某型装备典型核事故仿真动态演示系统的开发及实现

袁 伟，李 藐，李 霄，陈显波，李 浪

（96901部队23分队，北京 100094）

国内外基于核电站反应堆、核动力装置、船舶工业等事故序列的研究相对成熟，有着大量实例和运行数据支撑，同时在软硬件开发方面也做了大量工作［1］。目前，部队核应急专业的教育培训，以宣讲理论教材和观看音像为主，技术手段单一，有必要基于三维模拟仿真技术，研制开发具有一定人机交互能力的演示系统，提高核应急处置的培训效果。本文以某型装备典型核事故为例，结合前期研究工作，从总体结构、技术要求、模块设计等方面阐述了仿真演示系统开发过程，为部队核应急工作提供有益参考。

1 系统总体结构

某型装备典型核事故仿真动态演示系统总体结构包括：典型核事故应急处置数据管理、装备可视化展示、场景可视化展示、模拟操作演练四个模块。

1.1 数据管理模块

包括应急处置队伍管理、装备型号及数量、物资器材类型及数量；应急装备战技指标、使用方式管理；核事故序列特征数据管理，如放射性核素种类、气溶胶浓度、地面沉积水平等。

1.2 单装可视化展示模块

包括应急装备三维模型展示、战技指标展示、使用方式展示等。

1.3 场景可视化展示模块

包括典型核事故场景设定、场景生成、序列特征数据融合、发生发展基本过程展示、序列特征数据查询。

1.4 模拟操作演练模块

包括核事故情况报告查看；应急处置力量编组；处置建议查看；辐射侦测结果、个人所受剂量查看；应急处置调度、指挥合理性评价。

2 系统技术选型

通过系统分析，考虑到大数据量的处理要求，兼顾开发和运维，采用ORACLE 作为后台数据库。由于OBJ、XML 的3D 文件格式较为通用，满足多种软件互导，因此装备模型、地形地貌等数据采用上述格式。系统3D模块采用DipperVR平台开发，兼容麒麟操作系统的国产化计算机环境。系统支撑层以ORACLE 数据库与DipperVR平台为主，为运行提供底层技术支撑；接口层通过事故序列特征化数据，得到所需动态展示的核素种类、浓度等数值；功能层包括对四大模块的管理应用。图1为系统总体结构。

图1 系统总体结构Fig.1 Main structure of the system

3 详细设计

本系统的四大模块按照功能具体要求可分为20个子模块。图2为功能模块的详细组成。

图2 系统功能模块的详细组成Fig.2 System function module of the detailed composition

3.1 数据管理子模块

数据管理模块可详细分为7 个子模块，具体名称及功能描述见表1。

表1 数据管理子模块的构成及功能描述Table 1 Data management submodule composition and function description

（1）处置队伍管理子模块可录入，修改，查询人员与装备、器材、物资之间的配套关系；可录入，修改，查询辐射监测、武器回收、去污洗消、污染压制、综合保障等人员队伍情况。

（2）人员名单管理子模块可录入，修改，查询人员名称、联系方式、专业等信息。

（3）装备型号管理子模块可录入，修改，查询装备名称、功能简介、规格型号、运输方式、数量、操作人数等装备信息。

（4）物资器材管理子模块可录入，修改，查询物资器材名称、功能简介、规格型号、运输方式、数量、操作人数等物资信息；能够上传、查看教学资料及使用方式视频等。

（5）装备指标管理子模块可录入、修改装备型号战技指标信息，如尺寸、质量、功能要求、处置效能等。

（6）装备使用方式管理子模块能够上传、查看装备教学资料及使用方式视频。

（7）事故序列数据X 管理子模块可导入、查询事故序列数据，包括放射性核素类型、气溶胶浓度、γ 剂量率、事故点坐标、持续时间等信息。支持数据文件格式包括CSV、TXT、XML等。

3.2 单装可视化展示子模块

单装可视化展示模块可详细分为3 个子模块，具体名称及功能描述见表2。

表2 单装可视化子模块构成及功能描述Table 2 Single-loading visual submodule composition and function description

（1）装备三维模型展示子模块基于三维可视化环境，装载、展示用户选择或指定的核应急装备，包括装备展开、重点操作部件的分解组合。能够通过鼠标操作控制，实现对模型进行旋转、放大、平移。图3为核应急装备设计模型。

图3 核应急装备设计模型Fig.3 Design model of nuclear emergency equipment

（2）装备战技指标展示子模块能够通过列表菜单快捷选择要展示的装备。对选中的装备以文本形式并结合部件图，展示整装及重要部件战技指标与主要功能。

（3）装备使用方式展示子模块基于三维模拟环境，构造典型应用装备场景，对装备基本操作进行展示。具体包括人员操作位置、操作方式、装备机构动作、模拟应用场景的影响效果。

3.3 场景可视化展示子模块

场景可视化展示模块可详细分为5 个子模块，具体名称及功能描述见表3。

表3 场景可视化子模块构成及功能描述Table 3 Scene visualization submodule composition and function description

3.3.1 事故场景设定

结合三维模型技术发展情况，可产生不同目标的数据模型，包括体模型、表面模型、混合模型和面向对象模型。根据山区、平原、地下建筑等事故环境，采用边界表示方法尽可能真实地设定事故场景三维模型，包括：山区峡谷、开阔平原、地下建筑；放射性污染物扩散轨迹；事故现场情况，如放射性部件散落分布范围、装备受损情况等。

3.3.2 事故场景生成

采用3DMax 建模工具对地形和各类独立模型进行建模，生成网格数据，通过贴图完成模型制作。其中，地形网格通过植被贴图完成地貌设定，人体模型通过骨骼绑定完成骨骼动画制作，器材设备活动部分的关联通过“约束”关系完成设定。以上数据采用Obj、Mesh、Metail等格式，均可导出为系统资源文件，供后续程序开发和使用。图4为事故场景的地形网格。

图4 事故场景的地形网格Fig.4 Accident scene terrain grid

3.3.3 事故序列特征数据融合

如何将事故序列特征数据融入场景进行分析与同步展示，是本系统设计的关键点。演示过程中，气溶胶浓度、剂量分布数值的实时显示，通过模拟计算给定的初始条件，对扩散过程进行近似推演，并根据空间坐标、时序逐一记录数据。用Shader 编程实现扩散的实时仿真显示，最终将图片组按顺序提交到显存，以供展示使用。目前，气溶胶浓度、剂量大小、环境温度和扩散衰减系数能够实现256个梯度的分布。

考虑到模拟的事故场景为瞬时污染源扩散，根据场景展示要求，以灰度图构造参数图片，多个参数的灰度图复合为一张彩色图片，完成初始条件设定。风可理解为所有污染源的整体水平位移，是仿真显示的独立参数，运行时需单独进行设定。Shader编程将图片组按顺序提交到显存并以FeedbackBuffer 形式存储，每个仿真周期调用一次Shader 脚本，结果以离屏渲染形式回存FeedbackBuffer。系统在展示污染过程时，根据空间点坐标读取相应图片数据即可满足动态特征数据融合要求［2,3］。

3.3.4 事故发生发展过程展示

结合声、光、色等特效，按时间、空间顺序对事故动态过程与现象进行模拟展示。展示内容包括以下两个方面：

（1）事故场景粒子特效

粒子系统选取了许多形状简单的微小粒子作为基本元素，以表示不规则模糊物体。采用随机过程控制粒子数量，确定粒子的初始随机属性，如初始运动方向、大小、颜色、透明度、形状和生存期等，并可在粒子运动和生长过程中随机改变这些属性。粒子系统的随机性使模拟不规则模糊物体变得较为简便［4，5］。

本系统结合事故影响区域范围，采用特定随机函数，实现重要粒子特效：爆炸特效，包括碎片、明火燃烧程度等；烟雾特效，包括浓度、笼罩范围等；光照特效，包括自然光、灯光及物体对光的反射、阴影效果；气象特效，包括不同方向的自然风条件；三维音效，如自然环境声、爆炸声、装备器材发声等［6］。

（2）事故进程及序列数据预测分析

粒子系统是擅长展示非固定形状的物体，利用局部随机函数来完成物体动态效果的展现。生成随机函数时，结合序列数据实现粒子变化趋势的有效控制，满足展示效果与序列数据预测分析的一致性［7，8］。图5为事故进程及序列数据预测分析流程。

图5 事故进程及序列数据预测分析流程Fig.5 Accident process and sequence data prediction and analysis process

3.3.5 事故序列特征数据查询

序列特征数据查询方式的实现包括两个方面：

（1）通过激光笔功能，实现一个可见的射线，用于查看激光找点的物体表面污染程度。

（2）通过可操作的仪表模型，显示三维空间位置的核素种类、浓度等信息。该模型通过鼠标左键进行水平四个方向上的移动，通过右键进行垂直方向上的移动。在事故发生发展的任意时刻，均可使用上述查询功能。

3.4 模拟操作演练子模块

该部分所有功能均在三维环境下实现。对于事故动态演示，重点以事故序列数据成果为基础进行全过程仿真模拟，观察视角包括全景、第一人称、第三人称视角三类。该模块共划分为五个子模块，具体名称及功能描述见表4。

表4 模拟操作演练子模块构成及功能描述Table 4 Simulated operation drill submodule composition and function description

（1）事故情况报告查看。展示事故发生时间、地点、原因、人员装备受损情况、已采取的应急措施以及应急支援需求等。

（2）应急处置力量编组。根据应急处置方案，进行辐射侦测、污染压制、去污洗消等队伍分组及人员安排；对分队进行任务筹划和安排，分配装备、器材物资种类和数量。与系统预案编组进行对比，考核编组的科学性与合理性［9］。

（3）应急处置开展。根据预设的处置流程，推演应急处置的执行开展情况，具体包括人员撤离、人员防护、辐射侦测、污染压制、去污洗消、部件回收等基本流程步骤。

（4）事故危害查看。实时查看预设事故区域范围内任意时间节点、任意位置的辐射侦测结果，查看应急处置人员受照剂量情况。

（5）处置合理性评价。针对当前模拟事故，提前确定标准处置作业流程，将操作者处置作业与之进行对比评估；预设事故关键参数与应急处置作业流程的参考标准，考察操作者所进行的处置作业的合理性［10］。

4 实例演示

4.1 事故背景

某型装备在机动过程中，行进至山区峡谷位置发生意外，车体遭受强撞击引发系统内部炸药爆炸，造成车辆损毁、大面积放射性污染扩散。现场任务单位快速启动应急机制，进行人员队伍编组、应急装备物资分配，完成人员撤离、人员防护、辐射侦测、污染压制、去污洗消、部件回收等流程作业。

4.2 流程作业展示

根据事故特点，本系统流程作业展示如下。

（1）预设事故发生时间、地点、原因、应急支援需求等事故情况。根据设定条件，快速搭建事故区域地形地貌、环境特征，摆设车辆与相关装备，生成事故周围的三维场景。图6 为系统登录及三维场景界面。

图6 系统登录及三维场景界面Fig.6 System login and 3D scene interface

（2）模拟演示事故车辆发生爆炸起火，放射性烟云成形、扩散，装备碎片残骸纷飞等场景。事故发生后，系统显示情况报告并请求应急支援；通过操作进行兵力编组，分为辐射侦测、封堵压制、武器回收、洗消去污、安全警戒等行动组，并安排具体岗位。为各组人员分配应急装备、物资器材，包括人员防护服、个人剂量仪、污染压制车、洗消去污车等。图7 为爆炸放射性烟云的形成与扩散。

图7 爆炸放射性烟云的形成与扩散Fig.7 The formation and diffusion of explosive radioactive clouds

（3）模拟事故现场特定区域范围内的安全警戒，在演示系统中设置控制边界。模拟应急灭火组进入现场进行火源控制，系统实时显示经过专用灭火设备处理后火情减轻的过程和效果。模拟辐射侦测组成员携带多功能射线监测仪、α/β表面污染测量仪等设备进入现场进行侦测。结合导入的事故序列特征数据，查看事故范围内任意坐标点的辐射类型、剂量大小，标定不同程度的污染区。模拟回收组对爆炸装备碎片进行回收。模拟洗消去污组对人员、车辆进行简易洗消。图8为事故现场的辐射侦测与安全警戒。

图8 事故现场的辐射侦测与洗消去污Fig.8 Radiation detection and decontamination at accident site

（4）在具体操作中，针对当前所模拟的事故，提前确定标准应急处置作业流程，将操作者所进行的处置作业与之对比并评估；预设事故关键参数与应急处置作业流程的参考标准，考察操作者所进行的处置作业的合理性。

5 结论

本系统结合部队核应急业务需求，采用仿真再现技术手段，根据某型装备典型核事故序列研究成果，对放射性污染扩散过程进行近似推演，实现动态展示核事故发生发展历程、放射性传播扩散过程、人员所受危害、阵地沾染程度和影响范围、先期应急处置建议与方法等，拓展了典型核事故应急处置培训手段，提高了应急处置实战化训练效果。后续，将结合部队的训练使用，完善固化相关技术成果。