1、分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台第 20 卷第 3 期2008 年 2 月系统仿真JournalofSystemSimulationVo1.2ONo.3Fleb.2o08分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台柴象海,金先龙(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)摘要:针对公共场所突发灾难的特点,采用视景仿真技术和分布式系统架构 ,建立支持多用户协同的突发灾难应急响应虚拟演习平台.论述了如何对公共场所这一特殊环境进行仿真建模,并在该虚拟环境中实现分布式架构,以此为基础,建立灾难发生时的多用户协同演习预案,对相关人员进行培训.最后给出基于该平台的一个地铁站突发火灾虚拟演习应
2、用实例.关键词:虚拟演习;视景仿真;突发灾难;分布式协同;VRML中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1004731X(2008)03 一 o6o4 一 o4VirtualRehearsePlatformofLash-upResponseBasedDistributedCooperationParticipatedbyMulti-userCHAIXianghai,JINXianlong(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract:Basedonth
3、echaracteristicofparoxysmalcalamityinpublicarea,avirtualrehearseplatformoflashupresponse,adoptingscenesimulationtechnologyanddistributedsystemframeworkwasintroduced,supportingmultiusersparticipation,nwasresearchedhowtosimulateandmodelthepublicareasenvironment,andrealizedistributedframeworkinthescene
4、.Dependingonthis,acooperativerehearseschemeparticipatedbymultiuserswaspreparedwhencalamitybreakingout,andtrainthepeopleinterrelatedwiththecalamity.Aninstance,thevirtualrehearsesystemoffireinsubwaystationwasgivenbasedontheplatform.Keywords:virtualrehearse;scenesimulation;paroxysmalcalamity;distribute
5、dcooperation;VRML引言在公共场所人群密集地区将使火灾,爆炸,有毒气体泄露等事件造成更大的影响,因此如何有效控制上述事件的发生,最大程度的减少人员伤亡,具有非常重要的社会和经济意义.而 2003 年 SARS 疫情引起的公共危机,也反映出中国应急机制建设的不足.为了使公共突发事件应对系统有效运转,有必要对相关人员进行针对性的演习和培训,而有效的培训和虚拟演习将最大程度地降低突发事件中的人员伤亡和经济损失,因此有必要针对出入人群密集的公共场合及从事危险工作的人员进行安全培训.本文面向 2010 年将在上海举办的世界博览会,针对人群密集地区可能会发生的突发事件,如爆炸,有毒气体扩散,
6、火灾等进行建模和仿真,为突发事件应急处理决策层,医疗服务人员,消防救护人员,执法者,志愿者及普通市民提供先期的培训和虚拟演习工具,具有生动,直观和可视性强等特点,同时该项研究也将为从事危险工作的人员在紧急情况下采取的合理措施提供指导.收稿日期 l2006.11-14 修回日期 l2007.0326基金项目 z 国家自然基金重点项目(90612017)作者简介 z 柴象海 (1979.),男,山东济南人,博士生,研究方向为大规模复杂结构数值仿真及视景仿真;金先龙(1961.),男,湖北汉川人,教授博导,博士,研究方向为高性能计算和可视化计算,以及复杂系统的数值模拟仿真.1 虚拟演习平台概述1.1
7、 传统灾难演习模式存在的问题公共突发事件应对系统通常是包括公共卫生,突发事件管理,执法,医疗服务和第一现场应对人员(例如消防员,救护人员,志愿者等)在内的多维度,多领域的综合,联动,协作系统.通过实战方式进行演习和培训,将花费大量资金,牵扯到各有关部门,而且由于突发事件通常和人体安全相关,因此很难通过真实人体及人群进行试验,同时真实的爆炸,毒气扩散,火灾等试验也不符合环保的要求,具有不可操作性.1.2 虚拟演习系统研究概况国际上,特别是美国,自“9.11“事件后,加强了在突发事件应急响应方面的研究工作,相继开发出面向紧急事件处理决策层的 TOPOFF 软件 ,面向不同角色的演习与评估系统 AE
8、RS,面向救护人员的虚拟演习软件 BioSimMER“,同时针对爆炸,火灾,毒气扩散及地震等突发灾害在城市规划,虚拟演习及培训等方面展开了大量的研究工作并开发了相应的软件系统.目前国际上已开发出多个虚拟演习软件系统,并已成功应用于实际的虚拟演习培训,但目前国内在虚拟演习系统的实际应用方面还是空白.以上软件的开发与应用说明,在国际上已经开始对大规模杀伤性武器及自然,人为灾害进行虚拟演习与培训,虚拟演习与培训通常是基于不同突发事件的特点,面向特定人群?604?第 20 卷第 3 期2008 年 2 月柴象海,等:分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台Vo1.20No.3Feb.2()o8而展开的
9、.2 应急响应虚拟演习平台体系结构虚拟演习平台整合不同的响应单元(决策部门,执行部门和普通游客),集成不同的仿真工具,为各响应单元提供应急响应的学习,培训和虚拟演习平台,提高全民应急素质,降低突发事件的危害性;为公共突发事件的决策准备 ,应急评估,减轻损失和恢复公共秩序提供高科技平台.为上海世博会期间的城市安全和社会可持续发展提供理论指导和技术平台.应急响应虚拟演习平台系统架构如图 1 所示.系统以底层数据库为基础,对用户身份认证场景状态记录,演习过程及演习结果记录等提供数据支持;业务规则层定义分布式三维场景中用户替身行为,各客户端之间状态一致性规则及对参与演习人员的演习效果评价规则;协同预案
10、层对灾难演习预案提供支持,使演习过程能够有条不紊的进行,并作为演习评价的主要依据;另外,在系统集成框架下,提供可定制的个性化用户界面,用户可以自主定制自己的用户界面,增强系统的可操作性.图 1 应急响应虚拟演习平台系统架构应急响应虚拟演习平台采用了基于中间件技术的网络三层结构【2, 由 WebServer 提供客户端三维演习场景 ,并实现场景与虚拟演习平台数据服务器的数据交换.该技术可以实现客户端和网络服务器,数据服务器的分工协作,使大量的信息处理都分布在服务器端完成客户端场景浏览器只需处理一些与用户直接相关的信息及三维图形显示工作,从而加快客户端程序运行速度及数据访问速度,提高系统运行效率.
11、3 公共场所仿真建模VRML(visualrealitymodelinglanguage)是虚拟现实建模语言的缩写,它定义了当今 3D 应用中绝大多数常见概念 ,目前已经被认证为国际标准.采用 VRML 技术,通过引入透明贴图技术和粒子系统的支持,创建三维的虚拟演习环境,可以真实的模拟灾难现场的实际,再现爆炸,火灾,毒气泄漏的粒子扩散效果.,通过在场景中引入 VRML 技术的交互特性,使客户可以在场景进行与现实相一致的交互操作,从而更加增强演习的真实效果.3.1 三维场景建模三维实体建模应用 3DMax,UG,Creator 等工具进行场景的三维实体建模,从软件运行速度因素考虑,所建模型可以为
12、单个实体模型的多个文件.实体模型文件格式转换及优化处理应用专用格式转换工具,进行三维实体模型的格式转换;对转换后的模型进行节点编号,文件压缩;对经过处理的文件进行整合 ,拼装形成整体场景.,建筑,设备等实物图片获取及处理实地拍摄场景中可能用到的实体图片,每个建筑拍摄几个面的图片;对所获取的图片按照三维贴图的要求进行处理,并尽可能考虑贴图的光影效果.基于图片的三维建模应用上一步所处理的图片建立实体模型,实现仿三维效果,并与前面所建立的三维场景相集成.3.2 粒子系统再现灾难效果作为 VRML 标准的扩展节点,Particles 节点定义了功能强大的粒子系统,可以用来模拟如火灾,爆炸,毒气泄漏等复
13、杂的粒子效果,粒子效果可以与三维仿真场景紧密集成,共同构建真实的三维虚拟演习环境.应急响应虚拟演习平台通过数值仿真与视景仿真相结合,真实模拟火灾,爆炸及毒气在虚拟场景中扩散路径,评价各种灾难对乘客可能造成的危害,以及在模拟的灾难环境中,公共场所中所涉及的各角色人员的行为过程,以此确定最佳的行为及行动路线.3.3 实现用户与场景交互向三维场景中添加各种角色可能涉及的交互动作,尽可能模拟实际灾难发生时的整个动作过程.实现动作触发在需要交互的地方添加触发传感器,获取用户操作行为.设计并实现场景响应用户触发某个动作后,场景应根据用户的行为做出某些变化,如开门,按钮动作,指示灯指示的变化,火焰产生与消失
14、等灾难报警,抢救,逃生等相关动作.实现用户行为及操作的数据记录用户的每一个动作及操作根据业务规则层所定义的逻辑规则,以预先约定的格式,实时记入数据库,作为演习结果评估的依据 l3】.基于上述建模及交互实现方法,所建立的三维灾难场景,可以真实模拟灾难现场实际,再现实战演习方式中的现实场景,为虚拟演习提供一个良好的操作平台,基于数值仿真的粒子系统对火焰,烟雾,气体效果的再现,更为场景增加了特殊的灾难效果.t,4 虚拟环境分布式实现技术分布式协同工作环境要求分布在各地的协作者能够共第 20 卷第 3 期2008 年 2 月系统仿真VoI.2ONo.3Feb.,2008享相同的场景,并且还能够实时地感
15、知到其他协作者的工作状态及场景状态的变化.分布式协同工作环境需要具备以下功能:使用三维模拟,声音,动画构造真实世界,能很好地可视地模拟真实世界.多用户替身定义.用户替身作为场景的操作者,需要建立替身模型,实现替身与场景交互,并进行多用户替身之间的交互行为的定义.数据共享.虚拟环境中的数据需要在一定规则下被登录场景的用户共享.用户看到的是一个统一的视图,因为用户使用的系统可能是异构的,所以该系统应该具有平台独立性;场景一致性.用户必须通过一定的输入设备与场景进行交互,交互的结果可以引发场景状态属性的改变,这些改变需要保持各客户端的一致性.4.1 多用户替身定义用户在场景中的存在感是通过标识用户身
16、份的 3D 替身来实现的,替身的状态位置和方向标识了用户在场景中的视点,它是用户体验虚拟环境沉浸感的依据.因此,系统必须能够维护场景中的数据并能够将场景中的变化传递到各个客户端.同时,系统还必须能够将某一用户的行为请求通过服务器传递给对应的用户,并调用相应的行为机制实现替身间交互行为的动态控制.首先建立替身三维模型,人体由若干骨骼以及与骨骼相关联的关节组成,3DMax 软件提供骨骼建模模块,用以描述关节及骨骼模型,并定义其相互之间位置关系的变化,以此实现替身的运动,模型通过转换接口导入演习环境,作为演习平台中各角色的替身与场景进行交互.作为分布式多用户协同参与的虚拟演习平台,更加强调多个替身之
17、间的相互可视与交互.平台通过服务器对各客户端用户替身的身份认证,统一对替身状态进行管理,每一个客户端用户登录,向服务器发出登录请求,服务器批准请求后,记录该客户端用户替身登录状态,并以广播的方式通知所有在线的其他客户端,更改刚登录的用户替身状态,实现该用户替身在其他再现客户端的可视 H】.各客户端替身行为也由应用程序服务器依据业务规则层所定义的替身行为逻辑进行统一授权和状态管理,一旦某一用户替身在场景中的状态发生改变,服务器端通过行为逻辑所定义的规则,决定是否通知其他客户端,进行该用户替身状态的更新,实现多用户替身的协同动作.4.2 多客户端场景控制及一致性维护客户端通过 TCP/IP 协议下
18、的 JavaSocket 机制与服务器相联结,服务器负责监听和响应客户端的请求.用户通过浏览器连接到服务器后三维场景自动下载到客户端,Applet运行在浏览器的虚拟机中,而 VRML 文件通过浏览器插件解释并在浏览器中显示出来.场景中各实体状态在操作前后发生变化,通过服务器端 EAI 将这些信息从本地机器上的协同环境中提取出来,根据业务规则层所定义的数据发布规则,由服务器统一负责向哪些客户端进行广播,改变客户端的场景状态,实现多客户端场景的一致性维护【.对多用户操作的并发控制,采用优先级控制的方法实现.当个客户端用户按照不同的优先级存入数据库中,可以允许多个用户进入同一场景,当两个以上用户操作
19、场景中同一个物体时,根据优先级规则所定义的触发顺序,决定哪个用户对该物体进行有效操作.5 地铁站突发火灾虚拟演习系统地铁站突发火灾虚拟演习系统作为分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台的一个应用实例,提供三维仿真环境,在该环境下,各种身份的用户可以登陆获取相应的操作参数,并进行场景初始化;支持不同角色用户与场景的交互,通过用户的操作对场景进行改变,并记录用户的行为过程,作为演习评估的依据;支持分布式多用户之间的协同交互响应.系统将参与者置身于一个虚拟的突发事件场景中,要求参与者充分运用自己所学的应急知识和相关应急经验,进行突发事件的应急响应.要求各参与者协同配合,经历突发事件虚拟演习的全过程
20、,系统监控其对突发事件做出的反应,但是不对参与者的行为进行指导纠正,此外,能够对参与者在应急响应培训和虚拟演习中的表现进行全面评估,让参与者对自己的应急能力有一个充分的认识,也为其应急能力和应急素质的培养提供科学的方法和手段.5.1 虚拟演习系统环境构建地铁站一般包含地面,售票大厅和站台三层,三层之间通过楼梯或电梯相连接,地铁站站台层三维场景如图 2 所示,通过图中所示楼梯可以直接进入上层的售票大厅.图 2 地铁站站台场景模型首先由 VRML 标准所提供的基本及扩展节点,建立地铁站三层模型的框架.再由 ProE 和 3DMax 建立地铁列车,消防站务员等各类人员,消防设施,站务员室,长椅等大量
21、实物模型,将上述模型经专用转换接口“theBSExporterfor3dsmax“转换为 VRML 格式,并进行节点优化,链接进入地铁站三层模型框架.此外,以数值仿真结果为基础,还在场景中引入粒子系统,对火焰,烟气及喷淋效果进行扩展效第 20 卷第 3 期2008 年 2 月柴象海,等:分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台Vo1.2ONo.3Feb.,2008果模拟,以增强火灾灾难现场的真实感.VRML 与外部 JavaApplet 程序相结合,提供了与现实相对应的功能丰富的动画及交互功能,以此实现用户与场景的交互,建立用户替身并控制替身行为,建立多客户端共享场景的一致性规则并进行共享场景
22、状态一致性维护.为地铁站突发火灾虚拟演习提供一个真实的演习环境.5.2 添加各角色演习预案地铁站突发火灾虚拟演习系统要对地铁站公共场所人,童竺:竺】l!l!l 塑.f群高度密集地区的突发火灾事件进行应急响应虚拟演习,具,0 誊麓*?有演习空间小,演习涉及人员角色复杂,人群密度大,演习图 3 演习效果评估突发性强,指挥控制复杂等特点,因此,需要提供完善的演习预案的支持嘲.各种类型的参与人群提供应急响应的学习,培训和虚拟演习演习预案包含乘客,站务员,消防员三类人群,每类人平台,降低突发事件的危害性,减轻灾难损失和恢复公共秩群可以扩展多个角色,每个角色由预案定义其在虚拟演习中序,为上海世博会期间城市安全和社会可持续发展提供理论需要完成的任务.如消防队员根据不同职务,需要进行签到,指导和技术平台.火灾报警记录,火灾现场受伤人员搜救,组织地铁站滞留人分布式多用户协同参与应急响应虚拟演习平台具备开员疏散,抢救火势等工作,这些工作的执行过程都将记入数放性,集成性,通用性等特点,支持不同突发事件多场景多
