虚拟场景的毒气探测模拟训练方法、装置及模拟训练平台

技术领域

本发明涉及化学应急模拟训练技术领域，尤其涉及一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法、装置及模拟训练平台。

背景技术

化学事故，通常发生在化学工厂、城市等场景，往往事故现场有着复杂的环境，包括地形、建筑、气象、泄漏源等影响因素，使得毒气扩散的分布也比较复杂，随着时间和空间而动态变化。

基于虚拟场景的毒气探测模拟训练，是进行化学事故应急模拟训练和流程研究的重要手段，是提高化学事故应急队伍行动能力的有效途径，也为模拟训练效果评估提供定量依据。为了使得模拟训练满足近似实际的要求，需要在虚拟的场景中生成化学事故毒气浓度分布的训练环境，使得参训角色在虚拟场景中携带探测设备进行训练时，探测设备能够对场景中的毒气浓度进行感知，并以探测设备所特有的方式进行响应，如数字显示、声光报警等。

由于化工设计的有毒气体类型多，毒气探测设备也有多种，为了提高模拟训练的普遍性和有效性，需要根据毒气和探测设备的原理设计出合理的探测响应模型，使毒气的探测响应模拟逼真，以满足逼近实战训练的需要。

发明内容

本发明提供的虚拟场景的毒气探测模拟训练方法、装置及模拟训练平台，旨在解决现有技术中无法实现有效地毒气探测模拟训练的问题。

本发明提供一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，包括：

生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；

根据预设的训练任务调取存储的所述毒气扩散浓度分布数据，并将所述毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；

建立毒气设备响应模型，所述毒气设备响应模型用于获取在所述虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式；

根据探测设备在所述虚拟三维场景中的不同网格，将所述网格处的所述毒气扩散浓度分布数据发送至所述毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据，包括：

建立计算流体力学的计算机网格模型并导入流体力学模拟软件中；

给定多种典型气象条件，模拟所述多种典型气象条件下的气体流场分布，计算得到气体流场分布数据；

基于所述气体流场分布数据，结合典型化学事故案例数据，模拟化学事故下的化学毒气弥散过程，计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据；

将所述毒气的浓度分布数据和所述毒气动态变化数据作为所述毒气扩散浓度分布数据存储于数据库中，用于在虚拟三维场景模拟训练时调用。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，所述计算机网格模型由多个计算网格组成，对应地，

给定多种典型气象条件，模拟所述多种典型气象条件下的气体流场分布，计算得到气体流场分布数据，包括：

确定空气流动速度的边界条件，基于守恒型方程组在所述计算网格上进行求解，计算所述多种典型气象条件下的气体流场分布数据，其中，所述守恒型方程组为描述室内空气流动、热传递和气态物质扩散的守恒型微分控制方程组。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，所述典型化学事故基础数据包括：泄露源参数，对应地，

基于所述气体流场分布数据，结合典型化学事故案例数据，模拟化学事故下的化学毒气弥散过程，计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据，包括：

在确定的气体流场分布下设置不同的泄露源参数，模拟生成化学毒气浓度分布环境；

在所述化学毒气浓度分布环境中基于气态物质扩散方程计算得到所述毒气浓度分布数据和所述毒气动态变化数据。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，所述多种典型气象条件包括：不同风向和不同风速，对应地，

将主导风向设为8个风向，每个风向设置多级风速，以用于模拟所述虚拟三维场景下的风场分布。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，所述毒气扩散浓度分布数据包括化学物质种类编号和浓度，对应地，

以化学物质种类编号和浓度作为所述毒气设备响应模型的输入，输出得到毒气名称和危害等级，作为探测设备的响应方式。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，所述响应方式还包括：声音报警，所述声音报警根据所述危害等级确定。

本发明还提供一种虚拟场景的毒气探测模拟训练装置，包括：

模拟训练数据生成模块，用于生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；

虚拟三维场景匹配模块，用于根据预设的训练任务调取存储的所述毒气扩散浓度分布数据，并将所述毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；

毒气设备响应模型建立模块，用于建立毒气设备响应模型，所述毒气设备响应模型用于获取在所述虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式；

设备响应方式获取模块，用于根据探测设备在所述虚拟三维场景中的不同网格，将所述网格处的所述毒气扩散浓度分布数据发送至所述毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。

根据本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练装置，所述模拟训练数据生成模块，包括：

第一建立单元，用于建立计算流体力学的计算机网格模型并导入流体力学模拟软件中；

第一模拟数据生成单元，用于给定多种典型气象条件，模拟多种典型气象条件下的气体流场分布，计算得到气体流场分布数据；

第二模拟数据生成单元，用于基于所述气体流场分布数据，结合典型化学事故案例数据，模拟化学事故下的化学毒气弥散过程，计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据；

存储单元，用于将毒气的浓度分布数据和毒气动态变化数据作为毒气扩散浓度分布数据存储于数据库中，以在虚拟三维场景模拟训练时调用。

本发明还提供一种模拟训练平台，所述模拟训练平台包括上述任一种所述的毒气探测模拟训练装置。

本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法、装置及模拟训练平台，通过生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；根据预设的训练任务调取存储的毒气扩散浓度分布数据，并将毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；建立用于获取在虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式的毒气设备响应模型；根据探测设备在虚拟三维场景中的不同网格，将网格处的毒气扩散浓度分布数据发送至毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。既能够反映复杂条件下毒气分布环境和设备响应方式，又避免了现场模拟训练时大量数据计算，为化学事故应急训练提供了有效的毒气探测模拟方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法的流程示意图之一；

图2为本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法的流程示意图之二；

图3为本发明提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练装置的结构示意图。

附图标记：

21：模拟训练数据生成模块；22：虚拟三维场景匹配模块；23：毒气设备响应模型建立模块；24：设备响应方式获取模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参照图1所示，本实施例提供一种虚拟场景的毒气探测模拟训练方法，包括：

步骤S1：生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；

本实施例中，参照图2所示，步骤S1包括：

步骤S11：建立计算流体力学的计算机网格模型并导入流体力学模拟软件中；

步骤S12：给定多种典型气象条件，模拟多种典型气象条件下的气体流场分布，计算得到气体流场分布数据；

步骤S13：基于气体流场分布数据，结合典型化学事故案例数据，模拟化学事故下的化学毒气弥散过程，计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据；

步骤S14：将毒气的浓度分布数据和毒气动态变化数据作为毒气扩散浓度分布数据存储于数据库中，用于在虚拟三维场景模拟训练时调用。

具体地，本实施例以化学事故应急行动仿真为例进行方法实施的描述。应急行动仿真在一个虚拟三维场景中进行，该虚拟三维场景包括三维地形、建筑、危险源、气象因素等。模拟训练的任务为：当发生了化学物质泄漏事故，要求应急人员进入场景开展毒气探测行动，确定毒气种类、浓度高低、危害范围等。

针对虚拟三维场景的几何形体数据，建立可用于计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics,CFD)的计算机网格模型，导入流体力学模拟软件中。

近地面气流在地面、植被、建筑等复杂条件的影响下，较易形成湍流。为准确模拟化学事故中泄漏毒气的分布状态，引入湍流标准k-ε模型，综合考虑沉积因子及大气稳定度的差异，建立了基于CFD方法的计算机网格模型，用于模拟化学事故条件下的化学毒气弥散过程。该计算机网格模型中主要包括两个部分，即气体流场模拟和毒气浓度分布模拟。

本实施例中，计算机网格模型由多个计算网格组成，对应地，步骤S12包括：

确定空气流动速度的边界条件，基于守恒型方程组在计算网格上进行求解，计算多种典型气象条件下的气体流场分布数据，其中，守恒型方程组为描述室内空气流动、热传递和气态物质扩散的守恒型微分控制方程组。

具体地，在三维笛卡尔直角坐标系中，描述室内空气流动、热传递和气态物质扩散的守恒型微分控制方程组由连续方程、动量方程和能量方程组成，其参数定义和计算流体运动为本领域的公知常识，此处不在赘述：

其中，连续方程如下式(1)所示：

动量方程如下式(2)～(4)所示：

能量方程如下式(5)所示：

以上守恒型方程组在根据虚拟三维场景建立的计算机网格模型的计算网格上进行求解，以地形、建筑作为边界条件，边界条件用来描述空气与固体边界之间的关系，例如，空气遇到固体边界会绕行，因此在固体边界上的速度为0。通过计算得到多种典型气象条件下的气体流场分布数据。

本实施例中，典型化学事故基础数据包括：泄露源参数，对应地，步骤S13包括：

在确定的气体流场分布下设置不同的泄露源参数，模拟生成化学毒气浓度分布环境；

在化学毒气浓度分布环境中基于气态物质扩散方程计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据。

本实施例中，多种典型气象条件包括：不同风向和不同风速，对应地，将主导风向设为8个风向，每个风向设置多级风速，以用于模拟虚拟三维场景下的风场分布。

具体地，主导风向设为8个不同的风向，即东、西、南、北、东北、东南、西北、西南8个方向；每个风向设计多级不同风速，分别为1m/s,1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s,3.5m/s,4m/s。在上述设定下，模拟虚拟三维场景下的风场分布，并存储。

分析典型化学事故案例经常考虑泄漏源的特点、泄漏源的不同方位以及化学事故不同规模，泄漏源分为点源(泄漏口尺度小)、线源(泄漏是呈线型)、面源(液池表面蒸发)等几种情况。因此在风场分布确定的情况下，设置不同的泄漏源参数，泄漏源参数包括：物质种类、位置、源强、泄漏持续时间等，模拟生成化学毒气浓度分布环境，在化学毒气浓度分布环境中基于气态物质扩散方程计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据，并将计算得到的数据分类进行结构化储存在数据库。

气态物质扩散方程如下式(6)所示(其参数定义和计算流体运动为本领域的公知常识，此处不在赘述)：

由于在虚拟三维场景的复杂地形和建筑条件下，基于CFD方法的计算机网格模型计算需要耗费较长的时间(数小时至数十小时)，气体流场分布数据与毒气的浓度分布数据和毒气动态变化数据均需提前计算并储存，便于训练阶段的调用，并避免了现场模拟训练时还需进行大量数据计算，减少了虚拟三维场景下进行模拟训练的计算量。

步骤S2：根据预设的训练任务调取存储的毒气扩散浓度分布数据，并将毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；

具体地，在训练准备阶段，根据预设的训练任务，从数据库中调用对应的毒气扩散浓度分布数据，引入虚拟三维场景，根据虚拟三维场景的坐标进行网格化匹配，使得在虚拟三维场景中的坐标位移能够与毒气扩散浓度分布数据的空间变化相对应。

步骤S3：建立毒气设备响应模型，毒气设备响应模型用于获取在虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式；

具体地，建立毒气设备响应模型，该模型以逻辑函数描述不同探测设备对不同毒气种类的响应原理，从定量、定性、分等级、无响应等几个方面去描述，体现响应的阈值和时效，反映响应方式，如声光报警、毒气名称显示、危害等级显示等。

进一步地，该毒气设备响应模型可以设计为开放型响应模型，便于随时添加新的探测设备和毒气种类，使得该毒气设备响应模型具有丰富的可扩展性。

步骤S4：根据探测设备在虚拟三维场景中的不同网格，将网格处的毒气扩散浓度分布数据发送至毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。

在虚拟三维场景中训练，当探测设备进入虚拟三维场景的不同的位置，系统解算该位置对应的坐标网格，便将该网格处的毒气扩散浓度分布数据发送给毒气设备响应模型，计算确定探测设备对应的响应方式，并显示在探测设备界面上，从而实现了虚拟三维场景中的毒气探测模拟训练过程。

本实施例中，毒气扩散浓度分布数据包括化学物质种类编号和浓度，对应地，以化学物质种类编号和浓度作为毒气设备响应模型的输入，输出得到毒气名称和危害等级，作为探测设备的响应方式。

具体地，毒气设备响应模型的输入为：化学物质种类(编号N)，浓度C；

毒气设备响应模型的数据处理：判断化学物质种类是否能被检测到，如能被检测进一步确定危害等级，具体逻辑函数如下：

函数开始；

If N＝1,不能检测；

If N＝2,不能检测；

If N＝3,判断是氯气，进一步确定危害等级；

if C1<＝C

if C2<＝C

if C>C3,表示重度危害；

If N＝4,不能检测；

……

If N＝15,不能检测；

函数结束。

模型输出：在探测设备显示屏上显示毒气名称、危害等级等信息。

进一步地，响应方式还包括：声音报警，声音报警根据危害等级确定。

实施例二

参见图3所示，本实施例提供一种虚拟场景的毒气探测模拟训练装置，包括：

模拟训练数据生成模块21，用于生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；

虚拟三维场景匹配模块22，用于根据预设的训练任务调取存储的毒气扩散浓度分布数据，并将毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；

毒气设备响应模型建立模块23，用于建立毒气设备响应模型，毒气设备响应模型用于获取在虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式；

设备响应方式获取模块24，用于根据探测设备在虚拟三维场景中的不同网格，将网格处的毒气扩散浓度分布数据发送至毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。

本实施例中，模拟训练数据生成模块21包括：第一建立单元，用于建立计算流体力学的计算机网格模型并导入流体力学模拟软件中；第一模拟数据生成单元，用于给定多种典型气象条件，模拟多种典型气象条件下的气体流场分布，计算得到气体流场分布数据；第二模拟数据生成单元，用于基于气体流场分布数据，结合典型化学事故案例数据，模拟化学事故下的化学毒气弥散过程，计算得到毒气浓度分布数据和毒气动态变化数据；存储单元，用于将毒气的浓度分布数据和毒气动态变化数据作为毒气扩散浓度分布数据存储于数据库中，以在虚拟三维场景模拟训练时调用。

本实施例提供的一种虚拟场景的毒气探测模拟训练装置，通过生成用于虚拟三维场景模拟训练的毒气扩散浓度分布数据并储存；根据预设的训练任务调取存储的毒气扩散浓度分布数据，并将毒气扩散浓度分布数据与引入的虚拟三维场景进行网格化匹配；建立用于获取在虚拟三维场景中不同探测设备针对不同毒气种类的响应方式的毒气设备响应模型；根据探测设备在虚拟三维场景中的不同网格，将网格处的毒气扩散浓度分布数据发送至毒气设备响应模型，以得到对应探测设备的响应方式并显示。既能够反映复杂条件下毒气分布环境和设备响应方式，又避免了现场模拟训练时大量数据计算，为化学事故应急训练提供了有效的毒气探测模拟方法。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

实施例三

本实施例提供一种模拟训练平台，该模拟训练平台嵌入模拟训练软件，用于设置各种应急训练场景与环境、生成相关训练任务脚本、发送模拟训练命令、监控训练过程。主要面向用户为，对模拟训练软件能够熟练操作，进入事故现场开展毒气探测行动的应急人员。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。