基于VR 的大型煤氣化事故三維動態(tài)可視化研究

潘常春

（浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000）

0 引言

煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)和核心技術(shù)，在整個煤化工產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。但其生產(chǎn)過程危險性極大，稍不注意就有可能會導(dǎo)致嚴重的事故。2019 年，河南煤氣集團義馬氣化廠發(fā)生“7·19”重大爆炸事故，事故原因是未及時發(fā)現(xiàn)并處理空氣分離裝置冷箱泄露的問題，導(dǎo)致發(fā)生“砂爆”。此次事故導(dǎo)致15 人死亡、16 人重傷，事故暴露出企業(yè)風(fēng)險意識淡薄、廠區(qū)設(shè)計布局不合理等多項突出問題。因此，工藝氣泄漏、火災(zāi)、爆炸事故的防控是煤化工廠房安全防范工作的重要內(nèi)容。

由于煤氣化裝置空間體量巨大，事故后果嚴重，其事故過程難以進行實驗?zāi)M。而隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)進入人們眼前。VR 技術(shù)是由諸多跨領(lǐng)域多學(xué)科交叉而構(gòu)建的一種新型信息技術(shù)[2-4]，具有高沉浸感和交互性，可將人帶入一個“虛擬的世界”，將其應(yīng)用于煤氣化事故模擬有一定的優(yōu)勢。當(dāng)前，VR 技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果。周德闖[5]基于VC++.NET 平臺，調(diào)用Matlab 引擎的混合編程技術(shù)，在Vega Prime 仿真條件下研究大空間火災(zāi)煙氣層降的實時仿真工作；王俊杰等[6]通過GIS、AJAX 和VRML 等技術(shù)完成化工廠區(qū)電子地圖的繪制，并模擬真實廠區(qū)內(nèi)部實景，設(shè)計了一款化工廠安全培訓(xùn)演練系統(tǒng)；侯建明[7]、王子甲[8]等基于Unity 3D 虛擬仿真平臺分別開發(fā)了礦山救援虛擬仿真演練系統(tǒng)及地鐵火災(zāi)疏散仿真平臺；玄令岐[9]等通過Unreal Engine 4 和Visual Studio 平臺實現(xiàn)了在外部數(shù)據(jù)驅(qū)動下礦井中火災(zāi)蔓延情況的研究。

前人研究發(fā)現(xiàn)，VR 技術(shù)應(yīng)用于事故模擬主要側(cè)重于對重大事故的應(yīng)急演練、事故預(yù)防、事故發(fā)生或者是針對后果中的某一項進行分析和研究，而對事故的風(fēng)險進行量化分析的研究報道較少；此外，針對事故發(fā)生的過程研究更少，也無法對發(fā)生事故造成的災(zāi)害范圍進行研究。VeryEngine 是一種基于Unity 3D 的二次開發(fā)引擎，其特點在于可用一種可編輯文本的技術(shù)來實現(xiàn)軟件的開發(fā)。針對煤氣化事故的危險特性，筆者提出基于Pasquill-Gifford 模型、火災(zāi)后果模型與TNO 蒸氣云爆炸后果模型，對煤氣化火災(zāi)與爆炸進行后果模擬與預(yù)測，采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式，開展煤氣化廠區(qū)大型環(huán)境的三維建模，植入粒子特效系統(tǒng)，形象地呈現(xiàn)出工藝氣泄露、火災(zāi)以及爆炸事故的實時動態(tài)過程，以期對煤氣化裝置的安全布局、煤化工生產(chǎn)事故應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置措施以及事故調(diào)查等提供科學(xué)依據(jù)。

1 大型煤氣化事故數(shù)學(xué)模型

1.1 氣體擴散模型

氣體擴散模型是基于理想的情況，通過數(shù)學(xué)模型來描述復(fù)雜的氣體擴散現(xiàn)象，用定量計算的方法來估算事故狀態(tài)下工藝氣泄露擴散對周邊影響程度。Pasquill-Gifford 模型是一種中性浮力擴散模型，主要用于描述中等密度氣云的濃度分布，廣泛應(yīng)用于企業(yè)物質(zhì)泄漏后果的研究中，被認為對企業(yè)應(yīng)急預(yù)案的編制有一定的指導(dǎo)意義[10]。因此，本研究采用Pasquill-Gifford 模型來模擬煤氣化裝置泄漏擴散[11]。

中性浮力擴散模型一般分為：用于連續(xù)釋放源泄露氣體的穩(wěn)態(tài)濃度描述的煙羽模型和用于定量獨立釋放源的瞬時濃度描述的煙團模型。

（1）位于地面HT高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽模型：

式中：C為泄露氣的濃度，當(dāng)工藝氣持續(xù)泄露時，在形成穩(wěn)定的流場后，地點（x，y，z）處的泄露氣濃度(kg/m3)；Q為連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量（kg/s）；U為風(fēng)速；σy、σz為側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴散系數(shù)（m）；x，y，z為下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向、垂直風(fēng)向距離，其中，大氣穩(wěn)定度采用Pasquill 分類方法確定，擴散系數(shù)采用Pasquill-Gifford 模型擴散系數(shù)方程[12]。

（2）位于地面HT高處的瞬時點源的煙團模型，坐標系隨煙團的移動而移動，其中心位于煙團的中心x=ut處。

式中：C為工藝氣瞬時泄露時，t時間在地點（x，y，z）的工藝氣的濃度（kg/m3）；Q*為瞬時排放的物料質(zhì)量；σx,σy,σz為下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴散系數(shù)（m）。

1.2 火災(zāi)后果模型

一系列的點源沿火焰長度方向向周邊輻射形成噴射火焰，本研究中采用通用的經(jīng)驗公式計算垂直和水平方向的噴射火的火焰長度及熱輻射通量[12]。

（1）垂直方向噴射火計算

火焰高度：

式中：q（r）為距離火焰中心r處的目標所接收到的熱通量（kW/m2），τa為大氣傳輸率，η為熱輻射系數(shù)，m˙為燃料的質(zhì)量流速（kg/s）；ΔHc為燃燒熱（kJ/kg），F(xiàn)p為視角因子。

大氣傳輸率τa：

式中：L為噴射火的火焰長度；HC表示燃燒熱（J/kg），m為質(zhì)量流速（kg/s）。

熱輻射的通量：

1.3 蒸氣云爆炸后果模型（TNO）

TNO 多能法是當(dāng)前模擬預(yù)測蒸氣云爆炸的常用方法[13，14]。通過估算爆炸源內(nèi)的可燃氣體與空氣混合物體積，計算爆炸源的燃燒能：

圖1 TNO 模型的Sachs 比擬超壓

2 煤氣化事故三維動態(tài)可視化系統(tǒng)總體框架

采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式。首先以真實場景為藍本，采用3Ds Max 建模軟件對煤氣化廠區(qū)的中建筑物、煤氣化裝置設(shè)備等進行真實建模，然后導(dǎo)入Unity 中，構(gòu)建三維虛擬場景。隨后結(jié)合氣體擴散、火災(zāi)、爆炸事故的數(shù)學(xué)計算模型，利用虛擬現(xiàn)實、粒子特效、聲音特效等技術(shù)對煤氣化生產(chǎn)過程中的典型事故進行模擬，在VeryEngine 中開展系統(tǒng)的功能設(shè)計，最終實現(xiàn)實時動態(tài)展示煙霧擴散、火焰和爆炸的全過程（圖2）。

圖2 煤氣化事故三維動態(tài)可視化系統(tǒng)總體框架

3 煤氣化事故三維動態(tài)可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 三維場景的構(gòu)建

為展現(xiàn)場景的真實性，虛擬場景中的設(shè)備等物體模型均以廠家真實的煤氣化工藝裝置為藍本，利用3Ds Max 建模軟件對真實場景進行高度仿真建模。建模單位采用mm，按實際規(guī)格及尺寸進行制作，模型坐標和自身中心點重合，制作的模型既要保證模型整體相對比例正確，還需保證和實際尺寸大小一致，模型場景以軟件原點為基準，即X,Y,Z坐標軸歸零，方便各設(shè)計開發(fā)軟件之間的轉(zhuǎn)換。

采用基于物理屬性的PBR 寫實貼圖來表現(xiàn)虛擬場景的細節(jié)。其中紋理貼圖用于表現(xiàn)材質(zhì)的外貌特征；金屬光滑度貼圖則用于表現(xiàn)其對光做出反應(yīng)的物理特性；法線貼圖豐富紋理凹凸等細節(jié)；AO 則進一步表現(xiàn)物體的立體真實感。四大核心貼圖將物體的特性表現(xiàn)極致逼真。模型制作好后，將格式轉(zhuǎn)化為FBX 格式，導(dǎo)入Unity 3D 中。Unity 3D 引擎系統(tǒng)中自帶天空盒、地形、植被等場景，只需在Assets 中進行資源包導(dǎo)入，最終完成三維場景的構(gòu)建（圖3）。

圖3 虛擬煤化工廠區(qū)

3.2 三維動態(tài)模擬

由于煙霧擴散和火焰燃燒時不規(guī)則的幾何形狀及顏色會隨時間的推移而發(fā)生隨機的動態(tài)變化，難以用常規(guī)的三維建模方法或模擬技術(shù)來生成。20 世紀末，Reeves[17]提出粒子系統(tǒng)理論，該理論認為可以通過設(shè)置粒子的形狀、速度、數(shù)量等多種參數(shù)來描述物體的動態(tài)特征，是迄今為止模擬不規(guī)則物體動態(tài)變化最為成熟的理論之一。本系統(tǒng)根據(jù)粒子的產(chǎn)生、變化以及消亡來描述煙霧、火焰的不規(guī)則變化，模擬火災(zāi)及爆炸的過程中煙霧的擴散和火焰燃燒狀態(tài)。

在Unity 3D 中，粒子系統(tǒng)由粒子發(fā)射器（Particle Emitter）、粒子動畫器（Particle Animator）和粒子渲染器（Particle Renderer）3 個獨立的部分組成[18]。運用編程語言，將氣體擴散模型、火災(zāi)后果模型和蒸氣云爆炸后果模型導(dǎo)入軟件中，實現(xiàn)氣體泄漏、火災(zāi)及爆炸三維動態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型程序化。引入粒子特效系統(tǒng)，在虛擬場景中加入了粒子發(fā)射器、植入粒子驅(qū)動器以及節(jié)拍器。對各對象的屬性進行設(shè)置，并且選擇合適的粒子類型，同時對特效屬性進行設(shè)置，對氣體泄漏、火災(zāi)及爆炸進行建模繪制與實時顯示，實現(xiàn)氣體泄漏擴散、噴射火焰及爆炸的三維動態(tài)模擬過程（圖4）。同時，通過VeryEngine 下的聲音播放響應(yīng)添加爆炸、噴射火焰等現(xiàn)象伴隨的聲音音效，使場景更加真實。

圖4 煤氣化事故模擬

3.3 后果分析與模擬

結(jié)合火災(zāi)熱輻射后果模型和熱輻射傷害準則[19]，分析預(yù)測發(fā)生火災(zāi)事故時，熱輻射對一定距離的人與物體（煤氣化裝置及周邊建筑物）的影響情況。結(jié)合爆炸超壓模型和沖擊波超壓準則[20]，分析預(yù)測當(dāng)發(fā)生爆炸時產(chǎn)生的沖擊波對周圍人員以及周邊環(huán)境的破壞程度。

本研究通過精確定位、相對位置對煤氣化裝置及周邊建筑受熱輻射、沖擊波影響程度進行預(yù)測分析（圖5）。由于人在廠區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的位置具有不確定性，因此在本研究中除了采用精確定位與相對位置外，還增加一種任意坐標點預(yù)測的方法，根據(jù)不同的需要對煤氣化事故發(fā)生時現(xiàn)場人員的死傷概率進行計算。

圖5 事故后果預(yù)測分析

4 結(jié)論

（1）本研究采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的開發(fā)模式，開發(fā)出基于VR 技術(shù)的煤氣化事故三維動態(tài)可視化仿真軟件，通過引入粒子特效等技術(shù)對火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生時的煙霧、火焰進行模擬，實現(xiàn)對煤氣化事故的實時三維可視化動態(tài)仿真模擬，通過熱輻射影響模型和熱輻射傷害準則，以及超壓模型和沖擊波傷害準則，分析并統(tǒng)計熱輻射和沖擊波對周圍人員以及周邊環(huán)境的破壞情況。

（2）通過本研究，可以根據(jù)事故影響范圍對煤氣化設(shè)備的布局進行優(yōu)化，降低由于個別設(shè)備的損壞影響其他設(shè)備而產(chǎn)生事故的概率。同時為煤化工事故應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置措施以及事故調(diào)查等方面提供科學(xué)依據(jù)。研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤化工安全領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

（3）開展進一步的研究可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行大規(guī)模、多角色的煤氣化事故協(xié)同仿真演練，彌補傳統(tǒng)事故演練的不足，以提高突發(fā)重大事故的應(yīng)急能力和水平?？梢灶A(yù)測，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強技術(shù)結(jié)合或者采用全息投影技術(shù)將整個虛擬場景投放到現(xiàn)實的空間，讓多人同時參與事故演練，增強團隊作戰(zhàn)能力，使現(xiàn)代化的技術(shù)手段在化工生產(chǎn)安全領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。