基于“情景-应对”的三维应急推演方法研究

李 磊

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 前言

石化行业的迅猛发展为社会经济带来巨大推动作用的同时，也给火灾、爆炸、泄漏等事故的应急处置带来新的挑战。石化行业事故具有现场复杂多变、救援难度高、易造成人员伤亡等特点。在石化行业发生的各种事故中，事故现场具有高度复杂性和不确定性，应急救援过程普遍存在因现场环境信息掌握不全面、专业知识不足、应急处置不当而引起的二次伤害的问题，给人员、财产带来不必要的损失。2015年8月12日，天津滨海新区危险品仓库发生特别重大爆炸事故，事故现场特别复杂，共造成165人死亡，其中消防人员99人[1]。同样是8月12日，1989年黄岛油库发生特大火灾爆炸事故，19人死亡，其中消防人员14名。近年来，随着无人机技术、光电技术的不断进步，基于视觉的三维重构技术迅速发展，使得对事故现场快速构建，基于现场情景应对的应急救援决策成为可能[2]。

针对石化行业生产装置的结构特点，构建石化三维模型库，提出了一种基于石化模型库的无人机倾斜摄影事故现场三维快速构建方法，利用无人机快速获取预定区域的遥感影像，基于多影像联合平差技术完成场景的影像标定，基于石化模型库使用的多视影像匹配算法重建场景的稠密点云，对点云进行曲面拟合和纹理映射[3]，从而完成预定区域的三维可视化，实现事故现场三维场景高效构建。指挥人员根据事故现场三维数字化情景，全面掌握事故发生、发展、演变过程，开展基于“情景-应对”的事故应急推演。

1 石化三维模型库构建

分析发现石化行业模型具有标准性、规则性、重复性等特征，基于石化行业模型的特性，开发了一套面向石化领域的三维模型库，依据行业标准SH 2202-91《石化设备分类与代码》，将行业所需各类模型进行详细分类，采用规范化建模的方法构建石化三维模型库。模型库分数据预处理层、数据库层、控制层、渲染可视化层、用户交互及应用层等5层设计，涉及近千个专业设备模型和灾害仿真模拟模型，以实现设备组件的快速构建和复用。整体架构如图1所示。

图1 石化三维模型库整体架构

2 事故现场“情景”快速构建流程

基于石化三维模型库,利用无人机快速响应平台，对预定区域进行影像采集，利用获得的序列图像、位置和姿态信息，生成真实彩色的地表三维模型，准确清晰地展现预定区域的现场情况。构建流程如图2所示，输入为高分辨率多视遥感影像，通过以下步骤处理，基于石化模型库全自动生成预定区域的全方位三维空间立体模型。中间过程的数据可也用于建模软件人工建模，为事故动画制作提供现场数据支撑。

图2 三维数字化场景构建方法流程

2.1 多视影像采集

多视影像采集分为3部分，第一部分为飞行平台，采用小型飞机或者无人机；第二部分为仪器部分，传感器(多头相机、GPS定位装置获取曝光瞬间的3个线元素x，y，z)和姿态定位系统(记录相机曝光瞬间的姿态，3个角元素φ、ω、κ)；第三部分为人员，由航飞人员和地面指挥人员组成。航线设计采取66%的旁向重叠度，66%的航向重叠度，航线飞行计划文件含飞机的航线坐标及各个相机的曝光点坐标位置。实际飞行中，各个相机根据对应的曝光点坐标自动进行曝光拍摄。

2.2 影像加工

a)多视影像联合平差。采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。

b)基于石化模型库的多视影像密集匹配。采用FAST算子检测特征点，FAST算子具有高效的运算效率和较高的重现性，可实现影像数据特征点的快速提取；采用SIFT描述符[3-4]作为特征点的特征向量，SIFT描述符对旋转、缩放、光照及视角变化具有不变性，能较好地适应遥感影像的特征点匹配；采用最邻近算法进行特征点匹配，求取最邻近特征点与次邻近特征点之间距离比值，设定阈值r判断是否是匹配对。

其中，最邻近特征点是指特征点与样本点具有最短欧氏距离的特征点；次邻近特征点是指具有比最邻近距离稍长的欧氏距离特征点。满足上式的匹配点划为内点，否则舍弃。

影像数据特征点具有海量性，逐点匹配将会消耗大量的运行和运算时间，这也是目前自动建模的一个速度瓶颈所在。在特征点检索时，自动识别智能匹配三维模型库中的模型数据，在保证正确率的同时可以有效的减小搜索时间，从而完成特征点快速匹配。

2.3 模型生成

基于多视影像密集匹配结果，生成高精度高分辨率的数字表面模型(DSM)，充分表达事故现场的空间立体特征。首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配[5]，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的DSM。

DSM数据经过全正射影像和纹理映射的步骤，通过专用测绘软件生成预定区域的三维模型，从而为应急指挥决策人员提供事故现场逼真的实时三维空间数字化场景。

3 事故现场的快速“应对”

全面了解和掌握事故现场情景及情景的发展变化趋势是应急推演前提和依据[6]。“情景-应对”型应急方式是在事故情景的基础上进行决策，目标是为了实现事故现场的应急决策的科学性和准确性。三维事故桌面推演平台提供了事故动态模拟、应急资源调配、作战方案生成与优化等三维交互与可视化模块，使应急人员能全面了解事故现场演变过程、处置过程，进而针对不同情景提出不同处置方案，实时动态的做出决策，保证应急处置的科学性和合理性。

3.1 事故情景匹配

在事故应急处置时，往往习惯利用过去处理类似灾害事故的经验和已获取的现场信息，再针对事故情况的差异做出相应的调整来处理新的灾害事故[7]。在事故应急处置中，针对当前发生的某个事故情景，在模型库检索匹配与该情景相似或相近的历史案例情景的处置方案，快速地将应急处置方案提供给应急决策主体，辅助其对当前灾害事故的应急决策，从而实现“情景-应对”的应急模式。基本流程如图3所示。

图3 应急决策方案生成

3.2 应急处置方案的呈现

基于事故现场三维模型和情景匹配[8]的方案，利用三维事故桌面推演平台将应急处置方案输出呈现。三维事故桌面推演平台预置了工艺仿真库、事故案例库、危险化学品库、事故模拟库、专家知识库、事故预案等，针对典型危险化学品事故的应急救援与现场处置提供了事故动态模拟、应急资源调配、作战方案生成[9]与优化等三维交互与可视化模块，用户使用手势、语音、手柄等输入手段操作三维场景中的对象及内容，并得到3D的视觉、听觉等多通道反馈。三维事故桌面推演平台主要具有以下功能点。

a)支持事故现场三维模型和情景匹配的方案快速输入，实现事故现场的高速渲染和三维空间可视化。

b)提供桌面推演控制端和推演端使用模式，控制端采用信息实时交换技术，实时监控全部现场动态，进行任意推演场景的切换，利于根据应急处置情况进行实时调整事故态势。

c)全流程方案推演，通过灾情确定、角色分配、任务分工、力量调配、指令下达、行车路线、火情侦查、车辆站位、力量部署、战斗展开、反复侦查、力量调整、消防水量和灭火剂供给量估算，生成应急处置方案。

d)支持处置方案自评估，系统开发了消防力量估算、安全防护距离、热辐射等估算、方案上传、方案自动评估、在线新闻与社交媒体管理等模块化辅助分析工具，用于自动评估、检验处置方案的有效性科学性。

4 实际应用

利用“情景-应对”的三维应急推演方法，在某次大型罐区火灾事故综合应急演练中，采用了三维场景高效建模手段，利用无人机抵达灾害现场航拍取景、快速建模、实时推演的手段，将灾害演化过程、现场应急处置在三维场景下展现，并通过计算机模拟计算分析和典型事故案例相结合，为情景演化过程做技术支撑、分析研判，并形成优化的处置方案来辅助指挥部进行决策、指挥。

事故现场三维实时构建采用飞行器携带可见光成像设备对地表建筑或地形地貌进行采样，并利用三角测量技术对被测区域进行高程分析，从而构建测绘区域三维地理模型，最后通过实景贴图的方式完成实景建模。采用八旋翼飞行器作为飞行载机，型号FF-8-1000。对称轴距1 050 mm，单台旋翼额定功率300 W，峰值功率550 W。螺旋桨直径15英寸，螺距5.5英寸。采用全画幅可见光成像设备作为图像采集设备，型号FF-c-7。传感器尺寸35.9 mm×24.0 mm，分辨率为7 592×5 304，有效像素4 240万。镜头等效焦距35 mm。飞行采用采用扫描式飞行方式，航线相对高度120 m，航线间距43.08 m，照片间距29 m，照片地面分辨率1.55 cm。照片采用三角测量方式对地表拍摄物体高程获取，通过照片拍摄点GPS位置以及相应参考点与成像设备焦平面所成角度确定其高程(其方法与人眼判断物体景深颇为相似)，在1平方公里范围内的核心区域，进行采样4 370张照片。所形成的高程文件以点的形式表现，称之为点云。通过点云文件，形成线文件，继而形成面文件，对测绘区域地形重建。最后通过实景采样的可见光文件，拼接组成表面纹理文件，并对测绘区域面模型进行材质贴附，完成对整个测绘区域的重建工作，形成可进行二次开发、测量、分析等多种功能的实景模型。核心区域线模型和实体模型构建效果如图4、图5所示。

图4 核心区域线模型构建

通过三维事故桌面推演平台，对实景模型进行数据检查和修正、数据植入、生成事故现场三维虚拟环境；通过天气设置界面设置虚拟天气条件，实现虚拟天气条件和三维虚拟环境的叠加，可调节风向(影响火焰和烟雾等方向)、风力、时间、温度等参数；根据演练火灾事故的生成和发展过程，通过事故事件设置功能，实时调节仿真模拟火灾、烟气的状态和属性，实现火灾事故事件的动态生成和态势管理，火灾模拟效果如图6所示；结合应急处置方案所需的应急资源，在石化模型库内匹配相应的三维模型，点击三维模型后拖拽并旋转至需要的位置，实现应急力量的快速部署；基于三维事故桌面推演平台对应急处置方案进行数字化推演，将应急处置方案的有序展开，实现应急处置方案的三维数字化可视化表达(如图7所示)；通过专家评估模块，论证应急处置方案的合理性和可操作性，并生成最优方案提供给应急指挥人员，为事故应急指挥提供辅助决策。

5 结论

实验结果表明，基于模型库的三维场景快速方法能有效提高事故场景模拟的效率，事故现场的实时三维情景可有效地应用于应急侦察、应急指挥、应急救援等环节，提高救援的针对性和有效性。三维场景对后期事故调查、事故动画制作、救援过程研究、事故机理研究同样具有重要意义。同时，三维事故桌面推演平台明确了事故现场二、三维应急处置空间环境及场景信息；清晰了应急人员的组织结构、岗位责任与时间、事件演变的逻辑关系；为应急处置方案的呈现提供了一种直观的实时、动态、高效的手段。

图6 灾害场景三维模拟

图7 救援方案可视化