行同化修正。

9、数据同化模块，用于对产生化学危害浓度分布进行修正。所述模块数据来源为检测 融合模块(观测数据)和仿真控制模块(模拟数据)，所述模块生成数据可传输至源项反演 模块进行源项的寻优迭代。

10、源项反演模块，用于对真实源强与爆炸坐标进行反向推演。源项未知时，由所述模 块假定源项并传至扩散控制模块，由扩散控制模块进行模拟仿真，生成的数据经数据同化模 块后再次传至所述模块，通过寻优算法循环迭代，最终获得源项的最优解；最优解数据最终 由所述模块传至仿真控制模块进行扩散模拟和演示。

11、态势显示模块，用于显示化学爆炸一定时间后的危害扩散浓度分布图、等值线、等 值面和态势图。所述模块数据来源为仿真控制模块和数据监测模块，所述模块生成数据传至 仿真控制模块由输出界面进行三维可视化展示.

12、帮助模块，属于操作说明文档，用于协助用户进行仿真模拟演示和三维可视化演示 操作。

系统工作流程图如图2所示。

具体的，各个模块的功能和实现方式如下：

1.文件管理模块

以演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危害浓度分布图、等值线 图、等值面图、态势图为单位，以数据文件时间为标签，按照分类分级方式对这些数据文件 进行保存、导入、导出、删减等。

(1)输入输出

文件管理模块的输入包括演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危 害浓度分布图、等值线图、等值面图、态势图等数据文件和功能选择。功能选择是用户根据 需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

(2)模块单元及功能设计

1)数据保存

进入数据保存功时，可将参数设置模块、装备管理模块、场景管理模块、仿真控制模块、 态势显示模块设定或生成的数据进行独立或集中封装，保存到指定文件夹中。

2)导入数据

进入导入数据功能时，第一步要选择待导入数据所在的文件夹，第二步是进行数据导入， 选择文件夹操作后，执行导入数据操作，将文件夹中的数据文件导入到数据库中。

3)数据导出

进入导出功能功能时，可将系统设置以指定的格式进行生成和导出

4)数据删减

进入删减功能时，可将已有数据文件从指定文件夹中删除。

具体执行流程如图3所示。

2.参数设置模块

参数设置模块与扩散预测模块、仿真控制模块、文件管理模块一起配合，模块间通过网 口通讯，实现化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置和保存。

(1)输入输出

参数设置模块的输入包括化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数，输出 可作为封装文件导入扩散预测模块、仿真控制模块，也可根据需要导入文件管理模块进行存 储。

(2)模块单元及功能设计

1)化学危害数据库设计

通过查询加拿大阿尔伯塔大学的T3DB数据库，对2900种小分子和多肽类毒素的基本 性质参数进行获取和编辑。物性参数可编辑为Chemkin格式供系统读取。

2)化学危害物质设置

进入化学危害物质设置时，对化学危害物质危害特征(密度、挥发度、致残浓度等)设 置，可在化学危害物质数据库选取，也可直接对危害物的密度、挥发度、致残浓度参数进行 手动输入。

3)源强设置

进入源强设置功能时，可对化学危害源的强度进行设置，若为瞬时释放源，则源强可以 选择以mg或g为计量单位；若为连续释放源，则源强可以选择以mg/s或g/min为计量单位。

4)源的位置设置

进入源的位置设置功能时，可对化学危害源的位置进行设置，若在地图中标定，可以选 择输入相应的经纬度；若以指定坐标系为模拟对象，可以选择输入危害源在坐标系中的坐标。

5)扩散条件设置

进入扩散条件设置功能时，可根据演示要求，输入大气稳定度、太阳辐射角、风向、风 级、温度和湿度等参数值。

6)参数设置保存

以上参数设置完毕后，可对本次设置进行保存，保存数据传输至文件管理模块留存。

3.场景管理模块

场景管理模块以地图类型(二维、三维)、地图地形(山地、平原、城市、盆地)、地 图分辨率为单位，以数据文件时间为标签，按照场景图结构对各类地图数据进行读写、渲染、交互、编辑等。

(1)输入输出

场景管理模块的输入包括地形数据、植被数据、建筑数据，输出可将场景数据作为封装 文件导入扩散预测模块、仿真控制模块，也可根据需要导入文件管理模块进行存储。

(2)模块单元及功能设计

1)场景读写

对地形数据、植被数据、建筑数据的导入，并能够新建、打开、保存工程项目文件。

2)场景管理

通过场景图结构组织管理场景，通过视域裁剪、背面剔除、场景动态更新、LOD控制来加速场景渲染，同时，通过分页数据库，进行场景的动态调度，提高场景绘制速度。

3)场景渲染

用于实现场景三维模型的渲染，包括地形渲染、树木渲染、道路渲染、建筑物渲染、骨 骼模型渲染、其他环境要素(天空、水体、雨雪雾等)渲染，建立真实感场景。

4)场景交互

通过鼠标和键盘实现场景的各种交互式操作，比如，通过鼠标拖拽种植树木和放置建筑 模型；通过鼠标点击拾取模型，并查询模型的坐标属性等信息；在地形编辑模块中，通过鼠 标的交互式操作，构建编辑区域；此外，还包括对场景的交互式控制，如场景漫游、场景要 素显示与隐藏、场景信息统计与查询。

5)场景编辑

既包括场景主要要素模型的平移、旋转、缩放、修改模型属性等基本编辑，还包括对场 景地形的编辑，为地形抬升、降低、平整提供支持。

6)道路与交通设施建模

系统能够在三维场景中利用鼠标点选交互式地设计道路的三维路线，结合路宽等设计规 则实现道路三维模型并将三维道路模型与三维地形进行无缝拼接，最后通过纹理映射等技术 实现三维道路的真实感渲染；对于其他交通设施建模(路灯、桥梁等)可以通过外部接口导 入三维交通设施模型。

4.装备管理模块

装备管理模块以侦察装备和设备的型号、编号为单位，以数据文件时间为标签，按照多 级树目录方式对各类装备和设备的三维模型数据进行导入、导出、增加、删减、查询和编辑 等。

(1)输入输出

装备管理模块的输入包括侦察装备和设备的数据文件和功能选择；数据文件中包含侦察 装备和设备的型号、编号、三维模型、基本性能参数、使用操作规范等；功能选择是用户根 据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

(2)模块单元及功能设计

1)导入数据

进入数据导入功能时，可对标准格式的装备数据进行选择和导入。

2)数据导出

进入数据导出功能时，可将系统生成或编辑后的装备数据进行保存和导出，生成标准格 式的装备文件。

3)数据增加

进入增加功能时，可在系统直接增加新的装备数据文件，通过绘制或构建装备模型，按 照型号、编号、基本性能参数、使用操作规范的顺序输入相关信息，最终存储到指定文件夹。

4)数据删减

进入删减功能时，可将已有装备数据从指定文件夹中删除。

5)数据查询

进入查询功能时，可根据输入装备的名称或新建装备的日期进行查询。

6)数据编辑

进入编辑功能时，可对现有装备数据进行适应性修改，编辑后的文件可直接供其他模块 使用，也可保存至指定文件夹。

5.扩散预测模块

扩散预测模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、仿真控制模块一起配合， 各模块通过网口通讯，实现对已知源项下的扩散模式选取、参数输入、地图设置、监测节点 配置、仿真时长设置功能；所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作进一步 处理，如图4所示。

(1)输入输出

扩散预测模块的输入包括扩散基本参数的数据文件和功能选择；数据文件中包含扩散模 式、源项参数和气象参数输入、地图和监测节点配置、仿真时长等；功能选择是用户根据需 求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

(2)模块单元及功能设计

1)建立扩散空间盒

通过鼠标的交互式操作，在地面上定位危害物扩散源的位置点，并通过界面，设定扩散 源空间剖分基本信息(包括剖分底面的长、宽、高，水平和垂直方向的空间剖分精度)，建 立扩散空间盒。

2)扩散空间剖分

将场景三维节点对象与扩散空间盒进行相交测试，计算出每个扩散空间盒中存在的节点， 组建成一个整体的连续空间场，对空间场进行三维的网格剖分。

3)扩散边界提取

结合危害源基本信息(包括危害物的密度、挥发度等)和气象场数据信息(包括风力、 风向、温度、大气湿度等)进行扩散空间的边界提取。

4)扩散空间数值计算

基于随机粒子游走模式构建化学危害云团的扩散模式，实现扩散预测的数值计算。通过 OpenFOAM的计算流体力学模块，基于有限体积法求解危害扩散中的流体动力学过程，实 现对某时刻化学危害浓度分布的预测。危害扩散过程的输入参数可表示为向量γ，如图5所 示：

γ＝(α，U_H，x_s，y_s，d_s)^T

其中，α为风向角；U_H为风速；(x_s，y_s，z_s)为源的位置。

扩散预测模块预测过程如图6所示。

6.仿真控制模块

仿真控制模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、扩散预测模块一起配合， 模块间通过网口通讯，实现对参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块传入数据的接收， 对扩散预测模块的驱动及对扩散仿真时间流控制和动态调控功能，如图4所示。

仿真控制模块与态势显示模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对传至的危害浓 度分布图、等值线、等值面、态势图数据二三维动态展示功能。

仿真控制模块与源项反演模块、数据同化模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现 对假定源项输入数据的接收，接收源项数据导入扩散预测模块，实现扩散预测并生成模拟数 据，包括监测点坐标、各监测点预测浓度值，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同化计 算，计算结果导入源项反演模块进行迭代运算，如图7所示。

仿真控制模块与文件管理模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对扩散仿真数据 的保存和导入。

仿真控制模块用于配置化学危害信息融合演示系统的硬件资源，以满足其余各模块的数 据传输、数据处理和二三维演示要求。

(1)输入输出

源项已知时，仿真预测模块的输入包括源项参数和气象参数输入、地图和监测节点配置、 扩散模式、浓度态势等，输出包括仿真时长、仿真初始参数数据文件和二三维可视化演示动 画；源项未知时，仿真预测模块的输入包括假定源项数据、同化后的数据、同化后的危害浓 度态势，输出包括仿真时长、仿真初始参数数据文件、模拟数据和二三维可视化演示动画。

(2)模块单元及功能设计

1)仿真时长控制

进入仿真时长控制功能时，可对扩散仿真的时间参数进行设置。

2)数据接收

仿真控制模块可对其他各模块传至的格式化数据进行接收和封装处理。

3)数据输出

仿真控制模块可对接收的数据进行二次编辑，编辑后的数据按指定协议传输至其他模块。

4)通讯协议设计

基于TCP通信协议，搭建整个系统的数据通信组件，保障仿真演示数据实时传输到数 据可视化子系统。

5)外部数据接口的设计

设计气象数据、现场实测浓度以及地形信息等基础数据的获取和导入接口，实现数据的 实时获取，同时，处理后的数据满足系统的使用要求。

6)内部数据接口的设计

对系统内部各模块之间的数据传输进行接口设计，对各模块导入导出数据格式进行规范 化和标准化设计。

7.数据监测模块

数据监测模块与各监测节点进行数据传输，通过网络通讯，实现对各类监测节点传输的 时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号等数据的接收、预处理和初步拟合；数据监测 模块与检测融合模块、态势显示模块一起配合，各模块通过网口通讯，将生成数据传至检测 融合模块进行信息融合处理，也可传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示。

(1)输入输出

数据监测模块的输入包括各类监测节点传输的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备 型号等数据文件和功能选择。功能选择是用户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简 单的向导式的选择窗口，如图8所示。

(2)模块单元及功能设计

1)观测数据接收

通过网络通讯的方式对各监测节点观测数据进行接收，并按时间、坐标、危害种类、危 害浓度、设备型号等规范格式存储。

2)观测数据预处理

根据检测融合模块需求，对接收的观测数据结构进行格式化。

3)观测数据初步拟合

对格式化的观测数据进行拟合，去除误报和失准数据。

4)工作参数设置

进入工作参数设置功能时，可设置CAN、RS232/RS484总线的通信参数及数据监测采 集时间设置。

5)设备属性设置

进入设备属性设置功能时，可对监测节点设备的属性进行设置。

6)下发设置

将上述参数设置、工作方式配置信息通过网络下发给各监测节点，进行设置。

8.检测融合模块

检测融合模块与数据监测模块、数据同化模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对 数据监测模块输入数据的融合处理，所述模块生成数据传至数据同化模块进行同化计算。

(1)输入输出

检测融合模块的输入为数据监测得到的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号等 观测数据，输出为融合处理后的观测数据，输出结果自动传输至数据同化模块。

(2)融合算法设计

检测融合模块采用基于贝叶斯准则的融合算法对数据监测模块输入数据进行融合处理。 对于一个危害事件具有H₀和H₁两种判断，其先验概率设为P₀和P₁，对于N个信源来说， 其局部判决u_i为：

融合中心接收来自每一个信源的判决结果，得出经过融合后的判决u₀为：

以上判决规则包含了简单的逻辑运算规则，“与”规则降低虚警率的发生，“或” 规则降低漏警率的发生，有一些规则明显不适用，其结果与输入输出没有任何关系。

根据判决融合方法，构建基于贝叶斯准则的融合算法，如下所示：

其中，P_Fi、P_Di、P_Mi分别表示信源i的虚警、检测和漏警概率，

u_i为单个信源的局部判决；N为信源总 个数；u₀为N个信源融合后的判决；η为门限，当式的左边大于等于右边时，融合输出 u₀＝1，即认为H₁成立，即危害事件成立，否则H₀成立，即不存在危害事件。

9.数据同化模块

数据同化模块与检测融合模块、源项反演模块、态势显示模块、仿真控制模块一起配合， 各模块通过网口通讯，实现对观测数据和模拟数据的同化，所述模块生成数据可传输至源项 反演模块进行源项的寻优迭代。

(1)输入输出

数据同化模块的输入为融合处理后的观测数据和仿真模拟得到的模拟数据，输出为观测 数据与模拟数据的均方根误差和相对均方根误差，输出结果自动传输至源项反演模块。

(2)同化算法设计

数据同化模块采用稳态卡尔曼滤波方法(图9所示)，以均方根误差(root meansquared error，RMSE)以及相对均方根误差(relative root mean squared error，rRMSE)作为评价指标， 其值越小，表征预测的危害浓度场与观测浓度场之间的误差越小：

其中，k为地理网格坐标点的个数或监测节点个数；

为第i个格点或监测节点的危害 浓度模拟值；

为第i个格点或监测节点t时刻的危害浓度观测真值。

10.源项反演模块

源项反演模块与数据同化模块、仿真控制模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对 真实源强与位置进行反向推演，实现流程如下：

(1)如图10所示，根据危害浓度等值线(面)信息，初步估算梯度方向，利用水平和垂直剖面上估算的梯度方向，快速进行危害源位置的初始猜测，形成初始假定源项。

(2)综合场景中不同位置布设的观测节点阵列的多组观测值，以初始假定源项为初始 状态，通过寻优算法，快速确定危害源的位置。

(3)根据观测值的变异特点估算危害源的释放强度。

源项反演模块的功能设计如下：

(1)输入输出

源项反演模块的输入为观测数据与模拟数据的均方根误差和相对均方根误差，输出结果 为经过寻优算法处理得到的新的源项参数。

(2)寻优算法设计

源项反演模块通过花朵授粉算法(FPA)对假定源项数据进行循环迭代优化，最终获得 源项的最优解，寻优流程如下：

1)定义花朵及授粉方式

为便于比较每次假定源项的优劣，将种群中每个花朵定义为一组假定源项，即

X＝[x₁，x₂，x₃]

其中，花朵X为一组假定源项，属于3列单行矩阵；x₁为假定源项的经度数据；x₂为假定源项的纬度数据；x₃为假定源项的源强。

(22)个体更新方式：

通过将不同个体中相同坐标的元素逐层迭代以实现更新，操作方式为：

其中，x′_ij为第i个假定源项数据更新后产生的新的源项方案；X′为第i个假定源项数据 更新后x_ij变为x′_ij产生的新的源项花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x′_ij导 致的花朵更新步长。

(23)生物授粉方式：

设花朵种群规模为N，最大迭代次数为T，k∈[1,N]，t∈[1,T]，则生物授粉方式为：

其中，

为种群为k时第t次迭代生成的花朵；

为种群为k时第t+1次迭代生成的 花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x_ig导致的花朵更新步长；γ为第i个 假定源项方案x_ij对方案x_ig吸引度的衰减系数；a_i为花朵在方案i位置的更新步长因子，a_i∈[0，1]；rand为随机数，rand∈[0，1]；L为花粉的生物移动步长因子，表示寻优的传播强度；σ为正态分布的根方差，一般取0.835。

(24)非生物授粉方式：

非生物授粉方式为：

其中，a为花粉的非生物授粉移动步长因子。

5)为确保推进迭代产生最优方案，最新花朵赋值选择方式为：

其中，

为种群为k时第t+1次迭代生成的花朵rRMSE值；

为种群为k时第t次迭代生成的花朵rRMSE值。

6)源项反演寻优基本步骤

根据花朵定义和授粉方式，利用花朵授粉算法求解源项反演问题基本步骤为：

步骤1：设置花朵种群规模N，授粉方式转换概率P，最大迭代次数T等参数，形成初始种群。

步骤2：令t＝1，k＝1，遍历各个族群，求取每个种群中每个花朵的RMSE值，分析每个 花朵稳定性和收敛性，剔除不稳定花朵，生成新的花朵种群。

步骤3：针对新的花朵种群，求取每个花朵rRMSE，搜索出最优花朵

步骤4：进行代内计算。

步骤5：根据转换概率P转换授粉方式，更新花朵种群和个体，搜索最优花朵。

步骤6：花朵个体更新，若

则

步骤7：最优花朵更新，若

则

步骤8：k＝k+1，若k<N，则转步骤4，否则转步骤9。

步骤9：t＝t+1，若t<T，则转步骤2，否则转步骤10。

步骤10：种群遍历与迭代计算结束，输出最优花朵及源项参数值。

源项反演寻优基本步骤如图11所示。

11.态势显示模块

态势显示模块与数据同化模块、扩散预测模块、仿真控制模块一起配合，通过网口通讯， 实现对化学危害扩散浓度分布图、等值线、等值面、态势图的可视化，演示数据由所述模块 传输至仿真控制模块，由输出界面显示。

(1)输入输出

态势显示模块的输入包括扩散预测模块传输的危害浓度模拟数据、数据监测模块生成的 观测数据、场景数据、监测节点数据和气象场数据，输出为化学危害扩散浓度分布图、等值 线、等值面、态势图。功能选择是用户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向 导式的选择窗口。

(2)模块单元及功能设计

1)化学危害云团可视化

基于虚拟现实、增强现实、人机交互以及三维数字可视化等高新技术手段，使抽象的计 算模型与数据信息、三维视景有机融合，构建虚拟环境下的化学危害云团立体演示模型，实 现化学危害云团的可视化。

2)化学危害浓度分布图可视化

依据空间点的不同浓度值以不同的颜色梯度表现出来，最终形成危害物锋面，使用户能 够从任意角度和任意高度查看任意时间段危害物浓度的平面或立体分布图。

3)化学危害浓度等值线、等值面可视化

根据时间戳和危害浓度值，对三维场景中无观测数据的网格点，采用克里金插值法对相 同时间戳的观测数据进行插值，生成同一时刻的浓度值(格网数据)，追踪这些格网数据， 采用曲线(面)拟合算法生成等值线(面)，并在GIS上叠加显示。

4)化学危害态势可视化

依据扩散预测模块和数据同化模块计算结果，将不同时刻的浓度分布图、等值线、等值 面转换成可演示动画，实现态势三维图形化渲染。

12.帮助模块

帮助模块与仿真控制模块一起配合，通过网口通讯，实现对仿真模拟演示操作说明文档 和三维可视化演示操作说明文档的调用和查询。

(1)输入输出

帮助模块的输入包括化学危害信息融合演示系统所有模块的操作说明文档和功能选择； 操作说明文档包含仿真模拟演示操作说明文档和三维可视化演示操作说明文档；功能选择是 用户根据需求输入查询模块名称，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

(2)模块单元及功能设计

1)操作说明查询

根据查询条件从数据库中查找符合条件的操作说明文档，并显示在界面上。

Claims (14)

1.一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于，包括如下模块：文件管理模块、参数设置模块、装备管理模块、扩散预测模块、仿真控制模块、场景管理模块、数据监测模块、检测融合模块、数据同化模块、态势显示模块、源项反演模块、帮助模块，其中：

文件管理模块，用于存储当前仿真场景参数设置和导入上次仿真场景参数设置；经参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块和仿真控制模块设定后的仿真场景参数和演示动画通过该模块进行保存、导入和导出；

参数设置模块，用于为扩散模拟和仿真提供源项基本参数设置；所述源项基本参数包括化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置；所述扩散条件参数包括风向、风级、温度和湿度；所属模块数据作为输入参数传至扩散预测模块和仿真控制模块进行扩散预测和扩散仿真，也传至文件管理模块进行独立保存；

场景管理模块，包括地图数据的读写、渲染、交互、编辑，用户根据仿真需要对外部环境、地理信息、下垫面进行增加和删除；所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿真控制模块进行扩散预测和扩散仿真，也传至文件管理模块进行独立保存；

装备管理模块，包括装备部署和装备模型管理子模块；装备部署子模块用于在模拟场景放置各类型侦察装置，所述各类型侦察装置包括红外遥测车，化学侦察车，报警器；装备模型管理子模块用于对各类化学侦察装备和设备进行模型的导入、导出、构建、存储及编辑；所述模块数据作为输入数据传至扩散预测模块和仿真控制模块，在地图信息中进行监测点的设置，完成设置的数据作为独立数据传至文件管理模块进行保存；

扩散预测模块，是化学危害信息融合演示系统的核心计算模块，用于对化学危害扩散的模式选择和危害浓度计算；所述模块受仿真控制模块驱动，对参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块传至的数据进行扩散预测计算，生成各个时刻各个监测点的危害模拟浓度，所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作进一步处理；

仿真控制模块，是化学危害信息融合演示系统的核心驱动模块，用于对化学危害扩散的模式选定、时间流控制和动态调控；所述模块对经参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块传至的数据进行扩散模拟仿真，驱动扩散预测模块生成各个时刻各个监测点的危害模拟浓度，并由时钟控制组件和动态调控组件进行仿真流程控制；所述模块对态势显示模块传至的危害浓度分布图、等值线、等值面和态势图数据进行二三维动态展示；所述模块数据封装传至文件管理模块进行保存；源项未知时，由源项反演模块经假定源项输入所述模块进行扩散仿真，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同化修正；

数据监测模块，用于显示各类传感器传输的时间、坐标、危害种类、危害浓度和设备型号数据，对危害浓度数据进行预处理和初步拟合；所述模块生成数据传至检测融合模块进行信息融合处理，也传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示；

检测融合模块，用于对监测模块处理后数据的进一步融合分析；所述模块数据来源为数据监测模块，所述模块生成数据传至数据同化模块进行同化修正；

数据同化模块，用于对产生化学危害浓度分布进行修正，所述模块数据来源为检测融合模块生成的观测数据和扩散预测模块生成的模拟数据，所述模块生成数据传输至源项反演模块进行源项的寻优迭代；

源项反演模块，用于对真实源强与爆炸坐标进行反向推演；源项未知时，由所述模块假定源项并传至扩散控制模块，由扩散控制模块进行模拟仿真，生成的数据经数据同化模块后再次传至所述模块，通过寻优算法循环迭代，最终获得源项的最优解；最优解数据最终由所述模块传至仿真控制模块进行扩散模拟和演示；

态势显示模块，用于显示化学爆炸一定时间后的危害扩散浓度分布图、等值线、等值面和态势图；所述模块数据来源为仿真控制模块和数据监测模块，所述模块生成数据传至仿真控制模块由输出界面进行三维可视化展示；

帮助模块，属于操作说明文档，用于协助用户进行仿真模拟演示和三维可视化演示操作。

2.根据权利要求1所述的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于，实现步骤为：

(1)源项已知的扩散二维仿真演示和三维可视化演示，其实现流程如下：

(11)在输入界面完成各类参数的设置，通过调用参数设置模块，对化学危害源项、气象参数进行设置或导入，所述化学危害源项包括位置、源强，所述气象参数包括大气稳定度、风场、湿度、扩散参数；通过调用场景管理模块，对三维地图数据进行导入和网格化；通过调用装备管理模块，在地图中对各类侦察装备和监测设备进行定点部署；通过调用仿真控制模块，对仿真的时间流、动态调控、扩散模式进行设定，构建整个仿真控制流程，所述扩散模式包括瞬时、连续和离散；相关设置完成后，即开始扩散预测和模拟仿真，并由输出界面进行扩散二维仿真演示；演示期间，通过调用仿真控制模块对演示进行关闭、暂停、重启，将现有参数设置、地图信息、装备部署和仿真控制作为案例封装，导入文件管理模块进行保存；如果需要帮助，在输入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询；

(12)二维仿真演示后，由仿真控制模块将仿真演示数据传输至态势显示模块和场景管理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值面和态势图；态势显示模块处理后的数据再次返回仿真控制模块，在输出界面中实现三维动态演示，如果需要帮助，在输入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询；

(2)源项未知的扩散二维仿真演示和三维可视化演示，其实现流程如下：

(21)通过调用数据监测模块，对仿真过程中各侦察装备和监测设备的监测数据进行采集和标准化处理；采集到的数据导入检测融合模块，对数据进一步融合分析，实现多源异构监测数据的融合；融合处理后的数据作为观测数据导入数据同化模块和源项反演模块；

(22)源项反演模块根据导入观测数据生成初始假定源项，该源项作为新的输入导入仿真控制模块和扩散预测模块进行扩散预测和模拟，扩散预测模块生成的数据作为模拟数据传至数据同化模块；数据同化模块对导入的观测数据和模拟数据进行同化修正，修正结果导入源项反演模块；源项反演模块根据导入的修正结果，通过寻优算法对初始设定源项进行调整，并将调整后的源项输入仿真控制模块和扩散预测模块进行二次仿真，得到新的模拟数据；依次迭代，得到同化最优解下的化学危害源项、气象参数信息；这些信息作为参数设置输入，作为源项已知的扩散二维仿真演示，实现对未来时刻的危害扩散浓度进行预测，并通过仿真控制模块由输出界面进行二维演示；

(23)二维仿真演示后，由仿真控制模块将仿真演示数据传输至态势显示模块和场景管理模块，在三维地图中绘制各时刻的危害浓度分布图、等值线、等值面、态势图；态势显示模块处理后的数据再次返回仿真控制模块，在输出界面中实现三维动态演示；如果需要帮助，在输入界面点击帮助模块进行操作说明文档查询。

3.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述文件管理模块以演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危害浓度分布图、等值线图、等值面图、态势图为单位，以数据文件时间为标签，按照分类分级方式对这些数据文件进行保存、导入、导出和删减；

所述文件管理模块的输入包括仿真演示全过程的数据文件和功能选择；数据文件中包含演示案例、源项参数、装备预设定数据、地图预设定数据、危害浓度分布图、等值线图、等值面图、态势图；功能选择是用户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口；

所述文件管理模块装备主要包括这些数据文件的保存、导入、导出、删减功能，其中保存功能将参数设置模块、装备管理模块、场景管理模块、仿真控制模块、态势显示模块设定或生成的数据进行独立或集中封装，保存到指定文件夹中；导入功能对保存或预设的参数数据进行选择和导入；导出功能将系统设置以指定的格式进行生成和导出；删减功能将已有数据文件从指定文件夹中删除。

4.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述参数设置模块与扩散预测模块、仿真控制模块、文件管理模块一起配合，模块间通过网口通讯，实现化学危害释放的种类、源强、源的位置和扩散条件参数设置和保存，具体实施过程如下：

(1)化学危害物质设置：对化学危害物质危害特征设置，在化学危害物质数据库选取，也直接对危害物进行参数输入；所述危害特征包括密度、挥发度、致残浓度；

(2)源强设置：对化学危害源的强度进行设置，若为瞬时释放源，则源强选择以mg或g为计量单位；若为连续释放源，则源强选择以mg/s或g/min为计量单位；

(3)源的位置设置：对化学危害源的位置进行设置，若在地图中标定，输入相应的经纬度；若以指定坐标系为模拟对象，输入危害源在坐标系中的坐标；

(4)扩散条件设置：根据演示要求，输入大气稳定度、太阳辐射角、风向、风级、温度和湿度参数值。

(5)参数设置保存：以上参数设置完毕后，对本次设置进行保存，保存数据传输至文件管理模块留存。

5.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述场景管理模块以地图类型、地图地形、地图分辨率为单位，以数据文件时间为标签，按照场景图结构对各类地图数据进行读写、渲染、交互、编辑；所述地图类型包括二维、三维；所述地图地形包括山地、平原、城市、盆地；

具体实施功能如下：

(1)场景读写：对地形数据、植被数据、建筑数据的导入，并能够新建、打开、保存工程项目文件；

(2)场景管理：通过场景图结构组织管理场景；通过视域裁剪、背面剔除、场景动态更新、LOD控制实现场景的加速渲染；通过分页数据库实现场景的动态调度，提高场景绘制速度；

(3)场景渲染：用于实现场景三维模型的渲染，包括地形渲染、树木渲染、道路渲染、建筑物渲染、骨骼模型渲染、其他环境要素渲染，建立真实感场景，其他环境要素包括天空、水体、雨雪雾；

(4)场景交互：通过鼠标和键盘实现场景的各种交互式操作，通过拖拽功能实现树木种植和建筑模型放置；通过鼠标点击拾取模型，并查询模型的坐标属性信息；在地形编辑模块中，通过鼠标的交互式操作，构建编辑区域；此外，还包括对场景的交互式控制，即场景漫游、场景要素显示与隐藏、场景信息统计与查询；

(5)场景编辑：既包括场景要素模型的平移、旋转、缩放、修改模型属性基本编辑，还包括对场景地形的编辑，为地形抬升、降低、平整提供支持；

(6)道路与交通设施建模：系统能够在三维场景中利用鼠标点选交互式地设计道路的三维路线，结合路宽设计规则实现道路三维模型并将三维道路模型与三维地形进行无缝拼接，最后通过纹理映射技术实现三维道路的真实感渲染；对于其他交通设施建模，包括路灯、桥梁通过外部接口导入三维交通设施模型。

6.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述装备管理模块以侦察装备和设备的型号、编号为单位，以数据文件时间为标签，按照多级树目录方式对各类装备和设备的三维模型数据进行导入、导出、增加、删减、查询和编辑；

所述装备管理模块的输入包括侦察装备和设备的数据文件和功能选择；数据文件中包含侦察装备和设备的型号、编号、三维模型、基本性能参数、使用操作规范；功能选择是用户根据需求确定管理系统的界面，给用户提供简单的向导式的选择窗口；

所述装备管理模块装备包括：装备数据的导入、导出、增加、删减、查询和编辑功能，其中导入功能对标准格式的装备数据进行选择和导入；导出功能将系统生成或编辑后的装备数据进行保存和导出，生成标准格式的装备文件；增加功能在系统直接增加新的装备数据文件，通过绘制或构建装备模型，按照型号、编号、基本性能参数、使用操作规范的顺序输入相关信息，最终存储到指定文件夹；删减功能将已有装备数据从指定文件夹中删除；查询功能根据输入装备的名称或新建装备的日期进行查询；编辑功能对现有装备数据进行适应性修改，编辑后的文件直接供其他模块使用，也保存至指定文件夹。

7.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述扩散预测模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、仿真控制模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对已知源项下的扩散模式选取、参数输入、地图设置、监测节点配置、仿真时长设置功能；所述模块生成的数据传至仿真控制模块和态势显示模块作进一步处理，其计算过程如下：

(1)建立扩散空间盒：通过鼠标的交互式操作，在地面上定位危害物扩散源的位置点，并通过界面，设定扩散源空间剖分基本信息(包括剖分底面的长、宽、高，水平和垂直方向的空间剖分精度)，建立扩散空间盒；

(2)扩散空间剖分：将场景三维节点对象与扩散空间盒进行相交测试，计算出每个扩散空间盒中存在的节点，组建成一个整体的连续空间场，对空间场进行三维的网格剖分；

(3)扩散边界提取：结合危害源基本信息和气象场数据信息进行扩散空间的边界提取；所述源基本信息包括危害物的扩散性、危害物的物质成分、危害物的挥发性；所述气象场数据信息包括风力、风向、温度、大气湿度；

(4)扩散空间数值计算：基于随机粒子游走模式构建化学危害云团的扩散模式，进而实现扩散预测模块的设计与开发。

8.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述仿真控制模块与参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块、扩散预测模块一起配合，模块间通过网口通讯，实现对参数设置模块、场景管理模块、装备管理模块传入数据的接收，对扩散预测模块的驱动及对扩散仿真时间流控制和动态调控功能；

所述仿真控制模块与态势显示模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对传至的危害浓度分布图、等值线、等值面和态势图数据二三维动态展示功能；

所述仿真控制模块与源项反演模块、数据同化模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对假定源项输入数据的接收，接收源项数据导入扩散预测模块，实现扩散预测并生成模拟数据，包括监测点坐标、各监测点预测浓度值，生成的模拟数据传至数据同化模块进行同化计算，计算结果导入源项反演模块进行迭代运算；

所述仿真控制模块与文件管理模块一起配合，两者之间通过网口通讯，实现对扩散仿真数据的保存和导入；

所述仿真控制模块用于配置化学危害信息融合演示系统的硬件资源，以满足其余各模块的数据传输、数据处理和二三维演示要求。

9.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述数据监测模块与各监测节点进行数据传输，通过网络通讯，实现对各类监测节点传输的时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号数据的接收、预处理和初步拟合；所述数据监测模块与检测融合模块、态势显示模块一起配合，各模块通过网口通讯，将生成数据传至检测融合模块进行信息融合处理，也传至态势显示模块进行危害浓度分布图展示；所述数据监测模块具体包括如下功能：

(1)观测数据接收：

通过网络通讯的方式对各监测节点观测数据进行接收，并按时间、坐标、危害种类、危害浓度、设备型号规范格式存储；

(2)观测数据预处理：

根据检测融合模块需求，对接收的观测数据结构进行格式化；

(3)观测数据初步拟合：

对格式化的观测数据进行拟合，去除误报和失准数据；

(4)工作参数设置：

设置CAN、RS232/RS484总线的通信参数及数据监测采集时间设置；

(5)设备属性设置：

设置监测节点设备的属性；

(6)下发设置：

将上述参数设置、工作方式配置信息通过网络下发给各监测节点，进行设置。

10.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述检测融合模块与数据监测模块、数据同化模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对数据监测模块输入数据的融合处理，所述模块生成数据传至数据同化模块进行同化计算；

所述模块采用基于贝叶斯准则的融合算法对数据监测模块输入数据进行融合处理，如下所示：

其中，P_Fi、P_Di、P_Mi分别表示监测节点i的虚警、检测和漏警概率；u_i为单个监测节点的局部判决；k为地理网格坐标点的个数或监测节点个数；u₀为融合后的判决；η为门限，当式的左边大于等于右边时，融合输出u₀＝1，认为H₁成立，即危害事件成立，否则H₀成立，即不存在危害事件。

11.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述数据同化模块与检测融合模块、源项反演模块、态势显示模块、仿真控制模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对观测数据和模拟数据的同化，所述模块生成数据传输至源项反演模块进行源项的寻优迭代；

所述模块采用均方根误差(root mean squared error，RMSE)以及相对均方根误差(relative root mean squared error，rRMSE)作为评价指标，其值越小，表征预测的危害浓度场与观测浓度场之间的误差越小：

其中，k为地理网格坐标点的个数或监测节点个数；

为第i个格点或监测节点的危害浓度模拟值；

为第i个格点或监测节点t时刻的危害浓度观测真值。

12.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述源项反演模块与数据同化模块、仿真控制模块一起配合，各模块通过网口通讯，实现对真实源强与位置进行反向推演；实现流程如下：

(1)所述模块将假定源项数据传至仿真控制模块进行扩散预测，经数据同化后将RMSE、rRMSE值传入所述模块；

(2)所述模块通过寻优算法，即花朵授粉算法FPA对假定源项数据进行循环迭代优化，最终获得源项的最优解，寻优流程如下：

(21)定义花朵及授粉方式：

为便于比较每次假定源项的优劣，将种群中每个花朵定义为一组假定源项，即：

X＝[x₁，x₂，x₃]

其中，花朵X为一组假定源项，属于3列单行矩阵；x₁为假定源项的经度数据；x₂为假定源项的纬度数据；x₃为假定源项的源强；

(22)个体更新方式：

通过将不同个体中相同坐标的元素逐层迭代以实现更新，操作方式为：

其中，x′_ij为第i个假定源项数据更新后产生的新的源项方案；X′为第i个假定源项数据更新后x_ij变为x′_ij产生的新的源项花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x′_ij导致的花朵更新步长；

(23)生物授粉方式：

设花朵种群规模为N，最大迭代次数为T，k∈[1，N]，t∈[1，T]，则生物授粉方式为：

其中，

为种群为k时第t次迭代生成的花朵；

为种群为k时第t+1次迭代生成的花朵；

为第i个假定源项方案由x_ij更新为x_ig导致的花朵更新步长；γ为第i个假定源项方案x_ij对方案x_ig吸引度的衰减系数；a_i为花朵在方案i位置的更新步长因子，a_i∈[0，1]；rand为随机数，rand∈[0，1]；L为花粉的生物移动步长因子，表示寻优的传播强度；σ为正态分布的根方差；

(24)非生物授粉方式：

非生物授粉方式为：

其中，a为花粉的非生物授粉移动步长因子；

(25)为确保推进迭代产生最优方案，最新花朵赋值选择方式为：

其中，

为种群为k时第t+1次迭代生成的花朵rRMSE值；

为种群为k时第t次迭代生成的花朵rRMSE值；

(3)最优解数据最终由所述模块传至仿真控制模块进行扩散模拟和演示。

13.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述态势显示模块与数据同化模块、扩散预测模块、仿真控制模块一起配合，通过网口通讯，实现对化学危害扩散浓度分布图、等值线、等值面、态势图的可视化，演示数据由所述模块传输至仿真控制模块，由输出界面显示，具体功能设计如下：

(1)化学危害云团可视化：基于虚拟现实、增强现实、人机交互以及三维数字可视化等高新技术手段，使抽象的计算模型与数据信息、三维视景有机融合，构建虚拟环境下的化学危害云团立体演示模型，实现化学危害云团的可视化；

(2)化学危害浓度分布图可视化：依据空间点的不同浓度值以不同的颜色梯度表现出来，最终形成危害物锋面，使用户能够从任意角度和任意高度查看任意时间段危害物浓度的平面或立体分布图；

(3)化学危害浓度等值线、等值面可视化：依据化学危害浓度分布情况，按照危害浓度梯度在分布图中绘制等值线和等值面；

(4)化学危害态势可视化：依据扩散预测模块和数据同化模块计算结果，将不同时刻的浓度分布图、等值线、等值面转换成可演示动画，实现态势三维图形化渲染。

14.根据权利要求1所示的一种化学危害信息融合演示系统，其特征在于：

所述帮助模块与仿真控制模块一起配合，通过网口通讯，实现对仿真模拟演示操作说明文档和三维可视化演示操作说明文档的调用和查询；

所述帮助模块的输入包括化学危害信息融合演示系统所有模块的操作说明文档和功能选择；操作说明文档包含仿真模拟演示操作说明文档和三维可视化演示操作说明文档；功能选择是用户根据需求输入查询模块名称，给用户提供简单的向导式的选择窗口。

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