1、北 京 化 工 大 学硕士研究生学位论文题 目 基于虚拟现实的化工厂应急救援客观对象推理系统的研究与设计研 究 生 专 业 软件工程 指导教师 日 期: 年 月 日基于虚拟现实的化工厂应急救援客观对象推理系统的研究与设计摘 要石油化工的生产加工是我国国民经济的支柱型产业，在为国家创造价值、为百姓提供服务的同时，石化企业运作过程中难免会出现一些安全事故，这不仅影响了企业的正常运转，也降低了企业积极的社会影响力。对于安全生产事故的紧急处理方案一直是石化企业工作的重点，一般的实施办法是通过实地演练的模式来组织员工进行应急演练的培训。但这样的工作模式需要预先组织人员，协同不同部门的工作，制定标准演练流
2、程，从而导致实际演练过程往往过于单一且流于形式，无法有效提升员工素质。因此，企业迫切需要一种新的应急演练培训模式，使其不仅能够达到培训员工处理事故应变能力的目的，也能为企业节约时间、固有资源等成本。根据企业的实际需求，研究人员设计出不同的模拟仿真系统，包括案例专家系统、模糊专家系统、基于预案的推理系统等。这些仿真系统在一定程度上解决了企业的问题，但由于企业安全事故类型多样，因而需要花费大量的精力来根据不同的实际演练需求定制不出的仿真演练流程，或者仿真系统只能按照标准流程进行演练，无法从根本上解决企业训练员工处理不同类型的紧急突发生产事故应变能力的目的。在这样的背景下，本文提出了以客观对象为推理
3、节点的推理仿真机制。该机制的核心思想是不依赖于标准演练流程，将演练过程所用到的关键设备封装成独立的客观对象，客观对象自身状态的变化会导致其它对象的状态变化，从而产生一系列连锁反应，达到训练员工在真实事故发生情况下如何进行应急处理的目的。该客观推理机制具体的运作流程分为如下四步。首先，根据石化厂区真实设备运作关系建立不同客观推理对象的逻辑关系树，并将其以状态节点的形式记录在 XML 配置文件中；其次，客观对象推理机通过读取配置文件信息，构建以操作设备为对象的逻辑推演关系，包括正向推演、表达式推演、可逆推演和条件分支推理；再次，通过 luabind 连接客观推理机和脚本框架，以推理对象的状态为基本
4、单位，编写对应的设备执行流程内容的脚本文件；最后，基于通讯模块将逻辑推演结果包装成消息，发送给三维虚拟仿真客户端，达到推演结果动态显示的目的。本文提出的客观推理仿真机制已经在某石化企业罐区应用并取得显著效果。实际应用过程中，参演人员可以选择系统内置角色来完成现场指挥官指令的任务，其操作会直接改变关键设备的状态，客观对象推理机根据设备状态的改变来推导出不同的演练流程。客观推理机制提高了应急演练的适应性和多样性，同时结合虚拟现实技术将演练过程以三维影像的形式体现出来，增加了参演人员的沉浸感体验，对于提高石化企业员工处理突发安全事故的能力有积极的促进作用。关键词：虚拟现实，石油化工，应急救援，客观对
5、象推理系统THE RESERCH AND DESIGN OF OBJECTIVE INFERENCE SYSTEM OF CHEMICAL PLANT RESCUE BASED ON VIRTUAL REALITYABSTRACTPetrochemical production and processing is the pillar industry to our national economy. It makes contribution to the economy of country and providing services for many people. As we all
6、 know, it is difficult to avoid any accident for petrochemical companies during the operation, which not only affects the operation of enterprises, but also makes some negative impact to the enterprise. So the petrochemical enterprises focus on the emergency plan for safety accident, the general way
7、 is to organize employees to perform the training of emergency drill on the real field. This kind of model needs to pre-organize staff in different departments, and to establish the standard process, which always makes the process too single to enhance the quality of staff effectively. Therefore, it
8、s urgent for enterprises to find a new emergency drill training model, which can not only improve the ability of dealing with accidents, but also save time and other natural resources for businesses.According to the actual needs of enterprises, the researchers designed different kinds of simulation
9、system, including the case expert system, the fuzzy expert system, and reasoning systems which based on plans. To some extent, those simulation systems has already solved some business problems, but because of different kinds of safety accidents types ,enterprise must take a lot of energy to establi
10、sh various exercise depending on the actual demand. On the other hand, some kinds of inference simulation system can only be carried out in accordance with the standard process drill, which will not be able to meet the purpose of the enterprise to enhance the ability of their employees when they are
11、 dealing with different types of accidents.In this background, this paper presents a reasoning mechanism of the simulation which is based an objective object node for reasoning. The main idea of this mechanism is independent on the standard procedure, this mechanism will encapsulated this key equipm
12、ent into independent objective object, the states of objective object which changes itself that can lead to other states changes. Therefore, this can produce a series of chain reaction which can train employees to deal with an emergency in a real accident situation.The specific process of this mecha
13、nism can be divided into the following four steps. Firstly, according to the real equipment operations of petrochemical factory, we can create a reasoning logic tree of different objective objects, and put their state nodes into the XML configuration file; secondly, objective object inference system
14、 will build object logical relations of operating equipment by reading the configuration file information, including forward inference, expression inference, reversible inference and conditional branching inference; thirdly, we can connect objective inference system and script framework through luab
15、ind engine. And then we can write the script file of the equipment of perform process based on the states of objects; finally, the results of logical inference will be packaged into a message based on the communication module, and then sent to the virtual reality simulation client,to achieve the goa
16、l that inference results can be displayed dynamically.The simulation mechanism in this article has been applied in some petrochemical enterprise and achieved a remarkable results.In the process of practical application, real person can select virtual role in the system and perform the task of comman
17、der. His action will directly change the state of some key devices. According to the variation of device states, objective object inference system can lead to a series of different training processes. Objective reasoning mechanism can improve the adaptability and diversity of emergency drills. At th
18、e same time, the results can be displayed based on virtual reality technique which increased the immersive experience of participating personnel and improve the petrochemical enterprise staffs ability to deal with sudden accidents.KEY WORDS: virtual reality, petrochemicals, emergency rescue, inferen
19、ce system based on objective object目 录第一章 绪论 11.1 课题的研究背景 11.2 国内外研究现状 21.3 课题的主要工作内容 31.4 论文的组织结构 4第二章 关键技术研究与系统框架设计 72.1 关键技术研究 72.1.1 XML 和 TinyXML 72.1.2 Lua 和 Luabind 92.1.3 推理冲突解除策略 .102.1.4 虚拟现实仿真平台功能简述 .102.1.5 网络通信交互平台功能简述 .112.2 客观对象推理系统总体框架设计 112.2.1 系统总体框架设计思路 .122.2.2 客观对象推理系统运作流程 .152.
20、3 本章小结 16第三章 客观对象推理系统功能模块的详细分析设计 173.1 状态配置解析模块的详细分析设计 173.1.1 状态集合设计 .183.1.2 状态转移集合设计 .193.1.3 表达式集合设计 .193.1.4 表达式转移集合设计 .203.1.5 表达式 状态转移集合设计 .203.2 客观对象推理机模块的详细分析设计 213.2.1 正向推理机制设计 213.2.2 可逆推理机制设计 .223.2.3 表达式推理机制设计 233.2.4 条件分支推理机制设计 243.3 应急救援预案脚本模块的详细分析设计 253.3.1 推理机和 lua 脚本的协同工作机制 .253.3.
21、2 lua 协程和虚拟机 263.4 通信模块的详细分析设计 273.4.1 基于时效性和准确性选择通信协议 273.4.2 UDP 通信协议的实现基础 .273.5 本章小结 28第四章 客观对象推理系统功能模块的业务逻辑实现 294.1 状态配置解析模块的实现 294.1.1 实体对象的创建 294.1.2 实体的状态、表达式及其映射关系的创建 .314.2 客观对象推理机和 lua 脚本交互实现推理功能 .324.2.1 基于状态关系的协同交互推理功能的实现 324.2.2 基于表达式和条件分支关系的协同交互推理功能的实现 354.3 本章小结 38第五章 化工厂应急救援演练应用客观对象
22、推理系统的效果 395.1 基于污水处理事故展现四种推理机制效果 395.2 基于反应炉罐顶爆炸事故展现混合推理的效果 435.3 本章小结 45第六章 结论与展望 476.1 结论 476.2 展望 48参 考 文 献 49致 谢 51研究成果及发表的学术论文 53作者和导师简介 55ContentsChapter 1 Introduction.11.1 The research background of this paper .11.2 Research status21.3 The main work of this paper .31.4 Paper organization.4Ch
23、apter 2 Research On Kernel Techniques And Design On System Framework .72.1 Research On Kernel Techniques.72.1.1 XML and TinyXML.72.1.2 Lua and Luabind 92.1.3 Remove conflict strategy102.1.4 The main function of virtual reality platform 102.1.5 The main function of network communication platform .112
24、.2 The overall framework design of inference system based on objective object.112.2.1 The overall design thinking of system framework.122.2.2 The operating process of inference system based on objective object.152.3 Chapter summary 16Chapter 3 The Detailed Analysis And Design Of Function Modules Of
25、Inference System Based On Objective Object.173.1 The detailed analysis and design of state configuration module.173.1.1 The design of state set 183.1.2 The design of state transition set193.1.3 The design of expression set 193.1.4 The design of expression transition set 203.1.5 The design of transit
26、ion set based on expressions and states.203.2 The detailed analysis and design of inference module213.2.1 The design of forward inference mechanism .213.2.2 The design of reversible inference mechanism223.2.3 The design of expression inference mechanism.233.2.4 The design of conditional branching in
27、ference mechanism.243.3 The detailed analysis and design of script module based on emergency rescue.253.3.1 The cooperative work mechanism of inference module and script module.253.3.2 The coroutine and virtual machine of lua script.263.4 The detailed analysis and design of communication module273.4
28、.1 The choice of communication protocol based on timeliness and veracity.273.4.2 The foundation of realization of UDP communication protocol .273.5 Chapter summary 28Chapter 4 The Business Logic realization of Function Modules Of Inference System Based On Objective Object.294.1 The realization of st
29、ate configuration module 294.1.1 The establishment of entity object .294.1.2 The establishment of states, expressions and transition set .314.2 The realization of inference function based on inference module and script module 324.2.1 The realization of inference function based on cooperation of stat
30、es relationship 324.2.2 The realization of inference function based on cooperation of expressions and conditional branch relationship .354.3 Chapter summary 38Chapter 5 The Effect of Chemical Plant Emergency Rescue Drills applies Inference System Based On Objective Object395.1 The effects of four in
31、ference mechanism based on sewage treatment accident .395.2 The effects of mixed inference based on reactor tank explosion accident435.3 Chapter summary 45Chapter 6 Conclusion and outlook 476.1 Conclusion.476.2 Outlook48References49Acknowledgements51Research Achievements And Published Papers53Introd
32、uction Of Author And Supervisor55第一章 绪论1.1 课题的研究背景化工生产作为国民经济的基础一直备受关注，从建国初期大规模建立化工厂进行工业生产开始，时至今日，不仅部分化工设备因服役年限过长而老化，而且化工生产过程却变得更加精细和复杂，如若此时操作工人进行施工作业时操作不当，那么极有可能对环境造成污染，更糟糕的情况则会威胁到人民生命财产的安全。为了把灾害造成的损失尽可能降低，石油化工企业领导人高度重视化工生产过程中的安全问题，不仅制定了各项标准操作流程和问责制度，而且积极组织工作人员进行实际的应急救援演练，以提高员工对灾害的应急处理能力。一般而言，安全部门会协
33、调车间、调度室、中控室、外操间等多个场所的员工，集中开会针对某一类灾害指定标准应急救援预案，然后再规定时间地点，由指定的人员进行制造灾害、拉响警报、现场消灭灾害、签到开会总结等流程 1。虽然企业传统的应急救援培训模式在一定程度上有利于降低灾害损失，但已经无法方便快捷地提高所有员工处理不同类型安全事故的应急救援能力的目的，主要体现在：应急演练受限于时间和资金成本，不能随时随地演练；需要各部门专门指定人员参与演练，无法对所有人员进行训练；每次演练的参演人员只是按照标准流程完成自己的任务，以致于无法应对其它类型的灾害。针对这样的情况，结合新时代计算机辅助工业生产和管理的宗旨，研究人员开始用计算机领域
34、解决问题的思路来帮助企业建立员工辅助训练系统。典型代表是：基于规则知识的推理系统 2、基于案例的推理系统 3，基于有限状态机的推理系统 4-5等。这些推理系统要么只是以输入输出的简单问答形式来培训员工，演练过程不具有连贯性；要么是根据某一类型的灾害进行标准流程的推演，当灾害类型变化时，就必须重新编写计算机能识别的预案流程来适应变化。由于已经存在的计算机辅助训练系统并无法满足石化企业的切实需求，所以本文提出了以客观对象推理基本单位的推理系统。该推理系统以石化厂区运作过程中的关键设备为对象，建立不同对象之间的逻辑推导关系，演练过程中只要关键设备的状态发生变化，就有可能导致不同的演练流程，从而避免了
35、特定任务只能由特定参演人员完成的限定，同时摆脱了演练流程必须根据既定预案进行推演的限制，让参演人员能体会到灾害类型的多样性，从而达到训练参演人员对不同类型灾害的应急处理能力。1.2 国内外研究现状安全生产不论在任何时候都是人们关注的重点，尤其对于突发事故的应急救援处理方案，更是直接关系到人民生命财产的安全 6-7。应急救援演练的目的是为了迅速让参演人员熟悉演练流程，掌握救援技能，减少实际救援过程的损失。随着计算机技术的快速发展，传统的实战演练类型的应急救援已经无法满足企业的需求，研究人员致力于利用虚拟现实技术，将现实世界对象投影到计算机虚拟世界中，让用户产生强烈的沉浸感 8以达到训练员工救援能
36、力的目的。虚拟现实技术与传统应急救援相结合，使得员工的训练工作不受时间、地点或者天气条件的限制。虽然虚拟现实技术能够实时显现救援流程的进度，对于提升员工救援能力有很大帮助，但作为一种表现手段，其内部需要具有复杂逻辑关系推演功能的模块来改变模拟演练的流程，这便是本文所设计的推理机所应当完成的功能。作为应急救援演练的核心模块，推理机的任务是按照已经完成的状态信息演算出接下来需要执行的演练状态。目前，国内外对于应急救援方向的推理机制研究有以下成果。1. 基于条件产生式的专家系统 9-10这种类型的专家系统是以条件结果为根本评判依据，将实际演练过程中所有的情况都以 if-then 的形式进行规则库的存
37、储。匹配的过程则是根据输入的条件在规则库中进行匹配，匹配成功则将新产生的结果作为已知条件存储来更新知识库。如果已知条件过多，导致符合多个 if-then 产生式规则，那么就要选择合适的冲突消解策略来保证至少有一个产生式被执行。这类系统通常承担着辅助人工进行应急救援策略制定的任务，当灾害发生时，指挥人员可以利用这类专家系统，通过输入灾害发生时的特定环境因素，读取预先制定的推理规则，这样可以在最短的时间得到最优解决方案，从而辅助指挥官进行对救援工作进行人力资源分配。2. 基于案例的专家系统 11由于条件产生式专家系统规则库需要将所有可能涉及到的救援过程都以 if-then的形式预先存储，规则库构建
38、难度过大，并且可能由于缺少条件而造成推理的死锁。因此，研究人员以面向对象的思想设计实现了基于案例的专家系统。这类系统的特点在于规则库中存储的都是不同的事故对象，研究人员将实际的事故按照时间、地点、天气等属性进行描述存储。案例匹配的过程就是对这些属性进行模糊匹配的过程，这样有利于指挥官快速找到同类型事故及其应急处理方案，从而能够辅助指挥官进行救援工作的部署。3. 基于固定预案流程的专家系统 12以上两类专家系统的根本用途还是在于辅助指挥官对事故现场进行救援工作的部署，但却没有考虑到对普通参演人员的训练。而在实际救援过程中，救援人员的灾害处理熟练度和应变能力会直接影响应急救援结果。正是出于这样的考
39、虑，研究人员摒弃了依据规则的推理机制，预先将救援流程编制成标准预案，通过状态节点推理的机制，指导参演人员按照指定的步骤完成应急救援演练，同时利用虚拟现实技术将演练的推理过程实时呈现出来，从而快速有效地培养救援人员的职业素质。这类专家系统虽然具有培训不受时间地点限制、适应性和用户沉浸感强等特点，但由于演练流程必须按照预先定制的标准流程执行，所以演练过程中常会出现状态无法推进的情况，对于多事故类型的企业适用性并不强。在综合了以上三种推理机制的优点后，本课题将虚拟现实技术、应急救援方案、客观对象推理机制结合起来，使救援流程的推演基于触发式的设备状态的改变，参演人员的不同操作就可能推演出不同的应急救援
40、流程，以此来提高参演人员对于突发事故的应急处理能力。1.3 课题的主要工作内容根据石化厂区的实际项目需求，在进行需求分析和系统设计的同时考虑到系统的扩展性 13-15。采用客观对象推理机和脚本紧密结合的开发方式，客观对象推理机负责不同设备状态之间逻辑关系的建立，脚本负责每个设备的每个状态中的具体执行任务的编写工作 16-17。这样的开发模式在系统升级时，只需要对新增设备添加逻辑推导关系以及对应的不同状态内的执行语句序列，而不需要改变项目整体的代码框架，不仅提高了系统的稳定性，也缩短了系统升级所花费的时间周期。本课题所做的主要工作内容分为以下几个方面：1. 客观对象推理系统的正向推理机制本文所提
41、出的正向推理机制是以客观对象为载体进行逻辑关系树形模型的建立，不同设备维护自身的状态信息，当受到外界因素影响而改变了自身状态时，推理机轮询是否有某个设备的某个状态满足状态迁移的条件，从而决定是否从一个状态推导到另一个状态。这种状态迁移的具体表现可能就是阀门变成打开状态，从而导致物料罐周围的喷淋阀开始喷水。2. 客观对象推理系统的表达式推理机制若想实现客观对象之间的状态迁移，不仅要保证客观对象关联的前置客观对象的关键状态已经完成，还要保证此客观对象本身的触发条件得到满足。对于客观对象自身执行条件的约束，便是表达式推理的本质作用。这种推理机制不是作用于设备A 到设备 B 的转移，而是用于限制设备
42、A 自身运转所要达到的条件。如物料罐材质必须达到着火点才会产生火焰。3. 客观对象推理系统的可逆推理机制可逆推理机制是为了防止救援过程中，救援人员因疏忽大意而做出的并非本意的设备操作。由于在客观对象推理的过程中，任意设备的状态改变都有可能导致其它设备产生变化，因而设计这样一种可逆推理机制十分必要，有助于在操作人员进行错误操作后，仍可以通过这种机制返回到上一个安全状态，增加了救援演练的适应性。4. 客观对象推理系统的条件分支推理机制 区别于正向推理机制可以同时触发多个救援流程，条件分支推理机制用于同一时刻之后，只能产生一个救援演练流程的情况。这种机制主要用于对关键设备状态改变后的救援流程分支的选
43、择问题中，参演人员对于设备运行状态的改变最终会与预先制定的 pattern 值进行匹配，只有匹配值为 true 时，这个演练分支才有被推导的可能。5.化工厂应急救援客观对象推理系统的设计与实现根据对石化厂区设备运转逻辑关系进行需求分析，同时考虑系统日后升级换代过程中的时间成本和程序健壮性，采用面向对象的模块化编程思想，整体的客观对象推理系统分为四个模块，分别为：状态配置解析模块、客观对象推理机模块、应急救援预案脚本模块、通信模块。本系统先通过状态配置解析模块将 XML 文件中的信息建立客观设备的逻辑推导关系树；接着再通过客观对象推理模块轮询检查状态集合并执行所有满足条件的状态；然后通过 lua
44、bind 实现脚本和推理机的交互通信，完成救援演练的执行和挂起；最后，利用通信模块将推理结果发送给应急救援三维仿真部分，实现推理结果的实时显现功能。本文提出的基于客观对象的推理机制，在一定程度上解决了石化厂区对于现存系统中编制不同应急救援预案脚本的困难。系统初期需要根据石化厂区的设备运转关系和数据建立庞大复杂的客观对象逻辑推演关系树，之后的演练流程是根据每一次演练过程中参演人员的实际操作而动态触发的，因而有利于提高参演人员对不同灾害的应急处理能力，同时也增加了救援演练的多样性和适应性。1.4 论文的组织结构本文的基本框架分为以下六个部门，对每个章节的概括性描述如下所述：第一章 绪论概括性地交代
45、了本课题的研究背景、国内外研究现状和课题的主要工作内容。本课题是根据石化厂区需要提高员工应急救援水平的实际需求，结合计算机虚拟现实技术、推理机制，从而完成基于虚拟现实的化工厂应急救援客观对象推理系统的研究设计与实现。第二章 关键技术研究与系统框架设计主要是对本课题涉及到的理论知识和应用技术进行简单的介绍，并说明选择这些技术和理论的原因及优点。本课题在不同的模块实现中分别采用了XML、TinyXML、LUA 、 Luabind 以及 UDP 传输机制等技术。以这些关键技术为基础，根据石化厂区提出的需求，对系统的整体框架进行总体的分析和设计，考虑到系统的扩展性，采用模块化变成思想，将功能划分为不同
46、模块，由模块构成整体运转的系统。本课题所设计的系统共有四个模块，分别为：状态配置解析模块、客观对象推理机模块、应急救援预案脚本模块和通信模块。第三章 客观对象推理系统功能模块的详细分析设计主要对各模块需要完成的功能进行划分，并根据划分结果，选择相关领域合适的理论和技术对模块功能进行详细设计，以方便后期实际开发的模块定性工作。如：对于状态配置解析模块，该模块的功能是制定特定格式的 XML 配置文件，从而让客观对象推理机能够读取文件来构建逻辑关系推导树，因而需要提前对设备进行分类，从而将不同设备放置在不同的 XML 节点下。第四章 客观对象推理系统功能模块的业务逻辑实现主要是通过算法流程图、类的继
47、承关系图和功能的核心实现代码来描述不同模块的具体实现策略。这一章节是基于各模块分析与设计的结果来进行实际开发，将结果描述中的共性部分抽象成类，以类之间的关系来描述实际功能之间的关系。第五章 化工厂应急救援演练应用客观对象推理系统的效果结合实际的石化厂区罐体顶端爆炸的应用实例，展示客观对象推理机的触发条件和推导结果，由此进一步说明该系统对于提高员工应急救援水平的积极意义。第六章 结论和展望对本课题的创新点进行总结性的描述，说明系统所能应用的场景和条件，并对系统中有待改进的问题和未来发展方向提出个人见解。第二章 关键技术研究与系统框架设计基于虚拟现实的化工厂应急救援客观对象推理系统是应用于化工厂救
48、援模拟演练的任务流程推理的系统，目的是满足化工企业快速提高员工应急救援能力的目标。为了达到这样的目标，就要求系统具有良好的扩展性，从而满足快速构建救援过程推理模型的需求。因此，本章结合化工应急救援演练过程中的实际问题，先分别阐述了解决这些问题所需要用到的关键技术，并对其特性进行简要的分析。然后以此为基础，提出了客观对象推理系统的总体框架，同时阐述了在此框架下，客观对象推理机完成应急救援演练任务推理的整体流程。2.1 关键技术研究推理系统的设计开发过程中，首先就需要考虑如何建立不同客观对象的逻辑关系，也就相当于知识库的构建。由于推理过程中会涉及到不同状态的转移，而且还要考虑不同类型状态的扩展性，
49、因此本课题选用 XML 数据格式来构建推理机运行所必须的知识库，同时利用 TinyXML 开源引擎对知识库进行存储和读取。其次，本课题设计的推理机是以状态为推导节点，但状态中可以包含若干执行语句，这项功能是由lua 脚本负责完成的，而 lua 脚本和推理机之间的通信功能是由开源引擎 luabind 提供的。选择 lua 是因为其执行速度快，且 lua 的协程机制可以很好地与多线程机制相互配合，保证应急演练按照程序可控的先后顺序执行。接着，考虑到推理过程中可能有若干相悖的状态都得到执行权，所以引入冲突解除策略来保证演练推理流程的正常执行。最后阐述了虚拟现实仿真平台和网络通信交互平台的基本功能，本课题依托于这两个平台实现推理效果的展现。2.1.1 XML 和 TinyXMLXML 是一种简单灵活的文本数据格式 18-19，最初是为了满足大规模电子出版印刷的需要而设计，经过多年的发展，现在已经成为不同平台不同系统上进行不同类型数据交换的有效手段。和 HTML 一样，XML 也是基于 DOM 模型 20（即：文档对象模型 Document Object Module）来进行信息数据的存储和传输。这样一种模型支持自定义标签定义功能，从而很容易区分数据的属
