CN113903244A - 一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，包括：S1，获取目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，确定物理引擎输入；S2，利用有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，对目标建筑物从倒塌开始到废墟形成的全过程进行计算模拟并可视化再现；S3，通过余震模拟与所述目标建筑物塌废墟虚拟场景的结合，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形的模拟；S4，在建筑坍塌模拟设施中嵌入不同的典型坍塌类型；依据坍塌机理设计和制作模拟坍塌部件的执行模块，用于实现目标建筑物中各种建筑构件的随动过程；S5，根据实际发生过的灾害背景材料和调研结果形成脚本，作为应急培训课程编写的基础资料；S6，开展实战化建筑坍塌实战培训。
Description
技术领域
本发明属于应急培训技术领域，尤其涉及一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法和装置。
背景技术
地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害，因为地震造成的死亡人数，占所有自然灾害包括洪水、山火、泥石流、滑坡等总人数的54％，超过1/2，从人员的死亡来看，地震是群害之首。破坏性地震发生后能够迅速应对这种突发性事件，确保地震发生后，能够在第一时间启动应急预案，救援队伍能够在第一时间赶赴现场，救援物资也能够在第一时间到达灾区，灾区人民能够在第一时间得到妥善安置和保护。从而要求救援队伍具有极强的应急应变和组织协同能力，这种能力的训练需要在平时经常性的救援演练过程中才能熟练掌握和提高，因此必须在平时积极开展应急救援演练培训，提高应急管理人员的应急处置和科学决策能力，提高各部门的应变和协同救援能力，但是采用实际装备、人员进行训练却存在很多问题，设备需求多、人员需求广、演练成本高、物资消耗多，因而开展的频率很低，训练效果也很差。特别是训练人员对于在地震或其他灾难事件下，第一响应人需要快速对坍塌现场进行安全环境构建，以便快速展开救援，而目前的现有技术中并没有对于地震坍塌建筑培训设施进行近似真实构建的方法和能力，因此对救援者进行培训和提高应急能力的方法不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法和系统，通过软件计算与揭示目标建筑危险性与坍塌机理调研，实现典型建筑坍塌过程的三维仿真模拟，结合余震震级截取典型地震演变阶段，完成典型坍塌情形下的应急救援技能培训；完成“一键恢复”动态场景。
本发明一方面提供了一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，包括：
S1，获取目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，确定物理引擎输入；
S2，利用有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，对目标建筑物从倒塌开始到废墟形成的全过程进行计算模拟并可视化再现，构建合理、可信的目标建筑倒塌废墟虚拟场景；
S3，通过余震模拟与所述目标建筑物塌废墟虚拟场景的结合，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形的模拟；
S4，在建筑坍塌模拟设施中嵌入不同的典型坍塌类型；依据坍塌机理设计和制作模拟坍塌部件的执行模块，用于实现所述目标建筑物中各种建筑构件的随动过程；
S5，根据实际发生过的灾害背景材料和调研结果形成脚本，作为应急培训课程编写的基础资料；
S6，开展实战化建筑坍塌实战培训，培训人员在受力分析、支撑搭建、现场标记方面的技能。
优选的，执行所述S1前还包括，基于有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，选择目标建筑(或称“典型建筑”)作为分析构建对象；所述S1包括：提取目标建筑物的BIM模型或存档图纸资料，作为目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，根据设定地震级别，作为物理引擎输入，确保目标建筑物的基础数据真实可靠。
优选的，所述S2包括：
S21，在自重下实现第一次倒塌模拟，并构建所述目标建筑的第一倒塌废墟；
S22,以第一倒塌废墟为二次坍塌起点，分别考虑4级、5级、6级余震场景，每种场景选取一条典型地震动输入，建立余震情景下的建筑振动及二次倒塌过程与废墟模拟。
优选的，所述S3包括：将目标建筑物特定局部空间的余震模拟模块嵌套在所述目标建筑塌废墟虚拟场景中，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形模拟。
优选的，所述S4中所述典型坍塌类型包括：集成层叠式坍塌、有支撑斜向坍塌场景、悬边坍塌场景、斜楼、单边悬空式坍塌、前后向坍塌、V字形坍塌以及A字形坍塌。
优选的，所述S5还包括：为了克服有限元计算中大量单元消失的不足，将目标建筑坍塌过程的计算结果采用三维动画技术重现；为满足实战培训教学需要，对构建的建筑坍塌骨架结构进行二次装修，加装和悬挂对人体友好的轻质材料，配以声光电磁味的效果。
优选的，所述S6包括：将通过三维动画的方式呈现出来的整个目标建筑坍塌过程截取部分三维动画与场景设施中的坍塌教学设施相统一后开展实战化建筑坍塌实战培训；以及在规定时间内完成训练后，把设施一键恢复到余震开始时刻，经过安全测试后，准备开始下一个周期的培训；使得学员可接受“应急培训场景虚拟训练——应急培训场景实物训练——实际场景虚拟训练”递进式全方位培训。
本发明的第二方面，提供一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建装置，包括：
模拟坍塌部件执行模块，由目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统、驱动系统以及控制系统组成，所述模拟坍塌部件的执行模块接收从坍塌模拟三维可视化系统中提取的特征数据，经控制系统运算处理输出给所述驱动系统，实现所述目标建筑的各种建筑构件的随动过程；其中所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统，包括关节、铰接及整个形体的设计，为后续的实体模拟建筑提供框架；所述驱动系统的设计依据所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的传动参数和动力参数确定，校核所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的安全性；所述驱动系统包括机械传动装置的电气系统、机械传动装置的液压、气动或电动系统以及人体工程学优化驱动系统，机械传动装置的电气系统包括驱动电机等，为一些小型构件提供动力，这有利于实现局部模块的快速响应；所述人体工程学优化驱动系统用于余震实体模拟模块有救援人员参与情况下的驱动；所述控制系统，对所述机械传动装置的电气系统以及机械传动装置的液压、气动或电动系统的机械、电气、液压部分实现控制，为所述模拟坍塌部件执行模块的动态过程提供控制器。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。
本发明提供实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法、装置和电子设备，具有如下有益效果：
具有多级可控、重复开启、迅速恢复原貌等功能，实现建筑坍塌培训设施的“动态化”+“智能化”特点。
(1)典型建筑自重作用下倒塌废墟分布结果；
(2)典型建筑物废墟在三种震级余震作用下余震后的废墟分布结果。
上述模拟结果将以三维模型作为地震坍塌模拟装置的输入，通过现代科技手段搭建和装饰，逼真再现实际场景；
(3)填补现有地震坍塌场景呆板、正对性不强、真实感不强的问题，为提升地震坍塌场景救援培训效果找到一条可持续发展的新路。
附图说明
图1为本发明提供的实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法流程图。
图2为本发明提供的实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法中建筑坍塌场景构建子流程图。
图3(a)和图3(b)为本发明提供的实战化地震坍塌建筑培训设施构建优选实施例场景示意图。
图4为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的提供一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法和装置，通过软件计算与揭示目标建筑危险性与坍塌机理调研，实现典型建筑坍塌过程的三维仿真模拟，结合余震震级截取典型地震演变阶段，完成典型坍塌情形下的应急救援技能培训；完成“一键恢复”动态场景。本实施例基于有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟方法，结合目标建筑物的建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)，作为计算模拟软件输入，通过模拟计算预测地震坍塌演变过程及坍塌建筑三维模型，构建逼真地震灾难环境，再现余震中坍塌建筑物局部演变过程。
同时构建一种实战化地震坍塌建筑培训设施，其中余震模拟基于专利技术科学构建(作为计算模拟软件输出)，提供培训环境营造系统(实际装置也可以是VR场景)，执行模块包括小型机械设施与控制系统两部分，提供模块振动特征(振动频率/加速度/时长等)。实现设施系统几何特征与物理行为同步感知，建立机-电-液-气综合驱动系统，其目的在于通过多学科交叉建立一个响应快速、人机交互方便的智能化余震实体模拟系统，其关键问题在于考虑人员的情况下，通过机械、电气、液压、气动等装置为能够实现建筑坍塌实体模拟提供安全性高、响应快的驱动系统，提高驱动系统的安全性和人机交互方便性，同时提高系统的智能化程度。
其中所使用的关键技术包括：
(1)基于先进的有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟方法及软件，实现目标建筑物地震坍塌行为的科学计算模拟与过程预测。
(2)目标建筑物的背景演示和故事线的虚实结合的串接，增加培训系统的真实感，增加实战化的应急培训效果；
(3)坍塌场景智能可控与“一键恢复”技术，智能可控与“一键恢复”技术是实现建筑坍塌灾害场景的多批次高质量的实战训练的关键技术。智能可控指通过场景感知技术，分析提供救援决策方案。利用SLAM技术和机电一体化技术，结合使用机-电-液-气综合系统实现可复现技术即“一键恢复”技术。
实施例一
参见图1，2，3(a)以及3(b)，本实施例提供了一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，基于有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，结合目标建筑物的BIM模型预测地震坍塌演变过程及三维模型，构建逼真地震灾难环境，再现余震中坍塌建筑物局部演变过程，从而能够相应构建一种实战化地震坍塌建筑培训设施，包括：
S1，获取目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，确定物理引擎输入；
S2，利用有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，对目标建筑物从倒塌开始到废墟形成的全过程进行计算模拟并可视化再现，构建合理、可信的目标建筑倒塌废墟虚拟场景；
S3，通过余震模拟与所述目标建筑物塌废墟虚拟场景的结合，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形的模拟；
S4，在建筑坍塌模拟设施中嵌入不同的典型坍塌类型；依据坍塌机理设计和制作模拟坍塌部件的执行模块，用于实现所述目标建筑物中各种建筑构件的随动过程；
S5，根据实际发生过的灾害背景材料和调研结果形成脚本，作为应急培训课程编写的基础资料；
S6，开展实战化建筑坍塌实战培训，培训人员在受力分析、支撑搭建、现场标记方面的技能。
进一步地，执行所述S1前还包括，基于有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，选择目标建筑(或称“典型建筑”)作为分析构建对象；所述S1包括：提取目标建筑物的BIM模型或存档图纸资料，作为目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，根据设定地震级别，作为物理引擎输入，确保目标建筑物的基础数据真实可靠。
进一步地，所述S2包括：
S21，在自重下实现第一次倒塌模拟，并构建所述目标建筑的第一倒塌废墟；
S22,以第一倒塌废墟为二次坍塌起点，分别考虑4级、5级、6级余震场景，每种场景选取一条典型地震动输入，建立余震情景下的建筑振动及二次倒塌过程与废墟模拟。
进一步地，所述S3包括：将目标建筑物特定局部空间的余震模拟模块嵌套在所述目标建筑塌废墟虚拟场景中，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形模拟。
进一步地，所述S4中所述典型坍塌类型包括：集成层叠式坍塌、有支撑斜向坍塌场景、悬边坍塌场景、斜楼、单边悬空式坍塌、前后向坍塌、V字形坍塌以及A字形坍塌。
进一步地，所述S5还包括：为了克服有限元计算中大量单元消失的不足，将目标建筑坍塌过程的计算结果采用三维动画技术重现；为满足实战培训教学需要，对构建的建筑坍塌骨架结构进行二次装修，加装和悬挂对人体友好的轻质材料，配以声光电磁味的效果。
进一步地，所述S6包括：将通过三维动画的方式呈现出来的整个目标建筑坍塌过程截取部分三维动画与场景设施中的坍塌教学设施相统一后开展实战化建筑坍塌实战培训；以及在规定时间内完成训练后，把设施一键恢复到余震开始时刻，经过安全测试后，准备开始下一个周期的培训；使得学员可接受“应急培训场景虚拟训练——应急培训场景实物训练——实际场景虚拟训练”递进式全方位培训。
实施例二
本实施例提供一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建装置，包括：
模拟坍塌部件执行模块，由目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统、驱动系统以及控制系统组成，所述模拟坍塌部件的执行模块接收从坍塌模拟三维可视化系统中提取的特征数据，经控制系统运算处理输出给所述驱动系统，实现所述目标建筑的各种建筑构件的随动过程；其中所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统，包括关节、铰接及整个形体的设计，为后续的实体模拟建筑提供框架；所述驱动系统的设计依据所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的传动参数和动力参数确定，校核所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的安全性；所述驱动系统包括机械传动装置的电气系统、机械传动装置的液压、气动或电动系统以及人体工程学优化驱动系统，机械传动装置的电气系统包括驱动电机等，为一些小型构件提供动力，这有利于实现局部模块的快速响应；所述人体工程学优化驱动系统用于余震实体模拟模块有救援人员参与情况下的驱动；所述控制系统，对所述机械传动装置的电气系统以及机械传动装置的液压、气动或电动系统的机械、电气、液压部分实现控制，为所述模拟坍塌部件执行模块的动态过程提供控制器。
该装置可通过上述实施例一提供的实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法实现，具体的实现方法可参见实施例一中的描述，在此不再赘述。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
如图4所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
本实施例具有多级可控、重复开启、迅速恢复原貌等功能，实现建筑坍塌培训设施的“动态化”+“智能化”特点。
(1)典型建筑自重作用下倒塌废墟分布结果；
(2)典型建筑物废墟在三种震级余震作用下余震后的废墟分布结果。
上述模拟结果将以三维模型作为地震坍塌模拟装置的输入，通过现代科技手段搭建和装饰，逼真再现实际场景；
(3)填补现有地震坍塌场景呆板、正对性不强、真实感不强的问题，为提升地震坍塌场景救援培训效果找到一条可持续发展的新路。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，包括：
S1，获取目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，确定物理引擎输入；
S2，利用有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，对目标建筑物从倒塌开始到废墟形成的全过程进行计算模拟并可视化再现，构建合理、可信的目标建筑倒塌废墟虚拟场景；
S3，通过余震模拟与所述目标建筑物塌废墟虚拟场景的结合，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形的模拟；
S4，在建筑坍塌模拟设施中嵌入不同的典型坍塌类型；依据坍塌机理设计和制作模拟坍塌部件的执行模块，用于实现所述目标建筑物中各种建筑构件的随动过程；
S5，根据实际发生过的灾害背景材料和调研结果形成脚本，作为应急培训课程编写的基础资料；
S6，开展实战化建筑坍塌实战培训。
2.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于：执行所述S1前还包括，基于有限单元法与物理引擎的建筑倒塌废墟场景模拟技术，选择目标建筑(或称“典型建筑”)作为分析构建对象；所述S1包括：提取目标建筑物的BIM模型或存档图纸资料，作为目标建筑物的坍塌模拟计算的依据，根据设定地震级别，作为物理引擎输入，确保目标建筑物的基础数据真实可靠。
3.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，所述S2包括：
S21，在自重下实现第一次倒塌模拟，并构建所述目标建筑的第一倒塌废墟；
S22,以第一倒塌废墟为二次坍塌起点，分别考虑4级、5级、6级余震场景，每种场景选取一条典型地震动输入，建立余震情景下的建筑振动及二次倒塌过程与废墟模拟。
4.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，所述S3包括：将目标建筑物特定局部空间的余震模拟模块嵌套在所述目标建筑塌废墟虚拟场景中，实现培训人员在场景设施训练中遭受余震的动态情形模拟。
5.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，所述S4中所述典型坍塌类型包括：集成层叠式坍塌、有支撑斜向坍塌场景、悬边坍塌场景、斜楼、单边悬空式坍塌、前后向坍塌、V字形坍塌以及A字形坍塌。
6.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，所述S5还包括：将目标建筑坍塌过程的计算结果采用三维动画技术重现；对构建的建筑坍塌骨架结构进行二次装修，加装和悬挂对人体友好的轻质材料，配以声光电磁味的效果。
7.根据权利要求1所述的一种实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法，其特征在于，所述S6包括：将通过三维动画的方式呈现出来的整个目标建筑坍塌过程截取部分三维动画与场景设施中的坍塌教学设施相统一后开展实战化建筑坍塌实战培训；以及在规定时间内完成训练后，把设施一键恢复到余震开始时刻，经过安全测试后，准备开始下一个周期的培训；使得学员可接受“应急培训场景虚拟训练——应急培训场景实物训练——实际场景虚拟训练”递进式全方位培训。
8.一种根据权利要求1-7任一所述实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法的构建装置，其特征在于，包括：模拟坍塌部件执行模块，由目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统、驱动系统以及控制系统组成，所述模拟坍塌部件的执行模块接收从坍塌模拟三维可视化系统中提取的特征数据，经控制系统运算处理输出给所述驱动系统，实现所述目标建筑的各种建筑构件的随动过程；其中所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统，包括关节、铰接及整个形体的设计，为后续的实体模拟建筑提供框架；所述驱动系统的设计依据所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的传动参数和动力参数确定，校核所述目标坍塌建筑局部环境的机械传动系统的安全性；所述驱动系统包括机械传动装置的电气系统、机械传动装置的液压、气动或电动系统以及人体工程学优化驱动系统，机械传动装置的电气系统包括驱动电机等，为一些小型构件提供动力，这有利于实现局部模块的快速响应；所述人体工程学优化驱动系统用于余震实体模拟模块有救援人员参与情况下的驱动；所述控制系统，对所述机械传动装置的电气系统以及机械传动装置的液压、气动或电动系统的机械、电气、液压部分实现控制，为所述模拟坍塌部件执行模块的动态过程提供控制器。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-7任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1至7任一所述的方法。
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- 2021-10-26 CN CN202111245916.XA patent/CN113903244A/zh active Pending
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