基于VR 的大型煤气化事故三维动态可视化研究

潘常春

（浙江大学机械工程学院，浙江 杭州 310000）

0 引言

煤气化技术是煤化工产业链中的重要一环和核心技术，在整个煤化工产业链中占据主导地位[1]。但其生产过程危险性极大，稍不注意就有可能会导致严重的事故。2019 年，河南煤气集团义马气化厂发生“7·19”重大爆炸事故，事故原因是未及时发现并处理空气分离装置冷箱泄露的问题，导致发生“砂爆”。此次事故导致15 人死亡、16 人重伤，事故暴露出企业风险意识淡薄、厂区设计布局不合理等多项突出问题。因此，工艺气泄漏、火灾、爆炸事故的防控是煤化工厂房安全防范工作的重要内容。

由于煤气化装置空间体量巨大，事故后果严重，其事故过程难以进行实验模拟。而随着科技的发展，虚拟现实（VR）技术进入人们眼前。VR 技术是由诸多跨领域多学科交叉而构建的一种新型信息技术[2-4]，具有高沉浸感和交互性，可将人带入一个“虚拟的世界”，将其应用于煤气化事故模拟有一定的优势。当前，VR 技术在安全领域的应用已经取得了一定的成果。周德闯[5]基于VC++.NET 平台，调用Matlab 引擎的混合编程技术，在Vega Prime 仿真条件下研究大空间火灾烟气层降的实时仿真工作；王俊杰等[6]通过GIS、AJAX 和VRML 等技术完成化工厂区电子地图的绘制，并模拟真实厂区内部实景，设计了一款化工厂安全培训演练系统；侯建明[7]、王子甲[8]等基于Unity 3D 虚拟仿真平台分别开发了矿山救援虚拟仿真演练系统及地铁火灾疏散仿真平台；玄令岐[9]等通过Unreal Engine 4 和Visual Studio 平台实现了在外部数据驱动下矿井中火灾蔓延情况的研究。

前人研究发现，VR 技术应用于事故模拟主要侧重于对重大事故的应急演练、事故预防、事故发生或者是针对后果中的某一项进行分析和研究，而对事故的风险进行量化分析的研究报道较少；此外，针对事故发生的过程研究更少，也无法对发生事故造成的灾害范围进行研究。VeryEngine 是一种基于Unity 3D 的二次开发引擎，其特点在于可用一种可编辑文本的技术来实现软件的开发。针对煤气化事故的危险特性，笔者提出基于Pasquill-Gifford 模型、火灾后果模型与TNO 蒸气云爆炸后果模型，对煤气化火灾与爆炸进行后果模拟与预测，采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的开发模式，开展煤气化厂区大型环境的三维建模，植入粒子特效系统，形象地呈现出工艺气泄露、火灾以及爆炸事故的实时动态过程，以期对煤气化装置的安全布局、煤化工生产事故应急预案、应急处置措施以及事故调查等提供科学依据。

1 大型煤气化事故数学模型

1.1 气体扩散模型

气体扩散模型是基于理想的情况，通过数学模型来描述复杂的气体扩散现象，用定量计算的方法来估算事故状态下工艺气泄露扩散对周边影响程度。Pasquill-Gifford 模型是一种中性浮力扩散模型，主要用于描述中等密度气云的浓度分布，广泛应用于企业物质泄漏后果的研究中，被认为对企业应急预案的编制有一定的指导意义[10]。因此，本研究采用Pasquill-Gifford 模型来模拟煤气化装置泄漏扩散[11]。

中性浮力扩散模型一般分为：用于连续释放源泄露气体的稳态浓度描述的烟羽模型和用于定量独立释放源的瞬时浓度描述的烟团模型。

（1）位于地面HT高处的连续稳态源的烟羽模型：

式中：C为泄露气的浓度，当工艺气持续泄露时，在形成稳定的流场后，地点（x，y，z）处的泄露气浓度(kg/m3)；Q为连续排放的物料质量流量（kg/s）；U为风速；σy、σz为侧风向和垂直风向的扩散系数（m）；x，y，z为下风向、侧风向、垂直风向距离，其中，大气稳定度采用Pasquill 分类方法确定，扩散系数采用Pasquill-Gifford 模型扩散系数方程[12]。

（2）位于地面HT高处的瞬时点源的烟团模型，坐标系随烟团的移动而移动，其中心位于烟团的中心x=ut处。

式中：C为工艺气瞬时泄露时，t时间在地点（x，y，z）的工艺气的浓度（kg/m3）；Q*为瞬时排放的物料质量；σx,σy,σz为下风向、侧风向和垂直风向的扩散系数（m）。

1.2 火灾后果模型

一系列的点源沿火焰长度方向向周边辐射形成喷射火焰，本研究中采用通用的经验公式计算垂直和水平方向的喷射火的火焰长度及热辐射通量[12]。

（1）垂直方向喷射火计算

火焰高度：

式中：q（r）为距离火焰中心r处的目标所接收到的热通量（kW/m2），τa为大气传输率，η为热辐射系数，m˙为燃料的质量流速（kg/s）；ΔHc为燃烧热（kJ/kg），Fp为视角因子。

大气传输率τa：

式中：L为喷射火的火焰长度；HC表示燃烧热（J/kg），m为质量流速（kg/s）。

热辐射的通量：

1.3 蒸气云爆炸后果模型（TNO）

TNO 多能法是当前模拟预测蒸气云爆炸的常用方法[13，14]。通过估算爆炸源内的可燃气体与空气混合物体积，计算爆炸源的燃烧能：

图1 TNO 模型的Sachs 比拟超压

2 煤气化事故三维动态可视化系统总体框架

采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的开发模式。首先以真实场景为蓝本，采用3Ds Max 建模软件对煤气化厂区的中建筑物、煤气化装置设备等进行真实建模，然后导入Unity 中，构建三维虚拟场景。随后结合气体扩散、火灾、爆炸事故的数学计算模型，利用虚拟现实、粒子特效、声音特效等技术对煤气化生产过程中的典型事故进行模拟，在VeryEngine 中开展系统的功能设计，最终实现实时动态展示烟雾扩散、火焰和爆炸的全过程（图2）。

图2 煤气化事故三维动态可视化系统总体框架

3 煤气化事故三维动态可视化系统实现

3.1 三维场景的构建

为展现场景的真实性，虚拟场景中的设备等物体模型均以厂家真实的煤气化工艺装置为蓝本，利用3Ds Max 建模软件对真实场景进行高度仿真建模。建模单位采用mm，按实际规格及尺寸进行制作，模型坐标和自身中心点重合，制作的模型既要保证模型整体相对比例正确，还需保证和实际尺寸大小一致，模型场景以软件原点为基准，即X,Y,Z坐标轴归零，方便各设计开发软件之间的转换。

采用基于物理属性的PBR 写实贴图来表现虚拟场景的细节。其中纹理贴图用于表现材质的外貌特征；金属光滑度贴图则用于表现其对光做出反应的物理特性；法线贴图丰富纹理凹凸等细节；AO 则进一步表现物体的立体真实感。四大核心贴图将物体的特性表现极致逼真。模型制作好后，将格式转化为FBX 格式，导入Unity 3D 中。Unity 3D 引擎系统中自带天空盒、地形、植被等场景，只需在Assets 中进行资源包导入，最终完成三维场景的构建（图3）。

图3 虚拟煤化工厂区

3.2 三维动态模拟

由于烟雾扩散和火焰燃烧时不规则的几何形状及颜色会随时间的推移而发生随机的动态变化，难以用常规的三维建模方法或模拟技术来生成。20 世纪末，Reeves[17]提出粒子系统理论，该理论认为可以通过设置粒子的形状、速度、数量等多种参数来描述物体的动态特征，是迄今为止模拟不规则物体动态变化最为成熟的理论之一。本系统根据粒子的产生、变化以及消亡来描述烟雾、火焰的不规则变化，模拟火灾及爆炸的过程中烟雾的扩散和火焰燃烧状态。

在Unity 3D 中，粒子系统由粒子发射器（Particle Emitter）、粒子动画器（Particle Animator）和粒子渲染器（Particle Renderer）3 个独立的部分组成[18]。运用编程语言，将气体扩散模型、火灾后果模型和蒸气云爆炸后果模型导入软件中，实现气体泄漏、火灾及爆炸三维动态模拟的数学模型程序化。引入粒子特效系统，在虚拟场景中加入了粒子发射器、植入粒子驱动器以及节拍器。对各对象的属性进行设置，并且选择合适的粒子类型，同时对特效属性进行设置，对气体泄漏、火灾及爆炸进行建模绘制与实时显示，实现气体泄漏扩散、喷射火焰及爆炸的三维动态模拟过程（图4）。同时，通过VeryEngine 下的声音播放响应添加爆炸、喷射火焰等现象伴随的声音音效，使场景更加真实。

图4 煤气化事故模拟

3.3 后果分析与模拟

结合火灾热辐射后果模型和热辐射伤害准则[19]，分析预测发生火灾事故时，热辐射对一定距离的人与物体（煤气化装置及周边建筑物）的影响情况。结合爆炸超压模型和冲击波超压准则[20]，分析预测当发生爆炸时产生的冲击波对周围人员以及周边环境的破坏程度。

本研究通过精确定位、相对位置对煤气化装置及周边建筑受热辐射、冲击波影响程度进行预测分析（图5）。由于人在厂区内出现的位置具有不确定性，因此在本研究中除了采用精确定位与相对位置外，还增加一种任意坐标点预测的方法，根据不同的需要对煤气化事故发生时现场人员的死伤概率进行计算。

图5 事故后果预测分析

4 结论

（1）本研究采用3Ds Max+Unity 3D+VeryEngine 的开发模式，开发出基于VR 技术的煤气化事故三维动态可视化仿真软件，通过引入粒子特效等技术对火灾和爆炸事故发生时的烟雾、火焰进行模拟，实现对煤气化事故的实时三维可视化动态仿真模拟，通过热辐射影响模型和热辐射伤害准则，以及超压模型和冲击波伤害准则，分析并统计热辐射和冲击波对周围人员以及周边环境的破坏情况。

（2）通过本研究，可以根据事故影响范围对煤气化设备的布局进行优化，降低由于个别设备的损坏影响其他设备而产生事故的概率。同时为煤化工事故应急预案、应急处置措施以及事故调查等方面提供科学依据。研究表明，虚拟现实技术在煤化工安全领域具有广泛应用前景。

（3）开展进一步的研究可以利用虚拟现实技术进行大规模、多角色的煤气化事故协同仿真演练，弥补传统事故演练的不足，以提高突发重大事故的应急能力和水平。可以预测，随着虚拟现实技术的不断发展，将虚拟现实技术与增强技术结合或者采用全息投影技术将整个虚拟场景投放到现实的空间，让多人同时参与事故演练，增强团队作战能力，使现代化的技术手段在化工生产安全领域发挥更大的作用。