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地震应急救援处置仿真演练平台
2017-09-08 08:35:14 来源: 作者:科学技术处 【 】 浏览:966次 评论:0
    一、基本情况
    在历次地震应急救援案例分析的基础上,参照专业应用模型(建筑物破坏状态分析模型、城市生命线易损分析模型等),模拟出地震发生后的震害影响范围与影响程度,利用虚拟现实开发工具,综合应用仿真建模与再现、场景实时渲染、物理引擎与人工智能等技术,构建一种险象环生、接近真实的虚拟地震灾害环境。受训者通过必要的设备可与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验,并可用多台计算机使多个演练人员在同一个场景内进行联合演练,从而可以增强受训者的临场感觉,提升地震应急管理人员的快速反应和处置能力。地震应急救援仿真演练系统(以下简称演练系统)主要包括演练想定编辑器、演练导调控制子系统、演练处置实施子系统、演练评估子系统。演练导调控制组在演练前,通过演练想定编辑器个性化定制三维地震灾害场景及对演练任务的想定。演练导调控制组负责对演练的过程进行管理,控制演练进程,在各阶段触发事件以及注入相应信息。演练处置实施组通过观察、分析、判断各阶段注入的信息和事件,对其进行处置或提出决策分析意见。演练评估组负责观察各小组的演练情况,依据系统判分、自身经验、系统提供的评价要点对学员的决策和处置进行检查确认,设置评语,在演练结束后进行点评。
    演练系统运用三层不同细节度模型方案支持三维场景建模。这三层细节度模型分别是:宏观灾区模型、搜索区域模型、作业现场模型。不同细节度模型对应不同的演练任务。系统内置物理引擎,建筑物按照一定的物理规则倒塌模拟,并且废墟块之间碰撞遵循动量守恒定律。可以模拟强震造成的不同建筑物和基础设施完全毁坏、严重破坏、中等破坏、轻微破坏、基本完好的不同场景及其在空间上的分布规律。演练系统所需要的灾害场景、震害模型、救援装备、演练方案与评估标准等方面都能够让用户日后自行扩展。可以根据不同的演练要求,反复快速重建多种形式的虚拟灾害场景,易用性好,维护方便。

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宏观三维城市灾害想定

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废墟空间形态模拟

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倒塌破坏过程模拟

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演练组织结构

    二、主要创新点
    (1)分细节度场景建模
    地震灾害虚拟环境现场的逼真程度是决定模拟训练效果的决定因素之一。然而,地震造成灾害性后果的地区也是人文景观最为集中的地区,它使井然有序的人文景观顿时面目全非,成为无序的混乱场面,破坏现场极其复杂,而地震破坏现场不规则实体之间的相互堆叠、覆盖、穿插与牵连,其结构极其复杂。因而,地震现场的每一部分都进行详细建模不可行的。系统运用三层不同细节度模型方案支持三维场景建模。这三层细节度模型分别是:宏观灾区模型、搜索区域模型、作业现场模型。不同细节度模型对应不同的训练任务。
    (2)大规模地震灾害场景中虚拟人运动模拟
    为了能够使参演人员更加真实地感觉到地震应急处置过程,将救援队员动态、直观地显示在三维虚拟场景中,因此运用基于运动图的运动重用技术,基于图像和几何的绘制技术,解决大规模地震灾害场景中虚拟人运动的平滑过渡,降低虚拟人物绘制的系统负载,降低虚拟人物绘制的系统负载,从而提高用户交互的实时性和人体运动合成的真实性。
    (3)建筑物实时倒塌模拟
系统内置物理引擎,建筑物按照一定的物理规则倒塌模拟,并且废墟块之间碰撞遵循动量守恒定律。可以模拟强震造成的不同建筑物和基础设施完全毁坏、严重破坏、中等破坏、轻微破坏、基本完好的不同场景及其在空间上的分布规律。
    (4)虚拟仿真演练想定系统构建
    为了能够使教官反复快速重建演练场景,针对地震演练的需求,提出地震应急演练虚拟仿真想定系统结构、功能组成、想定编辑过程,并基于OSG实现地震应急演练虚拟仿真想定编辑系统。地震应急救援仿真演练系统可以反复快速重建演练场景,提高导调控制人员对演练的城市三维场景想定和地震及次生灾害的想定。地震应急救援仿真演练系统能够以较少的费用模拟多种形式的废墟模型和灾害环境,而且可以反复快速重复建模,全方位记录演练过程,让演练人员在完全无危险的情况下掌握各种情形下的处置方式、方法。
地震应急救援仿真演练系统能够进一步提高应急管理人员的应急处置能力,节省废墟模型和灾害环境的搭建费用,降低应急处置设备的磨损率和演练综合成本,保证演练的安全性。
    (5)地震应急虚拟仿真演练系统开发
    由于地震应急救援仿真演练系统是一个复杂大系统,必须考虑其系统结构,才能保证系统的顺利研发,并得到最佳的演练效果。项目从两个不同侧面完成系统的体系结构设计:整体结构设计、结构组成设计。根据历次救援案例总结出的标准化、形式化的处置经验为蓝本,选用虚拟仿真高层体系架构,按照应急处置任务确立演练实施过程,设计地震应急救援虚拟仿真演练系统。考虑到三维虚拟仿真演练场景的重用性与可扩展性,平台选用高层体系结构HLA(High Level Architecture)作为系统的仿真技术框架,使用HLA中的核心部分RTI(Run-Time Infrastructure)作为系统的仿真运行支撑环境。按照地震救援虚拟仿真演练系统的功能特点,把平台划分为演练想定生成子系统、沉浸显示与交互子系统、三维视景渲染子系统、建模与仿真子系统、演练记录与回放子系统、虚拟演练评估子系统。
    地震应急救援处置虚拟仿真演练平台所需要的灾害场景、震害模型、救援装备、演练方案与评估标准等方面都能够让用户日后自行扩展。可以根据不同的演练要求,反复快速重建多种形式的虚拟灾害场景,易用性好,维护方便。
    三、应用效益及前景
    目前演练系统已获得国家实用技术专利1项,成果部署在国家地震紧急救援演练基地,已先后为国家地震灾害紧急救援队开展IEC测评演练、国家行政学院管理干部应急演练、地震灾害紧急救援队救援演练、地震应急管理培训班虚拟仿真演练。同时也在河北省、江苏省、云南省进行应用推广,先后模拟河北邢台、江苏溧阳、云南彝良,开展地震应急虚拟仿真演练,来自省的应急办、民政厅、地震局的应急管理人员参加了相关演练。在演练时间有限的情况下,进一步锻炼了参演人员处理紧急情况的能力,达到预期目的。虚拟仿真演练的模式得到参演领导和相关人员一致好评,认为演练具有很好的示范性和推广性。

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IEC测评演练

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地震应急演练虚拟指挥大厅

    系统突破了分布式虚拟仿真技术、人工智能技术、多维人机交互技术等多项关键技术,达到了国际先进水平,运用前景广阔,受到了国内外同行的充分肯定和高度关注。在项目应用过程中,项目组已经与相关的国家部委,省、市相关机构以及国外同行达成了一些意向性合作开发协议,有的已进入立项阶段。下一步我们将以国家地震紧急救援基地为窗口,继续跟进,加速成果的推广和应用步伐。
    四、取得的成果
    该系统由地震行业科研专项经费项目--地震应急救援处置仿真演练技术研究(200808048)支持,获得2014年度中国地震局防震减灾科技成果二等奖,2009年度中国教育技术协会仿真软件评比一等奖。
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