王军 王卫宏 姜玮

摘  要： 为了提高实验室安全管理和监控力量，提供安全稳定的科研环境，充分利用VR技术的高度逼真模拟功能，设计实现了实验室安全事故应急处置系统。系统中各种传感器采集实验室环境信息，基于该信息VR系统装置构建实验室安全事故模型库，模拟实验室安全事故数值，并实现事故现场可视化重建。在此基础上，实验室安全监控装置实现事故报警信息分析、处理后，依据报警信息切断实验室内电源、启动排风系统、清空实验室内所有人员。同时VR系统装置将模拟的安全事故应急处置现场可视化重建结果发送到反馈控制装置，为事故应急处置提供可靠依据。经实验验证，该系统处置5次实验室火灾与爆炸事故的平均总用时为8.83 s，7.0 s，低于对比系统，应急处置效率高。

关键词： VR技术; 实验室安全; 事故应急处置; 可视化重建; 监控装置; 系统设计

中图分类号： TN082?34; G434                  文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）12?0122?05

Abstract： A laboratory security accident emergency disposal system is designed and implemented by making full use of the high realistic simulation function of the VR technology， so as to improve security management and monitoring forces of the laboratory， and provide a safe and stable scientific research environment. In the system， the laboratory environmental information is collected by various sensors. The laboratory security accident model library is constructed on the basis of the information VR system device， so as to simulate the numerical values of laboratory security accidents， and realize visualized reconstruction of the accident scene. On this basis， the power supply in the laboratory is cut off， the exhaust system is started， and all personnel in the laboratory are cleared out according to the alarm information after analysis and processing of accident alarm information implemented by the laboratory security monitoring device. The VR system device sends the visualized reconstruction result of the simulated security accident emergency disposal scene to the feedback control device， so as to provide a reliable basis for emergency disposal of accidents. The experimental results show that the average total time consumptions for the system to deal with five laboratory fires and five explosion accidents are 8.83 s and 7.0 s， which are lower than those of the comparison system， and the system has a high emergency disposal efficiency.

Keywords： VR technology; laboratory security; accident emergency disposal; visualized reconstruction; monitoring device; system design

0  引  言

實验室是为实验提供专门场地的场所，是科学发展不可或缺的重要场所，为国家、科研机构以及学校提供科技服务、培养人才、科学研究的必备场所[1]。实验过程需要用到大量仪器设备，以及品类众多的化学药剂，一些化学药剂存在易燃易爆、剧毒或高破坏性等危险。实验室所需环境存在较高差异，有些实验需要严格满足超高温、超低温、高电压、高磁力、高辐射等特殊环境要求。有些实验还会排放对生态环境或人类有危害的废水废气甚至剧毒物质。近年来实验室高发各种火灾、中毒、环境污染以及人伤等事故，不仅给国家、科研机构以及学校造成大量财力损失，还会对人员生命安全造成严重威胁[2]，因此实验室发生安全事故时，能快速有效应急处理事故，可降低经济损失。设计高效实验室安全事故应急处置系统，是目前急需解决的问题。虚拟现实（Virtual Reality）是集成人工智能、人机交互、CG技术、动态传感等多项高新技术的一种综合性技术。将VR技术用在实验室安全事故应急处置系统中，由计算机通过VR技术创造出三维空间虚拟实验室，为使用者模拟出对于实验室真实场景发生安全事故的听觉、视觉以及触觉感受[3]，用户通过设备交互操作虚拟实验室，提高实验室安全事故应急处置有效性。

1  设计实验室安全事故应急处置系统

1.1  系统总体结构设计

实验室安全事故应急处置系统由烟雾传感器、红外传感器、电化学传感器、压力监控传感器、温湿度传感器、电流电压传感器、声光、电话报警装置、实验室安全监控装置、VR系统装置、反馈控制装置、实验室安全监控中心、数据库与电脑、手机等终端等组成。系统总体结构图见图1。

图1  应急处置系统总体结构图

传感器用于采集实验室内各种异常情况信息：烟雾传感器、红外传感器采集实验室火灾信息;电化学传感器采集各种有毒有害、易燃易爆、化学物质（如氯化氢、一氧化碳、氨气、氯乙烯、氯气等）泄露信息;压力监控传感器采集实验室内各种存储有毒有害气体易燃易爆气体容器压力数据;温湿度传感器采集实验室各种设备异常信息[4];电流电压传感器采集实验室内各种带电设备电流电压信息。各类型传感器将采集到的实验室中不同监控信息，反馈给VR系统装置和实验室安全监控装置，实现室内安全事故的虚拟模拟和安全监控。

1.2  VR系统装置设计

VR系统装置在实验室安全事故应急处置系统中具体过程为：基于实验室内各种类型传感器采集的数据，通过3ds MAX等建模工具建立实验室基本模型，将实验室数据利用系统数据接口导入VR系统中，利用Vega视觉仿真工具模拟实验室内实际情况。VR系统装置结构图如图2所示。

图2  VR系统装置结构图

实验室安全事故数值模拟和事故现场可视化重建是实验室安全事故应急处置系统模拟需要解决的两个关键问题。为了解决此问题，需要先搜集国内实验室安全事故为主的事故模型，将这些事故模型编程，组成事故模型安全库。将不同传感器采集的实验室内有害气体浓度、氧气浓度、仪器温度、有害液体容量、引火温度、室内形状等参数引入模型内，计算出产生爆炸、火灾等事故的冲击波、破坏程度等数据，依据数据结果分析实验室安全事故对周围人员、设备以及环境造成影响[5]。利用几何语言PlaSM描述事故发生时场景变化，将场景变化编程为安全事故脚本。安全事故脚本中描述了实验室模型内各部位形变与粒子（烟气、火、水等）的运动变化，使安全事故通过播放脚本得以重现，进而实行最快速有效的处置方法[6]。

VR系统利用几何描述语言PlaSM重建实验室安全事故，将三维复杂场景动画通过建模、仿真与分析重现。几何描述语言与三维动画场景相结合的方法可以将复杂动画环境迅速定义与模拟，实现虚拟现实技术（VR技术）。通过粒子系统模拟实验室发生的火灾、爆炸、化学气体泄漏等事故，通过粒子时刻运动、改变形状的特征，将水、火、烟等模糊的事故状态展示出来[7]。

安全事故应急处置方案通过几何编程语言PlaSM描述，使事故應急处置现场可视化。VR系统装置将生成的安全事故应急处置现场发送到反馈控制装置，为应急处置提供良好方案。

1.3  实验室安全监控装置设计

实验室安全监控装置基于VR系统装置模拟实验室安全事故状态，实现事故报警信息分析、处理、传输，以及事故安全监控。该模块由输入接口单元、预警报警单元、中央处理单元、输出接口单元以及控制单元组成，具体结构图见图3。

图3  安全监控装置结构图

1） 通过VR系统装置将获取的实验室安全事故数值模拟信号发送到输入接口单元，开关输入通过输入接口单元同中央处理单元直接连接;当输入为模拟量信号时，将模拟量信号转换成数字信息才可以通过输入接口单元传送到中央处理单元。

2） 输入接口单元将收到的安全事故数值信号发送到中央处理单元，由中央处理单元逻辑判断与处理收到报警信号。中央处理单元接收数据达到设定报警值时，将报警信息发送到预警报警单元与反馈控制单元，反馈控制单元负责切断实验室内电源以及启动排风系统。

3） 中央处理单元将报警信息发送到预警报警单元后，预警报警单元马上启动声光与电话报警系统，清空实验室内所有人员。

4） 中央处理单元逻辑判断后的信号作为输入信号发送到反馈控制单元，反馈控制单元进行逻辑判断，若判断结果超过设定值，反馈控制信号切断实验室内电源并启动排风系统。

5） 中央处理单元将报警信号与系统状态最终发送到输出接口单元内，输出接口单元将报警信号与系统状态最终发送到远程服务器内。

2  系统软件实现

2.1  VR技术特点和系统开发过程

VR技术具有很强的感知性、交互性、想象性与真实的临场感。基于VR技术的实验室安全事故应急处置系统是一个智能平台，可以真实感知听觉、味觉、视觉与触觉等，系统中用户可以亲手操控设备，感受触摸物体，清晰看见三维立体场景，令使用者身临其境，仿佛置身在实验室环境内[8]。

通过3DConvert将3ds MAX所建立的三维实验室模型转化成3DSTATE引擎支持的格式，3ds MAX是非常有效的模型制作软件，虽然场景制作复杂，但真实感非一般建模软件所能比拟。三维实验室模型由3ds MAX建模完成后，调用3DSTATE引擎函数在VC#.NET环境下运行系统。利用虚拟摄影机的角度与移动程序，设计实验室安全事故应急处置系统。

2.2  系统功能结构图

系统功能结构如图4所示。

图4  系统功能结构图

设计系统软件时，先采用3ds MAX软件建立实验室内场景及实物三维模型。只有充分了解实验室内设备器具尺寸及各部分功能和实验室运动情况才能使模型更加真实。建立实验室模型之后可利用OpenGLAPI或World ToolsKit两种系统开发软件对模型进行系统设计。

系统对实施平台性能要求很高，实施虚拟仿真模拟的计算机需要强大的CPU、显卡与内存，需要通过工作站形式实现实验室环境的仿真模拟，应依据系统所需配备VR技术专业的输入设备与传感器，其中动作捕捉传感器是常用的一种传感器。为了使系统更逼真，令使用者感觉更真实，需要配备立体成像、几何曲面校正装置[9]、弧形屏幕、无缝投影、高性能显示头盔以及立体眼镜等高配置的配件。

2.3  系统子系统设计

为了提高实验室安全性，设计实验室安全事故应急处置系统，该系统包括图5所示的三种子系统：

1） 通过Director软件平台，采用VR软件构建实验室三维信息展示子系统，实现系统信息查询和显示，实现实验室设备检索、场景浏览和空间分析等功能，将其他功能模块的主要设备和参数通过三维动画形式呈现给系统管理员;

2） 应急预案演练和模拟子系统实现实验室安全事故应急处置的演练，提升应急处置效果。演练人员登录系统后，感受到高逼真模拟实验室现场，在该现场中开展实验室安全事故的应急处置;

3） 视频监控子系统包括CCTV和移动单兵两种功能模块，前者显示系统可见范围内实验室真实状态[10]，后者将视频和音频信号移动到实验室设备的任意点，如果设备出现故障，则将事故信号传输给反馈控制装置进行控制，获取完整安全事故应急预案。

图5  系统子系统结构图

3  实验分析

本文系统是基于VR的实验室安全事故模拟与应急处置的商品化软件，提供各种实验室安全事故统一接口，通过实验室安全事故模型库，自动生成实验室安全事故脚本，经过知识处理、运算数据以及分析三维空间后自动生成安全事故应急处置现场，提高了安全事故处置的时间与效率。为验证本文系统对某大学化学实验室安全事故应急处置的有效性，对比本文系统与OTRMNET系统和Petri系统各个指标，结果见表1。分析该表可以看出，相对其他两种系统，本文系统含有实验室安全事故分析模型，并且具有二次开发功能，可模拟火灾、危险品泄漏、爆炸等多种安全事故，能够用于实验室安全事故应急处置。

表1  各系统指标对比

将本文系统与OTRMNET系统和Petri系统模拟实验室发生5次火灾事故时应急处置总用时相对比，对比结果见表2～表4。

表2  OTRMNET系统处置火灾事故用时    

表3  Petri系统处置火灾事故用时  

表4  本文系统处置火灾事故用时    

通過表2～表4三种系统对比结果总用时可以看出，本文系统在应急处置模拟5次实验室火灾事故时总用时最低和最高分别为8.41 s和8.88 s，平均总用时为8.83 s，比其他两种系统的总用时低，并且本文系统进行实验室火灾事故发现、处置准备、现场处置以及事故后处理的时间都低于其他两种系统，说明本文系统进行实验室火灾事故处置的用时低、效率高。

将本文系统与OTRMNET系统和Petri系统模拟实验室发生5次爆炸事故时应急处置总用时相对比，对比结果见图6～图8。

对比分析图6～图8可得，本文系统在应急处置模拟5次实验室爆炸事故时平均总用时约为7 s，远远低于其他两种系统，并且处理爆炸事故的各项时间都远远低于其他系统。

图6  OTRMNET系统处置爆炸事故用时

图7  Petri系统处置爆炸事故用时

图8  本文系统处置爆炸事故用时

通过以上模拟实验室火灾与爆炸事故结果可以看出，本文系统对实验室安全事故应急处置速度快，极大地降低了室内事故的发生概率，确保实验室的安全。

4  结  论

本文设计基于VR技术的实验室安全事故应急处置系统，主要由各种监测传感器、报警装置、实验室安全监控装置、VR系统装置、反馈控制装置、实验室安全监控中心等装置构成。该VR系统装置设计了安全事故模型库，用户可自由增减与修改事故模型，扩展性良好，依据事故库内各种安全事故模型应急处置实验室安全事故，为事故的处置争取了宝贵时间。本文系统基于VR技术实现实验室安全事故应急处置主要体现在两个方面：VR系统装置依据各种传感器采集的实验室环境信息，模拟实验室安全事故数值，基于事故数值结果，实验室安全监控装置实现事故报警信息分析、处理后，将信息传输到声光和电话报警装置进行报警;VR系统装置通过实验室安全事故模型库，经过知识处理、运算数据以及分析三维空间后自动生成安全事故应急处置现场重建结果，反馈控制装置，依据重建结果制定事故应急处置方案。经多次实验验证，该系统对实验室安全事故应急处置速度快，可使实验室事故得到有效控制。

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