基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台.pdf

文章编号院 1000谣7466(2023)06谣0016谣08基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台袁奕雯渊上海市特种设备监督检验技术研究院袁 上海200062冤摘要院 为解决移动式压力容器应急演练中存在的风险大尧 成本高尧 覆盖面窄及有效性差等问题袁基于虚拟实景技术搭建了移动式压力容器应急演练平台遥 平台采用细分场景构建袁 将角色扮演任务逻辑引入应急处置袁 还原常温型汽车罐车与低温型汽车罐车两类移动式压力容器的使用场景袁设计了教学版尧 快速处置和升级处置等模块化方案袁 引导演练人员进行角色扮演尧 应急装备选取尧 完成单人任务与协作任务遥 应急演练平台还充分运用声尧 光尧 文字尧 倒计时尧 排名竞赛及开放式结果等效果袁 将应急演练与电竞游戏相结合袁 提升演练者的探索欲遥 研究表明袁 应急演练平台模块设置逻辑合理且场景体验感较好袁 有助于提升演练人员的应急处置能力遥关键词院 移动式压力容器曰 应急演练平台曰 虚拟实景技术曰 特种设备中图分类号院 X948文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.06.003Emergency Drill Platform for Transportable Pressure Vessel Based onVirtual Reality TechnologyYUAN Yi-wen渊Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research袁Shanghai 200062袁China冤Abstract:In order to solve the problems of high risk袁high cost袁narrow coverage and poor effectiveness oftransportable pressure vesselemergencydrill袁atransportable pressure vesselemergencydrillplatform was builtbased on virtual reality technology.The platform adopts segmented scenario construction袁introduces role-playing task logic into emergency disposal袁restores the use scenarios of two types of transportable pressurevessels袁namely normal-temperature auto transportable tanker and low-temperature auto transportabletanker袁anddesignsmodularprogramssuchasteachingversion袁rapiddisposal袁andupgradeddisposal袁guidingthe drillers to conduct role-playing袁 selection of emergency equipment袁 and completion of solo tasks andcollaborative tasks.The emergency drill platform also makes full use of sound袁light袁text袁countdown袁rankingcompetition袁and open-ended results袁combining emergency drills with e-sports games to enhance theexploratory desire of the drillers.The study shows that the emergency drill platform has reasonable modulesettingsandgoodsceneexperience袁whichhelpstoimprovetheemergencyresponseabilityofthedrillers.Key words:transportable pressure vessel曰emergency drill platform曰virtual reality technology曰 specialequipment收稿日期院 2023-05-30基金项目院 国家市场监管总局技术保障专项渊2021YJ022冤曰国家市场监督管理总局科技计划项目渊2022MK031冤作者简介院 袁奕雯（1982-），女，安徽怀宁人，正高级工程师，硕士，主要研究方向为特种设备突发事件应急处置与事故调查、氢能储运装备安全性能检验检测与评价。E-mail：。第 52 卷第 6 期2023 年 11 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.6Nov.2023第 6 期移动式压力容器是长距离运输化工物料尧危化品的主要装备袁属于特种设备咱1暂遥移动式压力容器运输的物料大多存在易燃尧易爆尧有毒尧腐蚀等危险性袁如果在充装尧运输环节处置不当袁将会造成灾难性事故遥 近年来袁野6窑13冶温岭罐车重大爆炸事故尧山东金誉石化野6窑5冶爆炸重大事故及湖南怀化野10窑6冶常吉高速罐车侧翻爆炸等事故引起了社会广泛关注遥 鉴于此袁 不断提高特种设备风险防控水平袁 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遥 叶中华人民共和国特种设备安全法曳咱2暂第六十九条规定袁特种设备使用单位应当制定特种设备事故应急专项预案袁 并定期进行应急演练遥 但受限于移动式压力容器的特点袁 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袁 因此袁 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尧参与演练人员覆盖面小及实战能力支持性弱等问题袁 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遥虚拟实景渊Virtual Reality袁简称 VR冤技术是新一代的人机接口技术袁 它利用计算机生成模拟环境袁 创建和体验虚拟世界袁 实现多源信息融合的交互式的三维动态视觉尧 听觉和实体行为的系统仿真袁 让用户置身到实景环境中沉浸式体验遥 把 VR 技术引入特种设备的应急演练中袁可以有效提升应急演练的效率和效果袁 扩大应急演练人员的受众面袁 并同时规避演练中所产生的风险遥 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咱3暂遥近年来袁VR 技术已经在国内外应急演练领域得到了尝试应用袁 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咱4暂遥 Shamus P Smith 等咱5暂研究用 VR 技术辅助事故应急救援模拟遥潘卫军等咱6暂研发了基于 VR 技术的机场应急救援虚拟演练平台袁 支持典型场景模型编辑形成灾害场景遥苏培等咱7暂利用 VR 技术对铁路乘务应急演练实训系统开展了构建研究遥 蒋国民咱8暂基于 VR 技术和网络协同技术袁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遥 易涛等咱9暂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袁 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遥 万婧等咱10暂针对油气储存等危险化学品行业袁提出了基于 VR 技术的油库隐患排查及应急演练培训系统遥 WANG Z Q 等咱11暂利用计算机虚拟生成三维模拟场景袁 研发用于应急方案下人群疏散的虚拟演练系统 Guarder遥 吕洁印等咱12暂针对港口灾害事件开展了虚拟现实应急演练可行性研究袁 并建立了相应的策略遥 王菊等咱13暂对加氢反应装置进行了应急演练虚拟仿真实验的设计遥 限于特种设备的特殊属性袁 在现有的研究成果中袁 仍缺少面向移动式压力容器的仿真应急演练平台遥 本文依托此背景袁基于 VR 技术袁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遥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袁 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遥 移动式压力容器事故虽然是小概率事件袁 但却也有不少事故案例遥 通过对过往事故的分析发现袁 移动式压力容器事故的事发初期是应急处置的最佳时期袁 往往只需要一个正确的行为袁 就可以避免事态升级袁 但就是因为事发现场人员缺乏有效培训和应急演练袁 最终错失处置良机袁酿成重大事故遥移动式压力容器的使用场景即充装过程袁故开发的应急演练平台将应急处置场景设定在充装站遥 根据所收集到的典型事故案例袁 移动式压力容器本体失效概率极低袁 事故初始阶段多为介质泄漏后扩散燃烧袁 而介质泄漏初期的最佳处置方式即启动紧急切断阀袁 因不能排除紧急切断阀失效袁 还需进一步进行带压封堵遥 若上述应急处置措施均告失效袁 移动式压力容器事故的终极特征是火灾爆炸袁 操作人员应立即选择报警疏散逃离袁这是本平台的总体设计原则遥应急演练平台依托 VR 技术袁 仿真出移动式压力容器的事故现场袁 通过人机交互的操作袁使相关人员得到全面的培训和指导袁 可减少实际应急救援演练中的资源消耗袁 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遥 移动式压力容器应急演练平台具有以下特点院 仿真趣味性遥 平台仿真复原了移动式压力容器使用场景袁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袁配合事故的进程增加了操作尧报警尧泄漏及爆炸等声效袁 让演练人员在视觉尧 听觉双重角度具有身临其境的感觉袁 达到刺激记忆的效袁奕雯院基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台17窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备果遥真实案例性遥平台所采用的案例均选取自真实事故案例袁 并根据常温型罐车和低温型罐车的不同特点分别设置袁 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遥 协同交互性遥平台基于科学计算袁在虚拟演练中设置人机交互所产生的不同后果袁 可以使交互中的各种指令得到即时响应袁 平台支持 2 个终端协同操作袁2 名用户可以在同一个虚拟场景内进行联合演练袁有助于实际操作中的协同配合遥操作安全性遥 平台可在虚拟场景下呈现出罐车爆炸等场景袁既满足参与者直观感受警示教育的需求袁又极大程度避免了演练过程中的人员伤亡和财产损失遥2移动式压力容器应急救援虚拟演练平台构建方法2.1VR 演练平台模块构成及运行移动式压力容器有汽车罐车尧罐式集装箱尧长管拖车尧管束式集装箱以及铁路罐车 5 个品种遥本平台作为应急演练平台袁 无法囊括所有工作场景下的不同具体做法遥 汽车罐车及罐式集装箱在移动式压力容器中数量最多袁应用最广袁且二者的差别仅在于是否有集装框架遥因此袁本应急演练平台以汽车罐车作为应急处置对象袁 同时根据介质特性的不同袁 选择常温型汽车罐车和低温型汽车罐车 2 种类型遥应急演练平台基于 Unity3D 游戏引擎和数字高程模型袁 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遥 根据虚拟应急演练的功能需求袁 平台预设了 2 种典型汽车罐车的 4 种典型事故袁 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袁 掌握正确应急处置技能遥移动式压力容器应急演练平台的总体设计布局见图 1遥演练人员进入移动式压力容器事故应急演练平台后袁进行三重选择袁可以自由选择教学模块和实操模块遥 可以选择充装人员和检查人员 2种角色遥 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遥 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袁体验不同场景尧不同角色的联系袁充分提升应急处置能力遥此外袁在应急处置实操模块还下设 2 种类型袁一种为基础处置版袁另一种为升级处置版袁无需选择袁演练人员随机进入模式袁可根据在教学版中学习掌握到的应急处置技能进行操作袁 客观上增加了演练人员应急处置的不确定性袁 同时增加了用户界面的倒计时模式袁更好地实现了人机交互袁从图 1移动式压力容器应急演练平台总体设计布局18窑窑心理上尧技能上对演练人员进行全面提升遥2.2VR 演练平台关键技术2.2.1VR 演练逻辑设计根据我国法律规定袁 移动式压力容器的使用主要是指其充装环节袁 因此应急处置场景的地域范围相对集中袁特指在充装区域内遥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袁 涉及的事件类型包括罐车介质泄漏尧 燃爆等袁从时间跨度上可细分为应急响应尧应急处置和应急恢复 3 个阶段遥鉴于 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袁 如果分别建模袁势必影响用户体验袁因此将时间空间浓缩在同一场景下袁通过细分操作细节袁将重点放在演练操作逻辑上袁完善流程步骤袁提高应急处置的真实性遥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遥第 6 期袁奕雯院基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台图 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19窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备对于低温型汽车罐车袁 基础版应急处置流程与常温型一致袁 但因低温型介质特性与常温型介质存在区别袁罐车结构形式也有所不同袁故泄漏处置过程也存在差异遥特别是升级版应急处置流程袁虽然都是堵漏袁 但需兼顾介质低温特性遥 低温型汽车罐车升级版应急演练场景逻辑设置见图 4遥图 4低温型汽车罐车升级版应急演练场景逻辑设置2.2.2VR 演练人物与任务根据 TSG R005要2011叶移动式压力容器安全技术监察规程曳咱14暂及其修改单的规定袁移动式压力容器充装使用中袁 主要涉及人员为充装人员和检查人员遥 因此袁本应急演练平台在角色选择上袁就确定为这些特定人员遥 实际工作中袁充装人员和检查人员的工作内容有交叉也有特定袁在参照法规并调研了实际工作后袁对充装人员和检查人员分配了较为细致的规定动作袁旨在使体验人员加深对岗位职责的理解袁能够在突发事件中更好地完成规定动作袁避免因分工不明确带来的不当操作遥整个应急演练平台将角色扮演渊RPG冤任务逻辑引入应急处置中袁 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袁 将演练与 RPG 游戏有机结合袁优化应急演练的体验感遥应急演练环节的教学模块采用文字尧 声音提示操作和报错通关制袁不限教学时间袁引导学习者获得通关体验遥如果选项错误或者步骤错误袁系统文字尧声音报错提醒 野再试一次冶袁不设限制次数遥 教学引导练习者按正确步骤完成所有体验袁 完成演练后系统文字尧声音提示野恭喜您完成了应急演练学习浴 冶遥 若倒计时间到袁尚未完成所有步骤袁系统文字尧声音会提示野对不起袁您没能完成本次救援袁现场即将发生爆炸袁祝您下次好运浴 冶袁系统将配合爆炸画面遥如果在倒计时内完成应急救援袁系统根据所用时间进行排名袁系统文字尧声音提示野恭喜你拯救了世界袁您获得了此次应急演练第 X 名浴 冶遥演练模块只有场景变化提示袁没有操作文字尧声音提示袁演练模块采用倒计时 UI 模块袁采用通过制和计时排名制袁激发参与者的竞胜心遥常温型汽车罐车基础版应急演练倒计时间为 60 s袁低温型汽车罐车基础版应急演练倒计时间为 120 s袁升级版应急演练倒计时时间均为 5 min遥 演练者为双人协同操作模式遥在基础版中可以选择报警袁 文字尧 声音提示野稳住袁救援马上就能到袁但您还得再练练冶袁演练结束遥 在升级版中袁完成堵漏后袁仍需要进行可燃气体浓度测定袁根据不同的选择结果袁会分别给出野堵漏成功冶尧野稀释可燃气体再测一次冶尧野堵漏失败尽快撤离冶等提示遥平台采用开放式结局袁 并非每一次应急处置都会获得成功袁 设定一定概率的应急处置失败的概率袁可增加体验者对应急演练的敬畏之心遥20窑窑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袁 现场场景的构建仍是重点之一遥通过实地采风袁根据移动式压力容器充装站的实景渊图 5冤袁选取其中需要使用的建筑物进行建模袁剔除同一场景下无关的建筑物袁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袁见图 6遥 对无需进行细节处置的部位袁可降低图像质量的精细程度袁 提高实景比例的精确性袁 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袁增强参与者的真实感遥第 6 期图 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袁 如罐车操作箱部位袁 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袁见图 7遥图 7 汽车罐车操作箱细节图应急处置物品的选取袁如穿防护服尧戴面罩尧拿灭火器尧拿堵漏工具及启动喷淋装置等袁通过手柄抓取方式实现袁见图 8遥图 8应急处置物品选取为建立更真实的介质泄漏和爆炸效果袁 利用Uni-ty3D 粒子系统咱15暂模拟移动式压力容器介质泄漏和火灾爆炸的特效袁见图 9遥 通过对目标对象进行外观特征分析并生成外观属性袁 分别设定泄漏扩散后画面雾化覆盖面大小袁 根据介质泄漏程度袁即画面雾化覆盖面大小确定下一步应急措施遥图 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袁平台充分考虑当下人们对电竞游戏的偏好心理袁通过采用 HTC VIVE PRO 专用套装袁演练人员除了能够实现传统 VR 虚拟情景体验外袁还能够实现沉浸式声效体验袁使平台趋于元宇宙化遥平台充分利用数字高程模型营造声光效果袁并将其代入演练袁增加应急演练人员的探索欲遥 例如通过背景音乐营造应急处置的紧张气氛遥 操作时若按下紧急切断按钮或者报警按钮袁会配合按键声尧警铃声遥 误操作时袁会有虚拟人物进行声音提示遥 若演练失败袁罐车会发生形态爆炸并配以爆炸声效遥 平台尝试从视觉尧 听觉 2 个层面对演练人员进行记忆加深刺激袁提升应急演练实战能力遥袁奕雯院基于虚拟实景技术的移动式压力容器应急演练平台21窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备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袁 开展移动式压力容器操作人员虚拟演练遥 首先充装人员切断充装按钮停止送料袁检查人员引导随车员等无关人员撤离到警戒线外遥充装人员立即开启紧急切断阀避免罐车继续泄漏袁 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袁紧急切断阀失效袁泄漏介质开始雾化画面袁进入升级处置场景袁选择应急处置装备袁检查人员在事发区域设立警戒线袁 充装人员准备带压堵漏袁堵漏完成判断堵漏是否有效袁测定可燃气体浓度袁完成演练遥本平台的特色在于处置结果为开放式袁 应急处置的结果允许为失败袁引导操作人员尽快报警遥操作人员中途随时可以报警求救袁 体现出生命至上的应急逻辑遥 同时演练中设置了处置失败现场爆炸的场景渊图 10冤袁起到增强事故警示作用遥图 10应急处置失败现场爆炸特效4结束语移动式压力容器应急演练平台通过 VR 技术设置虚拟场景袁 引导演练人员通过虚拟场景声光特效及文字提示完成人机交互袁 行为动作与结果不产生单一关联袁 实现移动式压力容器的应急处置演练袁激发参加应急演练人员的探索欲遥通过应急演练平台的多角色尧多场景尧多模式设置袁可实现移动式压力容器操作人员不受时间尧场地限制的多次学习袁 切实提升受训者的应急处置能力袁 增强移动式压力容器使用单位的应急演练效果遥通过应急演练平台教学模块下的竞时排名制与应急演练模块下的倒计时失效制来改变演练结局袁产生应急救援成功尧应急救援失败尧等待救援等不同结局袁改变固有演练势必成功的思维模式袁有助于培养演练人员对事故的敬畏之心遥参考文献院咱1暂质检总局关于修订叶特种设备目录曳的公告渊2014 年第114 号冤咱EB/OL暂.渊2014-10-30冤.https院/ of the general administration of qualitysupervision袁inspection and quarantine on the revisionof the catalogue of special equipment渊No.114 of 2014冤咱EB/OL暂.渊2014-10-30冤.https院/ 中华人民共和国特种设备安全法咱M暂.北京院法律出版社袁2013.Special equipment safety law of the Peoples Republicof China咱M暂.Beijing院Low Press袁2013.咱3暂张小兵袁张然袁解玉宾.我国应急演练管理研究新进展咱J暂.中国安全生产科学技术袁2016袁12渊10冤院68-73.ZHANG X B袁ZHANG R袁XIE Y B.New researchprogress of emergency exercise management in China咱J暂.Journal of safety science and technology袁2016袁12渊10冤院68-73.咱4暂 洪凯袁陈琦华.美国应急演练体系的发展与启示咱J暂.中国应急管理袁2011渊9冤院54-59.HONG 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