基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台

2023-11-20袁奕雯

石油化工设备 2023年6期

袁奕雯

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

移动式压力容器是长距离运输化工物料、危化品的主要装备，属于特种设备［1］。移动式压力容器运输的物料大多存在易燃、易爆、有毒、腐蚀等危险性，如果在充装、运输环节处置不当，将会造成灾难性事故。近年来，“6·13”温岭罐车重大爆炸事故、山东金誉石化“6·5”爆炸重大事故及湖南怀化“10·6”常吉高速罐车侧翻爆炸等事故引起了社会广泛关注。鉴于此，不断提高特种设备风险防控水平，提升移动式压力容器应急处置能力成为特种设备应急管理工作的重点。《中华人民共和国特种设备安全法》［2］第六十九条规定，特种设备使用单位应当制定特种设备事故应急专项预案，并定期进行应急演练。但受限于移动式压力容器的特点，实地演练本身会存在一定风险并消耗较高的时间及经济成本，因此，很多使用单位的应急演练往往存在应急事件设置较为简易、参与演练人员覆盖面小及实战能力支持性弱等问题，难以达到全面提升移动式压力容器作业及相关人员应急处置专业能力的目的。

虚拟实景（Virtual Reality，简称VR）技术是新一代的人机接口技术，它利用计算机生成模拟环境，创建和体验虚拟世界，实现多源信息融合的交互式的三维动态视觉、听觉和实体行为的系统仿真，让用户置身到实景环境中沉浸式体验。把VR 技术引入特种设备的应急演练中，可以有效提升应急演练的效率和效果，扩大应急演练人员的受众面，并同时规避演练中所产生的风险。建立并在演练中运用以计算机和网络技术为支撑的应急演练信息平台是未来演练不可或缺的依托［3］。

近年来，VR 技术已经在国内外应急演练领域得到了尝试应用，美国应急演练模拟中心对虚拟环境下各类灾害进行了仿真演练并取得较好的效果［4］。Shamus P Smith 等［5］研究用VR 技术辅助事故应急救援模拟。潘卫军等［6］研发了基于VR 技术的机场应急救援虚拟演练平台，支持典型场景模型编辑形成灾害场景。苏培等［7］利用VR 技术对铁路乘务应急演练实训系统开展了构建研究。蒋国民［8］基于VR 技术和网络协同技术，将固定的火灾模型和随机性的火灾发展过程结合构建消防应急演练平台。易涛等［9］运用高层体系结构和虚拟现实技术构建化工安全综合仿真平台，可模拟灾难性安全事故发生后消防部门和政府部门的协同演练。万婧等［10］针对油气储存等危险化学品行业，提出了基于VR 技术的油库隐患排查及应急演练培训系统。WANG Z Q 等［11］利用计算机虚拟生成三维模拟场景，研发用于应急方案下人群疏散的虚拟演练系统Guarder。吕洁印等［12］针对港口灾害事件开展了虚拟现实应急演练可行性研究，并建立了相应的策略。王菊等［13］对加氢反应装置进行了应急演练虚拟仿真实验的设计。限于特种设备的特殊属性，在现有的研究成果中，仍缺少面向移动式压力容器的仿真应急演练平台。本文依托此背景，基于VR 技术，开展移动式压力容器仿真应急演练平台的相关研究与开发。

1 移动式压力容器事故与应急救援特征

移动式压力容器应急演练的目的，是为了检验在应急场景下使用人员的应急处置能力和救援人员的协同作战能力。移动式压力容器事故虽然是小概率事件，但却也有不少事故案例。通过对过往事故的分析发现，移动式压力容器事故的事发初期是应急处置的最佳时期，往往只需要一个正确的行为，就可以避免事态升级，但就是因为事发现场人员缺乏有效培训和应急演练，最终错失处置良机，酿成重大事故。

移动式压力容器的使用场景即充装过程，故开发的应急演练平台将应急处置场景设定在充装站。根据所收集到的典型事故案例，移动式压力容器本体失效概率极低，事故初始阶段多为介质泄漏后扩散燃烧，而介质泄漏初期的最佳处置方式即启动紧急切断阀，因不能排除紧急切断阀失效，还需进一步进行带压封堵。若上述应急处置措施均告失效，移动式压力容器事故的终极特征是火灾爆炸，操作人员应立即选择报警疏散逃离，这是本平台的总体设计原则。

应急演练平台依托VR 技术，仿真出移动式压力容器的事故现场，通过人机交互的操作，使相关人员得到全面的培训和指导，可减少实际应急救援演练中的资源消耗，全面提升移动式压力容器使用单位的应急救援水平和能力。移动式压力容器应急演练平台具有以下特点：①仿真趣味性。平台仿真复原了移动式压力容器使用场景，同时配合应急处置的过程增加了渲染紧张气氛的背景音乐，配合事故的进程增加了操作、报警、泄漏及爆炸等声效，让演练人员在视觉、听觉双重角度具有身临其境的感觉，达到刺激记忆的效果。②真实案例性。平台所采用的案例均选取自真实事故案例，并根据常温型罐车和低温型罐车的不同特点分别设置，能够引导演练人员有效分辨出2 种典型移动式压力容器应急措施的异同。③协同交互性。平台基于科学计算，在虚拟演练中设置人机交互所产生的不同后果，可以使交互中的各种指令得到即时响应，平台支持2 个终端协同操作，2 名用户可以在同一个虚拟场景内进行联合演练，有助于实际操作中的协同配合。④操作安全性。平台可在虚拟场景下呈现出罐车爆炸等场景，既满足参与者直观感受警示教育的需求，又极大程度避免了演练过程中的人员伤亡和财产损失。

2 移动式压力容器应急救援虚拟演练平台构建方法

2.1 VR 演练平台模块构成及运行

移动式压力容器有汽车罐车、罐式集装箱、长管拖车、管束式集装箱以及铁路罐车5 个品种。本平台作为应急演练平台，无法囊括所有工作场景下的不同具体做法。汽车罐车及罐式集装箱在移动式压力容器中数量最多，应用最广，且二者的差别仅在于是否有集装框架。因此，本应急演练平台以汽车罐车作为应急处置对象，同时根据介质特性的不同，选择常温型汽车罐车和低温型汽车罐车2 种类型。

应急演练平台基于Unity3D 游戏引擎和数字高程模型，采用双层C/S 结构研发面向双用户同场景协同应急处置的培训场景。根据虚拟应急演练的功能需求，平台预设了2 种典型汽车罐车的4 种典型事故，用于移动式压力容器充装单位工作人员和相关人员熟悉应急演练全过程，掌握正确应急处置技能。

移动式压力容器应急演练平台的总体设计布局见图1。

图1 移动式压力容器应急演练平台总体设计布局

演练人员进入移动式压力容器事故应急演练平台后，进行三重选择，①可以自由选择教学模块和实操模块。②可以选择充装人员和检查人员2种角色。③可以选择常温型汽车罐车和低温型汽车罐车2 种不同类型的移动式压力容器。演练人员按需求体验不同角色在不同工作场景的具体操作或应急行为路径，体验不同场景、不同角色的联系，充分提升应急处置能力。

此外，在应急处置实操模块还下设2 种类型，一种为基础处置版，另一种为升级处置版，无需选择，演练人员随机进入模式，可根据在教学版中学习掌握到的应急处置技能进行操作，客观上增加了演练人员应急处置的不确定性，同时增加了用户界面的倒计时模式，更好地实现了人机交互，从心理上、技能上对演练人员进行全面提升。

2.2 VR 演练平台关键技术

2.2.1 VR 演练逻辑设计

根据我国法律规定，移动式压力容器的使用主要是指其充装环节，因此应急处置场景的地域范围相对集中，特指在充装区域内。

文中构建应急演练平台时选择的案例为汽车罐车中最为常见的常温型汽车罐车和低温型汽车罐车，涉及的事件类型包括罐车介质泄漏、燃爆等，从时间跨度上可细分为应急响应、应急处置和应急恢复3 个阶段。鉴于VR 技术所依托的三维建模动画渲染等因素会造成海量数据读取，如果分别建模，势必影响用户体验，因此将时间空间浓缩在同一场景下，通过细分操作细节，将重点放在演练操作逻辑上，完善流程步骤，提高应急处置的真实性。

常温型汽车罐车的基础版和升级版应急演练场景逻辑设置见图2 和图3。

图2 常温型汽车罐车基础版应急演练场景逻辑设置

图3 常温型汽车罐车升级版应急演练场景逻辑设置

对于低温型汽车罐车，基础版应急处置流程与常温型一致，但因低温型介质特性与常温型介质存在区别，罐车结构形式也有所不同，故泄漏处置过程也存在差异。特别是升级版应急处置流程，虽然都是堵漏，但需兼顾介质低温特性。低温型汽车罐车升级版应急演练场景逻辑设置见图4。

图4 低温型汽车罐车升级版应急演练场景逻辑设置

2.2.2 VR 演练人物与任务

根据TSG R005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》［14］及其修改单的规定，移动式压力容器充装使用中，主要涉及人员为充装人员和检查人员。因此，本应急演练平台在角色选择上，就确定为这些特定人员。实际工作中，充装人员和检查人员的工作内容有交叉也有特定，在参照法规并调研了实际工作后，对充装人员和检查人员分配了较为细致的规定动作，旨在使体验人员加深对岗位职责的理解，能够在突发事件中更好地完成规定动作，避免因分工不明确带来的不当操作。

整个应急演练平台将角色扮演（RPG）任务逻辑引入应急处置中，参加演练人员须按照规定任务完成动作才能进入下一环节，将演练与RPG 游戏有机结合，优化应急演练的体验感。应急演练环节的教学模块采用文字、声音提示操作和报错通关制，不限教学时间，引导学习者获得通关体验。如果选项错误或者步骤错误，系统文字、声音报错提醒“再试一次”，不设限制次数。教学引导练习者按正确步骤完成所有体验，完成演练后系统文字、声音提示“恭喜您完成了应急演练学习！ ”。若倒计时间到，尚未完成所有步骤，系统文字、声音会提示“对不起，您没能完成本次救援，现场即将发生爆炸，祝您下次好运！ ”，系统将配合爆炸画面。如果在倒计时内完成应急救援，系统根据所用时间进行排名，系统文字、声音提示“恭喜你拯救了世界，您获得了此次应急演练第X 名！ ”。

演练模块只有场景变化提示，没有操作文字、声音提示，演练模块采用倒计时UI 模块，采用通过制和计时排名制，激发参与者的竞胜心。常温型汽车罐车基础版应急演练倒计时间为60 s，低温型汽车罐车基础版应急演练倒计时间为120 s，升级版应急演练倒计时时间均为5 min。演练者为双人协同操作模式。

在基础版中可以选择报警，文字、声音提示“稳住，救援马上就能到，但您还得再练练”，演练结束。在升级版中，完成堵漏后，仍需要进行可燃气体浓度测定，根据不同的选择结果，会分别给出“堵漏成功”、“稀释可燃气体再测一次”、“堵漏失败尽快撤离”等提示。

平台采用开放式结局，并非每一次应急处置都会获得成功，设定一定概率的应急处置失败的概率，可增加体验者对应急演练的敬畏之心。

2.2.3 虚拟场景设计与特效处置

为了增强参与者的体验感，现场场景的构建仍是重点之一。通过实地采风，根据移动式压力容器充装站的实景（图5），选取其中需要使用的建筑物进行建模，剔除同一场景下无关的建筑物，针对虚拟环境中的目标建筑物和应急处置主体建立几何模型，见图6。对无需进行细节处置的部位，可降低图像质量的精细程度，提高实景比例的精确性，通过演练人员视点主方向及建筑物在画面投影区域等因素，增强参与者的真实感。

图5 某移动式压力容器充装站实景

图6 应急演练平台宏观场景几何模型

对于需要应急处置的细节，如罐车操作箱部位，则采用复杂实体模型与三维表面模型相结合的方式加以体现，见图7。

图7 汽车罐车操作箱细节图

应急处置物品的选取，如穿防护服、戴面罩、拿灭火器、拿堵漏工具及启动喷淋装置等，通过手柄抓取方式实现，见图8。

为建立更真实的介质泄漏和爆炸效果，利用Uni-ty3D 粒子系统［15］模拟移动式压力容器介质泄漏和火灾爆炸的特效，见图9。通过对目标对象进行外观特征分析并生成外观属性，分别设定泄漏扩散后画面雾化覆盖面大小，根据介质泄漏程度，即画面雾化覆盖面大小确定下一步应急措施。

图9 移动式压力容器介质泄漏特效

为了更好地激发应急演练人员的探索欲，平台充分考虑当下人们对电竞游戏的偏好心理，通过采用HTC VIVE PRO 专用套装，演练人员除了能够实现传统VR 虚拟情景体验外，还能够实现沉浸式声效体验，使平台趋于元宇宙化。平台充分利用数字高程模型营造声光效果，并将其代入演练，增加应急演练人员的探索欲。例如通过背景音乐营造应急处置的紧张气氛。操作时若按下紧急切断按钮或者报警按钮，会配合按键声、警铃声。误操作时，会有虚拟人物进行声音提示。若演练失败，罐车会发生形态爆炸并配以爆炸声效。平台尝试从视觉、听觉2 个层面对演练人员进行记忆加深刺激，提升应急演练实战能力。

3 移动式压力容器应急演练平台演练效果

以正在充装的常温型汽车罐车介质泄漏后应急处置为例，开展移动式压力容器操作人员虚拟演练。首先充装人员切断充装按钮停止送料，检查人员引导随车员等无关人员撤离到警戒线外。充装人员立即开启紧急切断阀避免罐车继续泄漏，此时平台提示汽车罐车装卸过程中管路连接法兰螺栓断裂，紧急切断阀失效，泄漏介质开始雾化画面，进入升级处置场景，选择应急处置装备，检查人员在事发区域设立警戒线，充装人员准备带压堵漏，堵漏完成判断堵漏是否有效，测定可燃气体浓度，完成演练。

本平台的特色在于处置结果为开放式，应急处置的结果允许为失败，引导操作人员尽快报警。操作人员中途随时可以报警求救，体现出生命至上的应急逻辑。同时演练中设置了处置失败现场爆炸的场景（图10），起到增强事故警示作用。