摘 要： 以應急預案為藍本，以災害模型為理論依據，以3D場景為平臺建立了基于3D網絡游戲引擎的應急演練系統。采用基于細胞自動機的災害擴散模型和基于勢函數的滅火流程等技術，實現了災害場景編輯、突發事件注入、事件接報、事件分析研判、決策標繪、演練執行、數據采集及演練總結等一系列應急演練流程。
關鍵詞： 3D網絡游戲引擎；應急演練；細胞自動機；勢函數；災害模型
真實應急演練存在成本高、風險大和不能循環利用等缺點，構建虛擬應急演練成為當前應急演練的一個趨勢[1]。虛擬應急演練是基于信息技術模擬真實演練的系統，目標是實現安全生產的崗位培訓和應急指揮的決策支持。目前，虛擬應急演練系統主要基于數據庫技術和地理信息技術的決策支持，隨著虛擬現實技術的逐漸成熟，以分布式虛擬環境[2-3]為基礎的應急演練系統逐步成為市場關注的熱點[4]。
由于網絡游戲具有協同性和實時性等特點，采用網絡游戲引擎實現應急演練系統成為可能。徐守祥[5]等以火災軟件模型和數字城市為基礎，針對消防演練和火災科學研究的虛擬現實應用，提出了基于3D網絡游戲引擎的消防虛擬現實體系結構。賀日興[6]等基于游戲引擎技術實現了地鐵3維虛擬演練系統。SMITH S P[7]認為第一人稱射擊類游戲FPS（First Personal Shooter）非常適合建立演練環境，率先提出使用計算機游戲開發建立虛擬環境快速原型的思想，并以此方法于2009年建立了火災撤離訓練演示系統[8]。這些系統大都關注角色的技能培訓方面，如消防員如何訓練滅火流程。為了滿足應急演練過程中應急指揮和部門間的協同配合需要，本文在3D網絡游戲引擎和災害仿真技術基礎上，根據應急預案處置流程搭建出應急演練系統。
細胞自動機被廣泛用于火災蔓延過程[9]，黃光球[10]等提出了基于細胞自動機模型的地下礦火災發生時火災在巷道網絡系統中蔓延的可視化仿真方法，孟曉靜[11]等構建了基于細胞自動機的城市地震次生火災蔓延概率模型。這些研究都是根據災害場景特點進行建模，沒有結合災害模型進行討論。本文將細胞自動機和災害模型相結合實現火災蔓延過程。
1 系統框架及功能模塊
本應急演練系統基于Torque 3D游戲引擎設計。系統功能可分成8個子系統，其總體結構框圖如圖1所示。其中，角色子系統包含演練所涉及角色，包括客戶端控制類和AI類，客戶端控制類包括各參演單位的領導、工作人員領隊、演練編導和演練指揮領導等；而AI類角色則包括各參演單位的工作人員。粒子特效子系統管理場景所涉及粒子系統包括煙霧、毒氣、火和噴射水等。在這些子系統基礎上實現應急演練的邏輯功能。
（1）場景編輯模塊
該模塊的功能是布置演練場景，包括設置演練天氣及其變化情況、災害模型、參演單位及人數、設備配置和受災場地布局等。其中，天氣變化情況設置風力和風向變化情況，災害模型通過傳入的外界作用參數根據模型進行演化。
（2）災害產生及蔓延模塊
該模塊主要根據災害數學模型，采用細胞自動機機制模擬出災害產生及蔓延過程，參見本文第2節。
（3）事件接報模塊
本模塊功能為應急辦工作人員接報警及上報事件，該模塊角色應能根據事態發展生成事態報告，實時匯報給決策者。
（4）事件分析研判模塊
專家領導根據匯報的事態，結合現場視頻，對事態走勢進行分析，包括天氣情況、救援隊伍及救援情況、災害影響分析和場地分析等，最終得出研判報告。
（5）決策標繪模塊
應急指揮領導根據研判報告進行決策，各參演單位根據決策結果在場景中進行標繪。
（6）演練執行模塊
決策標繪完成后進入演練執行模塊，該模塊提供參演單位角色之間的對話通信功能，各參演單位根據標繪結果展開救援。涉及的技術點包括施救方案（如消防員如何滅火，如何營救被困人員，醫護人員如何現場救治傷員）以及人員疏散策略（周邊受影響的人員的疏散策略）等。
（7）數據采集模塊
系統實時采集場景數據，跟蹤災害事態變化。采集的信息包括現場被困人員情況、災害覆蓋范圍、現場救援情況和環境數據等，以供專家、領導進一步研判和決策。該模塊也為演練總結、處置預案生成等提供手段。
（8）事件注入模塊
事件注入包括人為注入事件和捕捉的環境數據注入，人為注入事件是指編導角色在演練過程中改變場景的某些設置（如演練前為晴天，在演練進行中改為雨天，風力改變等）以及指派某一突發事件等。而捕捉的環境數據注入是指通過傳感設備采集到的外界數據，經過系統預處理，轉換成場景內部環境數據，如外界溫度、濕度、風力、風向等。
（9）演練總結模塊
演練結束后進行總結，總結的內容包括根據應急預案的處置流程對參演單位進行評估考核，檢驗參演單位對突發事件的應急處理能力和協同配合能力。
目標接收的熱通量q（r）刻畫了池火所產生的熱輻射對周圍物體的影響，目標距離池火越近，其接收的熱通量將越多，受到的傷害也將越大。目標接收熱通量的計算公式為：
q（r）=q0V（1-0.058lnr）（2）
其中，r為目標到池火中心的水平距離，V為目標的視角系數。
在本演練系統中，通過將式（2）與演練設置的相關參數（如儲罐存儲液體類型、儲罐儲量、儲罐泄漏量、人員距離池火的水平距離）相結合，確定儲罐池火的熱輻射對位于不同距離之外事物的影響程度，并以直觀的形式在演練場景中進行表現，并以此作為后續災害蔓延和撲救依據。
（1）在池火的表面熱通量與場景池火的火焰粒子系統之間建立數學映射關系，通過對火焰粒子系統的參數進行調整，模擬火勢的大小與火勢的動態變化。
（2）根據目標接收的熱通量，將池火的影響范圍劃分為死亡、重傷、輕傷和安全4個范圍，并在演練場景中通過不同顏色的圓圈進行標識。系統根據火勢發展，對池火的上述影響范圍進行動態更新，幫助參與演練者及時掌握火勢的發展情況。
2.2 基于細胞自動機模擬災害蔓延及傷害模型
對于災害蔓延過程，將場景中事故涉及點分為多個相互連通的網格，每個網格根據其燃燒特性（如物品的易燃情況）排放細胞出生點，結合環境因素確定細胞自動機的動力演化方程，將這些方程轉換到3D引擎中粒子系統的參數中，生成相應的粒子系統蔓延過程。
細胞自動機一般由細胞空間、細胞的狀態空間、細胞鄰居及局部演化規則4部分組成[11]，可用一個四元組（Ld，S，V，f）表示。其中，Ld為細胞空間，d為細胞空間的維數；S為細胞的有限狀態集；V表示一個所有鄰域內細胞的組合；f表示細胞自動機的動力演化方程，該演化方程是根據細胞當前狀態及其鄰居狀態確定下一時刻該細胞狀態的演化規則。
對于池火災模型而言，考慮到易燃液體的存儲布局，災害蔓延可在二維平面模擬，因而只需考慮二維CA模型，即d=2。二維CA模型的細胞空間拓撲結構采用平面方形網格，每個網格代表一個CA模型的細胞，每個細胞定義為Cij，整個細胞空間定義為：
L2={Cij|i，j∈{0，1，2，…，N}}（3）
通常二維細胞自動機考慮兩種鄰域：一種是Von Neumann鄰域，由一個中心細胞和4個位于其東西南北方位的細胞組成；另一種是Moore鄰域，它還包括次鄰近的位于東北、西北、東南和西南方位的4個細胞。對于位置為（m，n）處的細胞，V的取值組合如表1所示。
（1）災害蔓延過程
對于災害蔓延過程的細胞自動機而言，S只有{0，1}兩種狀態，其中0表示沒有起火，1表示起火。起火后，火勢大小只與該細胞自身因素和環境因素有關，而與周邊的火勢無關。
根據式（2），災害蔓延的動力演化方程可表示為：
3 結果展示
根據上述功能，本文實現了基于3D網絡游戲引擎的應急演練系統，系統模擬的部分結果如圖4所示。其中圖4（a）、圖4（b）為災害產生及蔓延模塊。采用細胞自動機模擬災害蔓延及傷害過程，對于災害蔓延過程，i、j取值采用Von Neumann鄰域，設定儲罐起火閾值，當接收相鄰儲罐的熱通量達到閾值時，該儲罐起火。同樣，設定在場人員的輕傷、重傷和致命傷害的傷害閾值，當接收儲罐的熱通量達到對應閾值時，人員就進入相應的傷害狀態。圖4（c）為演練執行模塊，實現了基于勢函數的滅火流程。
與其他虛擬應急演練系統相比，本系統由于實現了場景編輯和突發事件功能，因而適用范圍更廣，更能體現應急演練的效果。同時，本系統以應急預案和災害模型為依據，更具有科學性。下一步將考慮與GIS相結合，實現對真實災害場景的模擬與標繪，使系統能夠進一步實用化。
參考文獻
[1] 叢北華，廖光煌，韋亞星.計算機模擬在火災科學與工程研究中的應用[J].防災減災工程學報，2003，23（2）：63-69.
[2] STYTX M. Distributed virtual environment[J]. IEEE Computer Graphics and Application， 1996， 16（3）：19-31.
[3] 潘志庚，姜曉紅，張明敏，等．分布式虛擬環境綜述[J]. 軟件學報， 2000， 11（4）：461-467.
[4] 李建微，陳崇成，唐麗玉.協同森林滅火演練系統的實現及其關鍵技術研究[J].計算機仿真，2005，22（1）：170-174.
[5] 徐守祥，梁永生，劉曉東.基于火災模型的消防虛擬現實體系結構[J].系統仿真學報，2009，21（1）：255-258.
[6] 賀日興，李家龍，董紅路，等.基于游戲引擎技術的地鐵3維虛擬演練系統的開發與實現[J].地理信息世界，2008（3）：48-53.
[7] TRENHOLME D， SMITH S P. Computer game engines for developing first-person virtual environments[J]. Virtual Reality， 2008（12）：181-187.
[8] SMITH S P， TRENHOLME D. Rapid prototyping a virtual fire drill environment using computer game technology[J]. Fire Safety Journal，2009，44（4）：559-569.
[9] HERNA’ A， NDEZ， ENCINAS， et al． Simulation of forest fire fronts using cellular automata[J]. Advances in Engineering Software， 2007（38）： 372-378.
[10] 黃光球，汪曉海，陳惠明.基于細胞自動機的地下礦火災蔓延仿真方法[J]．系統仿真學報，2007，19（1）： 201-205.
[11] 孟曉靜，楊立中，李健.基于細胞自動機的城市區域火蔓延概率模型探討[J]．中國安全科學學報，2008，18（2）：28-33.
[12] 李俊侃.海南省重大危險源研究[M].北京：煤炭工業出版社，2009.