船舶火灾模拟训练系统研究*

任鸿翔 金一丞 尹 勇

(大连海事大学航海动态仿真与控制交通部重点实验室1) 大连 116026)

(浙江大学CAD&CG国家重点实验室2) 杭州 310058)

目前的船舶消防训练大都是在真实环境中进行,不仅花费大、污染环境,而且危险性很大.因此,很有必要研发船舶火灾模拟训练系统.近年来,一些学者已开始对船舶火灾的模拟训练进行研究.美国海军实验室1999年通过数学模型并运用信息技术与探测系统,发展了一种火灾扑救决策系统,该实验室还研究了用于训练消防员的虚拟环境[1].国内对船舶火灾模拟训练的研究还处于起步阶段[2-4],对其中的一些关键技术仍需要做进一步的深入研究.

本文在船舶操纵模拟器的基础上,利用虚拟现实技术、可视化技术和数值模拟技术对船舶火灾模拟训练系统进行了研究,分析了系统的组成及各模块的作用,对船舶火灾蔓延模型及船舶火灾仿真等关键技术做了深入探讨,并实现了船舶火灾场景的模拟,为下一步建成功能完备、真正实用的船舶火灾模拟训练系统打下了良好的基础.

1 系统的结构与软件模块

船舶火灾模拟训练系统可采用分布交互仿真(distributed interactive simulation,DIS)的设计思想,系统由1个指挥决策中心和若干训练单元组成(如图1),指挥决策中心和各训练单元的计算机均采用高性能微机,微机间通过网络联结.整个系统采用模块化结构,可根据实际情况灵活配置.

船舶火灾模拟训练系统的软件主要由指挥决策模块、火灾蔓延模块、火灾扑救模块、船舶运动模块、火灾场景模块组成(如图2),各模块的功能如下.

1.1 指挥决策模块

指挥决策模块包括训练任务设定和初始化、训练过程管理和控制、回放和分析评判等功能.训练开始前,教员根据不同的训练目的和要求明确训练环境和训练规则,生成训练计划和火灾剧情.

1)任务设定和初始化 (1)训练场景设定.设定船舶的种类、船舶航行或停泊时火灾事故的位置、燃烧物状态以及船舶周围环境等信息;(2)职责设定.火灾事故发生后各消防人员的现场位置、职责;(3)灭火器材设定.需要用到的各种火灾扑救器材.

2)训练过程管理和控制 指挥决策模块通过大屏幕投影系统观察火灾现场情况,对整个训练过程进行监控和调度,并进行数据的实时记录,为训练过程回放和分析提供充分的数据源.

图1 系统结构

图2 系统软件模块

3)回放和分析评判 读取各信息数据并进行回放,根据训练时记录下的用户操作顺序、状态等信息对其相应业务能力进行评判.

1.2 火灾蔓延模块

火灾蔓延模块是整个船舶火灾模拟训练系统的核心.该模块通过火灾蔓延模型计算火灾的发展情况、起火舱室与邻近舱室的烟气层温度随时间的变化情况以及氧气、一氧化碳、二氧化碳等气体质量浓度随时间的变化情况等,并在此基础上对全船的火灾危险性进行评估.

1.3 火灾扑救模块

1)虚拟消防艇 消防艇是海事消防部门最主要的消防设备之一,对于近海船舶火灾故事,消防艇可及时到达现场并采用相应措施(如使用消防水枪)进行扑救.在船舶火灾模拟训练系统中可模拟消防艇的灭火过程.

2)虚拟消防水喷淋系统 自动消防水喷淋系统是船舶普遍使用的一种灭火设施,在船舶火灾模拟训练系统中可设置虚拟水喷淋头和火焰探测器,自动检测起火点的位置并进行监测,当火焰高度达到一定阈值时就会启动水喷淋系统进行灭火.

3)虚拟灭火器 灭火器是船舶上常用的另外一种灭火设施.在系统中可设置虚拟灭火器,并可通过数据手套来控制灭火器.用户使用手套拾取灭火器后,将之移动到距火源的有效距离内,启动开关进行灭火.虚拟灭火器的位置、开关动作、持续时间等信息作为参数输入到火灾蔓延模型中,计算并模拟灭火过程.

1.4 船舶运动模块

该模块主要是指船舶的三维运动模型,可模拟不同种类、不同吨位的实船模型.船舶种类包括杂货船、散货船、集装箱船、油船、客船、滚装船等.船舶操纵数据模型包括影响船舶运动的各种效应,主要有 :主机、舵 、侧推器、缆、锚等的控制;风、流等环境对船舶的作用;浅水效应、岸壁效应及船间效应等.

1.5 火灾场景模块

火灾场景模块是在火灾蔓延模型的计算基础上再现火灾的三维场景,为使系统用户有“身临其境”的感觉,需从控制机制、真实感以及实时性三个方面对火焰燃烧进行仿真.

2 关键技术

2.1 船舶火灾蔓延模型

2.1.1 火灾蔓延模型 火灾蔓延模型用来描述火灾发生、发展的过程,是火灾基础理论研究的重要内容.现有的火灾蔓延模型归纳起来主要有场模型[5]、区域模型[6]和网模型等,其中区域模型已逐渐成熟,场模型是当前研究的热点,场区、区网等混合模型将会得到越来越广泛的应用.

场模型是通过计算状态参数(如温度、速度、各组分质量浓度等)的空间分布随时间的变化来描述火灾发展过程的数学方程集合,可以给出火灾发展过程的细节,但计算量较大.场模型可分为直接数值模拟、雷诺平均模拟和大涡模拟3种,其中大涡模拟可以反映流体瞬时的特性,并可通过较粗的计算网格划分来减少数值模拟的巨额计算量.区域模型将研究的受限空间划分为不同的控制体(一般情况下,受限空间被分为上下2个控制体:上层烟气层和下层空气层),同时假定各个控制体内部的物理参数均匀分布,而后利用质量、能量守恒原理和理想气体定律导出一组常微分控制方程,能给出较合理的结果.网模型是一种更为简化的区域模型.

2.1.2 船舶火灾蔓延模型 该模型既要满足计算机实时计算的能力,又要有较好的精度.

场模型、区域模型和网模型各有各的优点和适用领域.船舶的舱室较多,结构复杂,对于船舶的每个舱室都应用场模型模拟火灾过程,需要巨大的计算量,远远超出了现有计算机的能力,即使是区域模型,其计算量也是难以承受的.此外,区域模型成立的基础是船舶舱室的烟气分层现象,而通过对船舶的实验研究表明:通常烟气层在着火舱室并无明显的分层现象,只有在附近相邻的非着火舱室,烟气层才有明显的分层现象.因此,本文提出发展场区网复合模型模拟船舶火灾的蔓延(如图3).对船舶着火舱室采用场模型中的大涡模拟技术进行研究,以获得着火舱室火灾发展过程的详细参数及其变化规律.着火邻近舱室是区域模型适用的场合,采用区域模型对其进行研究,构造出区域的状态参量和高度变化.将远离着火位置的舱室视为网络节点,选用网模型,计算节点状态参量随时间的变化.

图3 场区网复合模型

发展场区网复合模型,要重点研究大涡模拟技术,在保证模拟精度的同时提高模拟速度.考虑火灾场的流动属低马赫数弱可压浮力流,可采用适合描述该类流动的修正的N-S方程组,在离散滤波后的方程组时,时间项的离散采用显式的二阶精度Runge-Kutta格式,空间项的离散采用二阶精度的中心差分格式.对于大涡模拟的燃烧模型,采用层流扩散火焰理论和快速反应假定.对于大涡模拟的辐射模型,近似地将火焰和烟气作为灰体处理,忽略颗粒的散射作用,主要考虑辐射光谱连续的固体颗粒.

发展场区网复合模型的另一重要研究内容是场、区、网模型间的边界耦合问题.对于着火舱室场模型的边界条件,可以将其边界位置放置在着火邻近舱室,由区域模型的物理参量来确定.对于区域模型的求解,主要考虑区与场、区与区、区与网边界处的流动和各区域内部的卷吸作用.由于从原理上讲,网模型与区域模型没有区别,只是网模型的各物理量需用一个均匀参数来表示,因此对于远离着火位置舱室的网模型,通过采用区域模型且设置上下层各物理量的值相等来实现,这样区、网模型间的边界问题也变得容易解决.

2.2 船舶火灾仿真

2.2.1 火焰仿真的方法 火灾发生的同时会伴随着火焰的燃烧,火焰具有实时的多变性和不规则性,无法进行准确的数学描述,如何对火焰进行仿真是计算机图形学中的热点和难点问题之一.目前,火焰的仿真方法可分为3种:纹理技术方法[7]、粒子系统方法[8]和物理模型方法[9].采用纹理技术方法模拟火焰,速度快,占用计算机资源较少,但人工痕迹较明显,难以表现动态情景.粒子系统方法能表现一定的燃烧场景和燃烧细节,且实现简便,适用于对模拟效果要求不太高的情况.物理模型方法是从物理性质出发,对火焰的运动变化进行合理的计算,可逼真地模拟火焰燃烧的过程,但该方法计算过于复杂,其连续性求解超出了现有计算机的能力.

2.2.2 船舶火灾场景仿真 船舶火灾场景由船舶周围场景、自身场景和火焰燃烧场景3部分组成.船舶周围场景的仿真是对船舶航行或停泊时的周围环境的模拟;船舶自身场景的仿真需要对船舶进行建模;火焰燃烧场景的仿真是对船舶失火情况的三维模拟,是船舶火灾场景仿真的研究重点.

就火焰仿真的3种方法而言,物理模型方法是从火焰的物理性质出发,从理论上对火焰的运动变化进行合理的计算,比较真实地再现了火焰燃烧的物理过程.所以,这种方法对火焰的运动变化控制得比较精确,也最能体现火焰场景的丰富细节.物理模型方法的核心是流体动力学方程,其连续性求解对于现阶段计算机来说还是难以承受的.本文选用LBM(lattice boltzmann model)的离散方法[10]来解决这一问题.

由于船舶火灾场景是大规模的火焰燃烧场景,全部采用物理模型方法进行仿真是不现实的.而其他2种火焰仿真方法也有一定的特点:粒子系统方法实现简单,能表现一定的燃烧场景和燃烧细节,并可用随机过程对模拟火焰进行控制;纹理技术方法如果运用得当,也能反映出火焰的一些重要特征如翻转、涡旋等效果,从而提高场景的真实感.因此,可以对距离视点较近的火焰采用物理模型方法仿真,而对于距离视点较远的火焰采用纹理技术和粒子系统方法仿真,这样即保证了绘制的真实感,又提高了绘制的实时性.

近年来,图形处理器(GPU)的性能及可编程能力得到大幅度提高,新一代GPU采用统一着色器架构,完全硬件支持DirectX 10的各项先进特性,为船舶火灾场景仿真提供了良好的平台.利用LBM并行性好的特点,运用图形处理器强大的并行处理能力可对LBM计算过程进行加速;运用GPU的几何着色器技术可以增强粒子系统方法绘制火焰的速度与效果;运用高动态范围技术可模拟火焰燃烧时昡目刺眼的效果.

3 结 论

1)初步构建船舶火灾模拟训练系统,对系统各模块的组成及作用进行了探讨.

2)提出在完善大涡模拟技术、优化处理模型间边界耦合的基础上,发展场区网复合模型,使其能够模拟船舶火灾的发展过程,实现精度与效率的较好统一.

3)对火灾场景仿真进行研究,提出利用物理模型结合纹理技术和粒子系统方法来模拟船舶火灾,提高大规模火焰燃烧场景绘制的真实感与实时性,实现船舶火灾场景的仿真.

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