王軍 王衛(wèi)宏 姜瑋

摘 ?要： 為了提高實驗室安全管理和監(jiān)控力量，提供安全穩(wěn)定的科研環(huán)境，充分利用VR技術(shù)的高度逼真模擬功能，設(shè)計實現(xiàn)了實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)。系統(tǒng)中各種傳感器采集實驗室環(huán)境信息，基于該信息VR系統(tǒng)裝置構(gòu)建實驗室安全事故模型庫，模擬實驗室安全事故數(shù)值，并實現(xiàn)事故現(xiàn)場可視化重建。在此基礎(chǔ)上，實驗室安全監(jiān)控裝置實現(xiàn)事故報警信息分析、處理后，依據(jù)報警信息切斷實驗室內(nèi)電源、啟動排風(fēng)系統(tǒng)、清空實驗室內(nèi)所有人員。同時VR系統(tǒng)裝置將模擬的安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場可視化重建結(jié)果發(fā)送到反饋控制裝置，為事故應(yīng)急處置提供可靠依據(jù)。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)處置5次實驗室火災(zāi)與爆炸事故的平均總用時為8.83 s，7.0 s，低于對比系統(tǒng)，應(yīng)急處置效率高。

關(guān)鍵詞： VR技術(shù); 實驗室安全; 事故應(yīng)急處置; 可視化重建; 監(jiān)控裝置; 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN082?34; G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0122?05

Abstract： A laboratory security accident emergency disposal system is designed and implemented by making full use of the high realistic simulation function of the VR technology， so as to improve security management and monitoring forces of the laboratory， and provide a safe and stable scientific research environment. In the system， the laboratory environmental information is collected by various sensors. The laboratory security accident model library is constructed on the basis of the information VR system device， so as to simulate the numerical values of laboratory security accidents， and realize visualized reconstruction of the accident scene. On this basis， the power supply in the laboratory is cut off， the exhaust system is started， and all personnel in the laboratory are cleared out according to the alarm information after analysis and processing of accident alarm information implemented by the laboratory security monitoring device. The VR system device sends the visualized reconstruction result of the simulated security accident emergency disposal scene to the feedback control device， so as to provide a reliable basis for emergency disposal of accidents. The experimental results show that the average total time consumptions for the system to deal with five laboratory fires and five explosion accidents are 8.83 s and 7.0 s， which are lower than those of the comparison system， and the system has a high emergency disposal efficiency.

Keywords： VR technology; laboratory security; accident emergency disposal; visualized reconstruction; monitoring device; system design

0 ?引 ?言

實驗室是為實驗提供專門場地的場所，是科學(xué)發(fā)展不可或缺的重要場所，為國家、科研機(jī)構(gòu)以及學(xué)校提供科技服務(wù)、培養(yǎng)人才、科學(xué)研究的必備場所[1]。實驗過程需要用到大量儀器設(shè)備，以及品類眾多的化學(xué)藥劑，一些化學(xué)藥劑存在易燃易爆、劇毒或高破壞性等危險。實驗室所需環(huán)境存在較高差異，有些實驗需要嚴(yán)格滿足超高溫、超低溫、高電壓、高磁力、高輻射等特殊環(huán)境要求。有些實驗還會排放對生態(tài)環(huán)境或人類有危害的廢水廢氣甚至劇毒物質(zhì)。近年來實驗室高發(fā)各種火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染以及人傷等事故，不僅給國家、科研機(jī)構(gòu)以及學(xué)校造成大量財力損失，還會對人員生命安全造成嚴(yán)重威脅[2]，因此實驗室發(fā)生安全事故時，能快速有效應(yīng)急處理事故，可降低經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計高效實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)，是目前急需解決的問題。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是集成人工智能、人機(jī)交互、CG技術(shù)、動態(tài)傳感等多項高新技術(shù)的一種綜合性技術(shù)。將VR技術(shù)用在實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)中，由計算機(jī)通過VR技術(shù)創(chuàng)造出三維空間虛擬實驗室，為使用者模擬出對于實驗室真實場景發(fā)生安全事故的聽覺、視覺以及觸覺感受[3]，用戶通過設(shè)備交互操作虛擬實驗室，提高實驗室安全事故應(yīng)急處置有效性。

1 ?設(shè)計實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)由煙霧傳感器、紅外傳感器、電化學(xué)傳感器、壓力監(jiān)控傳感器、溫濕度傳感器、電流電壓傳感器、聲光、電話報警裝置、實驗室安全監(jiān)控裝置、VR系統(tǒng)裝置、反饋控制裝置、實驗室安全監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)庫與電腦、手機(jī)等終端等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 ?應(yīng)急處置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

傳感器用于采集實驗室內(nèi)各種異常情況信息：煙霧傳感器、紅外傳感器采集實驗室火災(zāi)信息;電化學(xué)傳感器采集各種有毒有害、易燃易爆、化學(xué)物質(zhì)（如氯化氫、一氧化碳、氨氣、氯乙烯、氯氣等）泄露信息;壓力監(jiān)控傳感器采集實驗室內(nèi)各種存儲有毒有害氣體易燃易爆氣體容器壓力數(shù)據(jù);溫濕度傳感器采集實驗室各種設(shè)備異常信息[4];電流電壓傳感器采集實驗室內(nèi)各種帶電設(shè)備電流電壓信息。各類型傳感器將采集到的實驗室中不同監(jiān)控信息，反饋給VR系統(tǒng)裝置和實驗室安全監(jiān)控裝置，實現(xiàn)室內(nèi)安全事故的虛擬模擬和安全監(jiān)控。

1.2 ?VR系統(tǒng)裝置設(shè)計

VR系統(tǒng)裝置在實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)中具體過程為：基于實驗室內(nèi)各種類型傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過3ds MAX等建模工具建立實驗室基本模型，將實驗室數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入VR系統(tǒng)中，利用Vega視覺仿真工具模擬實驗室內(nèi)實際情況。VR系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ?VR系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖

實驗室安全事故數(shù)值模擬和事故現(xiàn)場可視化重建是實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)模擬需要解決的兩個關(guān)鍵問題。為了解決此問題，需要先搜集國內(nèi)實驗室安全事故為主的事故模型，將這些事故模型編程，組成事故模型安全庫。將不同傳感器采集的實驗室內(nèi)有害氣體濃度、氧氣濃度、儀器溫度、有害液體容量、引火溫度、室內(nèi)形狀等參數(shù)引入模型內(nèi)，計算出產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)等事故的沖擊波、破壞程度等數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析實驗室安全事故對周圍人員、設(shè)備以及環(huán)境造成影響[5]。利用幾何語言PlaSM描述事故發(fā)生時場景變化，將場景變化編程為安全事故腳本。安全事故腳本中描述了實驗室模型內(nèi)各部位形變與粒子（煙氣、火、水等）的運(yùn)動變化，使安全事故通過播放腳本得以重現(xiàn)，進(jìn)而實行最快速有效的處置方法[6]。

VR系統(tǒng)利用幾何描述語言PlaSM重建實驗室安全事故，將三維復(fù)雜場景動畫通過建模、仿真與分析重現(xiàn)。幾何描述語言與三維動畫場景相結(jié)合的方法可以將復(fù)雜動畫環(huán)境迅速定義與模擬，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）。通過粒子系統(tǒng)模擬實驗室發(fā)生的火災(zāi)、爆炸、化學(xué)氣體泄漏等事故，通過粒子時刻運(yùn)動、改變形狀的特征，將水、火、煙等模糊的事故狀態(tài)展示出來[7]。

安全事故應(yīng)急處置方案通過幾何編程語言PlaSM描述，使事故應(yīng)急處置現(xiàn)場可視化。VR系統(tǒng)裝置將生成的安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場發(fā)送到反饋控制裝置，為應(yīng)急處置提供良好方案。

1.3 ?實驗室安全監(jiān)控裝置設(shè)計

實驗室安全監(jiān)控裝置基于VR系統(tǒng)裝置模擬實驗室安全事故狀態(tài)，實現(xiàn)事故報警信息分析、處理、傳輸，以及事故安全監(jiān)控。該模塊由輸入接口單元、預(yù)警報警單元、中央處理單元、輸出接口單元以及控制單元組成，具體結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 ?安全監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)圖

1） 通過VR系統(tǒng)裝置將獲取的實驗室安全事故數(shù)值模擬信號發(fā)送到輸入接口單元，開關(guān)輸入通過輸入接口單元同中央處理單元直接連接;當(dāng)輸入為模擬量信號時，將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息才可以通過輸入接口單元傳送到中央處理單元。

2） 輸入接口單元將收到的安全事故數(shù)值信號發(fā)送到中央處理單元，由中央處理單元邏輯判斷與處理收到報警信號。中央處理單元接收數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定報警值時，將報警信息發(fā)送到預(yù)警報警單元與反饋控制單元，反饋控制單元負(fù)責(zé)切斷實驗室內(nèi)電源以及啟動排風(fēng)系統(tǒng)。

3） 中央處理單元將報警信息發(fā)送到預(yù)警報警單元后，預(yù)警報警單元馬上啟動聲光與電話報警系統(tǒng)，清空實驗室內(nèi)所有人員。

4） 中央處理單元邏輯判斷后的信號作為輸入信號發(fā)送到反饋控制單元，反饋控制單元進(jìn)行邏輯判斷，若判斷結(jié)果超過設(shè)定值，反饋控制信號切斷實驗室內(nèi)電源并啟動排風(fēng)系統(tǒng)。

5） 中央處理單元將報警信號與系統(tǒng)狀態(tài)最終發(fā)送到輸出接口單元內(nèi)，輸出接口單元將報警信號與系統(tǒng)狀態(tài)最終發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器內(nèi)。

2 ?系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2.1 ?VR技術(shù)特點和系統(tǒng)開發(fā)過程

VR技術(shù)具有很強(qiáng)的感知性、交互性、想象性與真實的臨場感?；赩R技術(shù)的實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)是一個智能平臺，可以真實感知聽覺、味覺、視覺與觸覺等，系統(tǒng)中用戶可以親手操控設(shè)備，感受觸摸物體，清晰看見三維立體場景，令使用者身臨其境，仿佛置身在實驗室環(huán)境內(nèi)[8]。

通過3DConvert將3ds MAX所建立的三維實驗室模型轉(zhuǎn)化成3DSTATE引擎支持的格式，3ds MAX是非常有效的模型制作軟件，雖然場景制作復(fù)雜，但真實感非一般建模軟件所能比擬。三維實驗室模型由3ds MAX建模完成后，調(diào)用3DSTATE引擎函數(shù)在VC#.NET環(huán)境下運(yùn)行系統(tǒng)。利用虛擬攝影機(jī)的角度與移動程序，設(shè)計實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)。

2.2 ?系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ?系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計系統(tǒng)軟件時，先采用3ds MAX軟件建立實驗室內(nèi)場景及實物三維模型。只有充分了解實驗室內(nèi)設(shè)備器具尺寸及各部分功能和實驗室運(yùn)動情況才能使模型更加真實。建立實驗室模型之后可利用OpenGLAPI或World ToolsKit兩種系統(tǒng)開發(fā)軟件對模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

系統(tǒng)對實施平臺性能要求很高，實施虛擬仿真模擬的計算機(jī)需要強(qiáng)大的CPU、顯卡與內(nèi)存，需要通過工作站形式實現(xiàn)實驗室環(huán)境的仿真模擬，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)所需配備VR技術(shù)專業(yè)的輸入設(shè)備與傳感器，其中動作捕捉傳感器是常用的一種傳感器。為了使系統(tǒng)更逼真，令使用者感覺更真實，需要配備立體成像、幾何曲面校正裝置[9]、弧形屏幕、無縫投影、高性能顯示頭盔以及立體眼鏡等高配置的配件。

2.3 ?系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計

為了提高實驗室安全性，設(shè)計實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖5所示的三種子系統(tǒng)：

1） 通過Director軟件平臺，采用VR軟件構(gòu)建實驗室三維信息展示子系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)信息查詢和顯示，實現(xiàn)實驗室設(shè)備檢索、場景瀏覽和空間分析等功能，將其他功能模塊的主要設(shè)備和參數(shù)通過三維動畫形式呈現(xiàn)給系統(tǒng)管理員;

2） 應(yīng)急預(yù)案演練和模擬子系統(tǒng)實現(xiàn)實驗室安全事故應(yīng)急處置的演練，提升應(yīng)急處置效果。演練人員登錄系統(tǒng)后，感受到高逼真模擬實驗室現(xiàn)場，在該現(xiàn)場中開展實驗室安全事故的應(yīng)急處置;

3） 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)包括CCTV和移動單兵兩種功能模塊，前者顯示系統(tǒng)可見范圍內(nèi)實驗室真實狀態(tài)[10]，后者將視頻和音頻信號移動到實驗室設(shè)備的任意點，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則將事故信號傳輸給反饋控制裝置進(jìn)行控制，獲取完整安全事故應(yīng)急預(yù)案。

圖5 ?系統(tǒng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 ?實驗分析

本文系統(tǒng)是基于VR的實驗室安全事故模擬與應(yīng)急處置的商品化軟件，提供各種實驗室安全事故統(tǒng)一接口，通過實驗室安全事故模型庫，自動生成實驗室安全事故腳本，經(jīng)過知識處理、運(yùn)算數(shù)據(jù)以及分析三維空間后自動生成安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場，提高了安全事故處置的時間與效率。為驗證本文系統(tǒng)對某大學(xué)化學(xué)實驗室安全事故應(yīng)急處置的有效性，對比本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)各個指標(biāo)，結(jié)果見表1。分析該表可以看出，相對其他兩種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)含有實驗室安全事故分析模型，并且具有二次開發(fā)功能，可模擬火災(zāi)、危險品泄漏、爆炸等多種安全事故，能夠用于實驗室安全事故應(yīng)急處置。

表1 ?各系統(tǒng)指標(biāo)對比

將本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)模擬實驗室發(fā)生5次火災(zāi)事故時應(yīng)急處置總用時相對比，對比結(jié)果見表2～表4。

表2 ?OTRMNET系統(tǒng)處置火災(zāi)事故用時 ? ?

? ??

表3 ?Petri系統(tǒng)處置火災(zāi)事故用時 ?

? ? ? ? ?

表4 ?本文系統(tǒng)處置火災(zāi)事故用時 ? ?

? ? ? ? ? ??

通過表2～表4三種系統(tǒng)對比結(jié)果總用時可以看出，本文系統(tǒng)在應(yīng)急處置模擬5次實驗室火災(zāi)事故時總用時最低和最高分別為8.41 s和8.88 s，平均總用時為8.83 s，比其他兩種系統(tǒng)的總用時低，并且本文系統(tǒng)進(jìn)行實驗室火災(zāi)事故發(fā)現(xiàn)、處置準(zhǔn)備、現(xiàn)場處置以及事故后處理的時間都低于其他兩種系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)進(jìn)行實驗室火災(zāi)事故處置的用時低、效率高。

將本文系統(tǒng)與OTRMNET系統(tǒng)和Petri系統(tǒng)模擬實驗室發(fā)生5次爆炸事故時應(yīng)急處置總用時相對比，對比結(jié)果見圖6～圖8。

對比分析圖6～圖8可得，本文系統(tǒng)在應(yīng)急處置模擬5次實驗室爆炸事故時平均總用時約為7 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種系統(tǒng)，并且處理爆炸事故的各項時間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他系統(tǒng)。

圖6 ?OTRMNET系統(tǒng)處置爆炸事故用時

圖7 ?Petri系統(tǒng)處置爆炸事故用時

圖8 ?本文系統(tǒng)處置爆炸事故用時

通過以上模擬實驗室火災(zāi)與爆炸事故結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)對實驗室安全事故應(yīng)急處置速度快，極大地降低了室內(nèi)事故的發(fā)生概率，確保實驗室的安全。

4 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計基于VR技術(shù)的實驗室安全事故應(yīng)急處置系統(tǒng)，主要由各種監(jiān)測傳感器、報警裝置、實驗室安全監(jiān)控裝置、VR系統(tǒng)裝置、反饋控制裝置、實驗室安全監(jiān)控中心等裝置構(gòu)成。該VR系統(tǒng)裝置設(shè)計了安全事故模型庫，用戶可自由增減與修改事故模型，擴(kuò)展性良好，依據(jù)事故庫內(nèi)各種安全事故模型應(yīng)急處置實驗室安全事故，為事故的處置爭取了寶貴時間。本文系統(tǒng)基于VR技術(shù)實現(xiàn)實驗室安全事故應(yīng)急處置主要體現(xiàn)在兩個方面：VR系統(tǒng)裝置依據(jù)各種傳感器采集的實驗室環(huán)境信息，模擬實驗室安全事故數(shù)值，基于事故數(shù)值結(jié)果，實驗室安全監(jiān)控裝置實現(xiàn)事故報警信息分析、處理后，將信息傳輸?shù)铰暪夂碗娫拡缶b置進(jìn)行報警;VR系統(tǒng)裝置通過實驗室安全事故模型庫，經(jīng)過知識處理、運(yùn)算數(shù)據(jù)以及分析三維空間后自動生成安全事故應(yīng)急處置現(xiàn)場重建結(jié)果，反饋控制裝置，依據(jù)重建結(jié)果制定事故應(yīng)急處置方案。經(jīng)多次實驗驗證，該系統(tǒng)對實驗室安全事故應(yīng)急處置速度快，可使實驗室事故得到有效控制。

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