第4章 安全模拟仿真技术(安全信息工程)

1、1主讲：杨应迪安全信息工程安全信息工程E-mail:学时：44Del:1395546042024 安全模拟仿真技术获取加工展示信 息非结构化时空分析多维分析可视化分析34安全模拟仿真技术模拟仿真数值计算44安全模拟仿真技术模拟仿真天气预报54安全模拟仿真技术模拟仿真实物模型6矿井通风网络图形绘制、解算与分析软件 自主软件4安全模拟仿真技术模拟软件74安全模拟仿真技术虚拟现实电影特效84安全模拟仿真技术虚拟现实工艺演示94安全模拟仿真技术虚拟现实灾害模拟104安全模拟仿真技术虚拟现实安全培训114安全模拟仿真技术主要内容4.1模拟与仿真基础4.2现代模拟仿真技术4.3模拟仿真技术在安全中的应用4

2、.4虚拟现实技术学时：4124.1 模拟与仿真基础概念仿真：仿真：就是建立系统的数学模型、物理模型或数学物理模型，并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。13模拟：就是利用物理的、数学的模型来类比、模仿现实系统及其演变过程，以寻求过程规律的一种方法。 4.1模拟与仿真基础概念14基本思想是建立一个试验模型，这个模型包含所研究系统的主要特点通过对这个实验模型的运行，获得所要研究系统的必要信息。4.1模拟与仿真基础概念 模拟侧重于软件，强调过程。仿真则侧重于硬件，仿真的重要工作是计算机。无论模拟还是仿真都与实验相关，整个实验叫仿真，而实验过程应该叫模拟，所以模拟仿真不可分割，发展到今天统

3、称为模拟仿真。151)模型参数任意调整模型参数任意调整 模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，使人们能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这正是计算机仿真被称为“计算机实验”的原因。这种“实验”与通常的实物实验比，具有运行费用低、无风险以及方便灵活等优点。4.1模拟与仿真基础主要特点162)系统模型快速求解系统模型快速求解 借助于先进的计算机系统，人们在较短时间内就能知道仿真运算的结果(数据或图象)，从而为人类的实践活动提供强有力的指导。这是通常的数学模型方法所无法实现 的。4.1模拟与仿真基础主要特点173)运算结果准确可靠运算结果准确可靠 只要

4、系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结果一定准确无误（除非机器有故障）。因此，人们毫无顾虑地应用计算机仿真的结果。4.1模拟与仿真基础主要特点184)实景仿真形象直观实景仿真形象直观 把仿真模型、计算机系统和物理模型及实物联结在一起的实物仿真(有些还同时是实时仿真)，形象十分直观，状态也很逼真。4.1模拟与仿真基础主要特点194.1模拟与仿真基础为什么要进行模拟仿真n便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。n可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。n对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确

5、求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。n对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。n模拟时间的可伸缩性、仿真运行的可控性、仿真实验的优化性204.1模拟与仿真基础适用模拟仿真解决的问题n难以用数学公式表示的系统，或者没有建立和求解数学模型的有效方法。n虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时计算机仿真可能提供简单可行的求解方法。n希望能在较短的时间内观察到系统发展的全过程，以估计某些参数对系统行为的影响。n难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究。n需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻

6、找最优方案21相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。4.1模拟与仿真基础基本原理几何相似：几何相似：根据相似原理把原来的实际系统放大可缩小。 几何相似是指原型与模型的外形相似，其各对应角相等，而且对应部分的线尺寸均成一定比例。224.1模拟与仿真基础基本原理性能相似：性能相似：构成模型的元素和原系统的不同，但其性能相似。相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。234.1模拟与仿真基础基本原理环境相似环境相似相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。244.1模拟与仿真基础基本原理相似模拟实验相似模拟实验25u 仿真是一种数值计算技术u 是一种“人工”的试验手段u 在计算机上进行u 对系统状态在

7、时间序列中的动态写照u 大多是随机性系统仿真4.1模拟与仿真基础仿真的实质及特点26系统系统一些具有特定功能相互之间以一定的规律联系着的物体所组成的总体为了限制所研究问题涉及的范围, 用系统边界把所研究的系统与影响系统的环境区分开来.系统的对象、系统的组成元素都可以称为实体系统边界系统边界实体实体4.1模拟与仿真基础常用术语27属性反映实体的某些性质，它可以是文字型、数字型或逻辑型系统的状态是指在某一时刻实体及其属性值的集合导致系统状态变化的一个过程为活动活动反映了系统变化的规律属性属性状态状态活动活动4.1模拟与仿真基础常用术语284.1模拟与仿真基础易混概念l数值计算有效使用数字计算机求数

8、学问题近似解的方法与过程，以及由相关理论构成的学科。数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、收敛性和稳定性等问题。294.1模拟与仿真基础易混概念l数值模拟 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。304.1模拟与仿真基础易混概念l数值模拟/仿真 数值模拟，指用数值计算方法来首先对物理场景的模拟，以研究一些实验仪器不易实现的物理现象。 数值仿真，指用数值计算方法实现对物理场景的仿真。比如，采用数值模拟的方法模拟核电站调试

9、。31问题描述与系统定义系统分析建立系统模型数据准备建立仿真模型验证、确认模型模型有效？计算机仿真运行分析仿真结果结果满意？实施仿真决策建立文档Y试验设计YNN4.1模拟与仿真基础仿真步骤建立模型 实验求解 结果分析 324.1模拟与仿真基础仿真分类系统模型系统模型物理模型物理模型半物理模型半物理模型数学模型数学模型静态静态动态动态静态静态动态动态解析法解析法数值法数值法解析法解析法离散离散连续连续面向事件面向事件面向时间面向时间面向进程面向进程系统模型的分类图系统模型的分类图334.1模拟与仿真基础仿真分类按模型性质分实物/物理仿真 物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物

10、理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。344.1模拟与仿真基础仿真分类按模型性质分数学仿真 数学仿真数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真优点是：方便、灵活、经济数

11、学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。 354.1模拟与仿真基础仿真分类按模型性质分半实物/物理仿真 半实物仿真半实物仿真半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学算机上加以实现；对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较

12、困难，则采用物理模型或实物；仿真时将两者连接起来完成模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物；仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验整个系统的实验 36364.1模拟与仿真基础仿真分类按研究系统的分类连续系统仿真（微分方程或差分方程）连续系统仿真（微分方程或差分方程） 连续系统的数学模型一般是用微分方程来描述的，模型中的变连续系统的数学模型一般是用微分方程来描述的，模型中的变量随时间连续变化。量随时间连续变化。 连续系统仿真连续系统仿真离散系统仿真离散系统仿真离散系统仿真（随机事件、随机函数）离散系统仿真（随机事件、随机函数） 系统的状态变化发生在随机时间点上，称为离散事件系统，在计算机上建立

13、相应的仿真模型并运行和实验，称为离散事件系统仿真。37n优化系统设计n预测系统的性能和参数n经济性，降低实验成本n采用物理模型或实物实验，花费巨大。n采用数学模型即计算机数学仿真可大幅度的降低成本并可重复使用。n安全性，减少失败风险n载人飞行器和核电站的危险性不允许。n预测性，提高预测能力n对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报）n复原性4.1模拟与仿真基础仿真优点384.1模拟与仿真基础计算机仿真存在的问题n仿真不是最优化技术，它只是针对各个不同的具体决策，通过反复实验比较得出一个较好的结论，但不能保证是最优的。n仿真仅仅是一种评价性的技术，不能自己产生决策，产生方案

14、。n在仿真实验运行中，通常要使用大量的随机数，这些随机抽样也会造成仿真的误差，这种误差在其它定量分析技术中一般是不存在的。394.1模拟与仿真基础应用领域404.1模拟与仿真基础应用领域41仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。功能如下：问题、面向用户。功能如下：模型描述的规范及处理模型描述的规范及处理仿真实验的执行与控制仿真实验的执行与控制资料与结果的分析、显示及文档化资料与结果的分析、显示及文档化对模型、试验程序、资料、图形的存储、检索对模型、试验程序、资料、图形的存储、检索4.2现代模拟仿真技术仿真软件42

15、4.2现代模拟仿真技术仿真软件仿真软件的发展程序编程阶段程序软件包阶段交互式语言阶段（仿真语言）模型化图形组态阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。出现了“应用子程序库”。仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。符合设计人员对基于模型图形化的描述。43仿真软件分为仿真软件分为仿真程序仿真程序、仿真语言仿真语言、仿真环境仿真环境三个层次。三个层次。是仿真软件的初级形式，只需要输入系统模型和参数即是仿真软件的初级形式，只需要输入系统模型和参数即可对特定问题仿真。可对特

16、定问题仿真。为用户提供更强的仿真功能，用高级语言开发，面向用为用户提供更强的仿真功能，用高级语言开发，面向用户。户。为用户提供的仿真界面，用户在此环境中进行编程仿真。为用户提供的仿真界面，用户在此环境中进行编程仿真。4.2现代模拟仿真技术仿真软件44计算流体力学(CFD)Computational Fluid Dynamics4.2现代模拟仿真技术仿真软件454.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent464.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent474.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent484.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent494.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent504.2现

17、代模拟仿真技术仿真软件fluentn可用于非常广泛的涉及流体运动的领域n航空航天n天气预测n舰船设计n汽车工业n能源工程n化学工业n生物工程n体育竞赛514.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent现场案例研究课题524.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent 现场案例534.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent 现场案例544.2现代模拟仿真技术仿真软件fluentn主要工作流程n几何描述n说明流动条件n选择计算的数学模型n说明初始条件、边界条件n网格生成n选择数值计算参数nCFD程序计算n流场结果的可视化分析处理n准确度估计554.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例564.2现代模

18、拟仿真技术仿真软件fluent案例l1 绘图 检查网格574.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l2 建立求解模型584.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l3 设置流体的物理属性594.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l4 设置边界条件604.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l4 设置边界条件614.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l5 求解624.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l6 显示初步计算结果634.2现代模拟仿真技术仿真软件fluent案例l6 显示初步计算结果644.2现代模拟仿真技术仿真软件Flacs气体扩散爆炸专业模拟

19、软件654.2现代模拟仿真技术仿真软件Flacs气体扩散爆炸专业模拟软件664.2现代模拟仿真技术仿真软件Flacs气体扩散爆炸专业模拟软件674.2现代模拟仿真技术仿真软件Flacs案例68大型超市火灾时人员安全疏散模型研究4.2现代模拟仿真技术仿真软件FDS694.2现代模拟仿真技术仿真软件Mat labMATLAB将计算、可视化和编程等功能集于一个易于使用的环境，并遇有如下特点：u功能强大；u简单易学；u编程效率高。704.2现代模拟仿真技术仿真软件Mat lab矩阵运算矩阵求解二维图形绘制三维图形绘制71随着仿真技术发展，对计算机仿真应用又有以下新要求。随着仿真技术发展，对计算机仿真应

20、用又有以下新要求。减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模。减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模。改进精度，包括改进模型建立的精度和试验的精度。改进精度，包括改进模型建立的精度和试验的精度。改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信，如图形输入与动画输出。的通信，如图形输入与动画输出。4.2现代模拟仿真技术仿真软件新要求72（1）改善建模环境 采用模块化、结构化建模技术。采用模块化、结构化建模技术。 如采用图形建模技术。如采用图形建模技术。（2）一体化仿真 将仿真过程步骤开发一体化环境。将仿真过程步骤开发一体化环境。（3）计算

21、机仿真数据库 （4）动画 图形建模，显示仿真结果直观。图形建模，显示仿真结果直观。（5）实现计算机仿真结果分析到建模的自动反馈。 4.2现代模拟仿真技术仿真软件发展方案73分布式计算机仿真技术分布式计算机仿真技术-协同计算协同计算基于网络环境的计算机仿真技术基于网络环境的计算机仿真技术-合作计算合作计算计算机科学技术与通信科学技术紧密结合，相互渗透，大大计算机科学技术与通信科学技术紧密结合，相互渗透，大大加速人类社会信息化进程加速人类社会信息化进程-全球化进程全球化进程新型元器件的发展，提高了计算机仿真系统的性能价格比。新型元器件的发展，提高了计算机仿真系统的性能价格比。计算机仿真技术产业化。

22、计算机仿真技术产业化。4.2现代模拟仿真技术仿真软件展望744.3 模拟仿真技术在安全中应用火灾模拟 爆炸模拟 泄漏模拟 扩散模拟 设计模拟 n无法实施的问题n大量方案比较选优n不易为人们所了解的复杂的大系统n有危险的现象n无法重复的现象n成本过高的现象754.3 模拟仿真技术在安全中应用石化行业石油化工安全评价和安全监控涉及工艺过程中的危险识别、风险评估、失效分析、事故预案、事故分析、故障诊断、安全检测与监控等多项内容，仿真技术其中的作用越来越重要。近十年来，仿真技术在石油化工安全领域得到广泛应用，主要体现在如下几方面：工艺过程内在危险的仿真；爆炸、燃烧、毒物扩散对环境影响的仿真；基于仿真技

23、术的故障诊断；安全仿真训练等。764.3 模拟仿真技术在安全中应用石化行业化工过程的模拟仿真 石油化工过程存在的危险主要包括：装置内部由于操作失误、控制系统故障或设备故障等非正常原因，导致物理、化学变化异常所引起的超温、超压或泄等危险，以及故障在流程中传播的不利后果。化工过程模拟技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行过程物科衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析，做出安全和经济评价。774.3 模拟仿真技术在安全中应用石化行业毒物泄漏爆炸、燃烧、扩散仿真 石油化学工业所特有的爆炸、燃烧、毒物扩散事故已成为现代工业灾害中最严重的灾害形式之一

24、。采用仿真技术建立泄漏扩散模型是用数学方法对化学物质发生泄漏时，其泄漏过程和扩散过程的物理描述。用于评价危险物质泄漏事故造成的灾害性后果。有害物质泄漏扩散模型是在大气污染、核尘扩散的基础上发展起来的。迄今为止。已经形成数以百计的泄漏扩散模型。应用这模型在安全分析中可以坝先进行风险定量评估。784.3 模拟仿真技术在安全中应用石化行业石油化工过程智能故障诊断技术 石油化工生产自身有很大的危险性故障诊断技术研究的是系统在非正常工况、甚至是在事故状态下的运行情况，在实际的流程装置上进行故障试验是不允许的。所以，建立一个用于故障诊断的仿真试验系统是非常必要的。该系统主要有以下的特殊作用： (1)过程系

25、统是大型工业系统流程复杂、投资巨大、生产连续性强，从经济利益和安全性出发不允许在现场进行与事故相关的试验，必须借助于仿真手段。 (2)可以用仿真作实际根本尤法作的试验，如超极限运行，毒物泄漏，火灾、爆炸事故的影响后果试验、装置破坏性试验等。 (3)仿真试验是建立在数学模型上的，可以方便地在线任意修改，特别适用于安全控制方案的选掸试验。 (4)系统仿真试验经济、安全、不受气象、场地和环境的限制。794.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术安元科技安元科技 本技术能够实现根据事发现场的气象条件和事发装置及物质的特性，利用事故模拟仿真数学模型动态的模拟分析出火灾、爆炸、毒气泄漏等重大事故

26、导致的危害影响范围，能够帮助领导科学的划定事故警戒和疏散范围，并判断和提示应启动的对应预案级别。 系统能够提供对重大火灾、爆炸及毒气泄漏事故进行模拟计算分析，如有毒有害气体发生泄漏时，事故扩散模拟能够根据风速风向模拟出有毒有害气体扩散速度及扩散范围，并对事态发展和可能事故后果进行三维模拟展示，以便为救援指挥能够提供依据。 同时，系统能够提供基于地理信息系统的人员疏散范围计算功能。通过毒气扩散模拟、火灾、爆炸计算的结果，结合地理信息系统中的人员伤亡情况分布和建筑物分布情况，得出需要进行人员疏散所涉及单位名称，并同时给出需要进行人员疏散的单位和部门名称、负责人姓名、联系电话列表。80安元科技安元科

27、技有毒气体扩散事故模拟模块：有毒气体扩散事故模拟模块：模块根据输入泄漏物质的名称、释放量、事故地点，自动匹配化学品的相对密度等信息，并自动结合当前气象和地理信息：如大气稳定度、风向、风速、空气湿度、绿化隔离带、地面粗糙度等相关参数，计算并输出的结果要包括：泄漏速度、下风向中毒危害距离、下风向可燃爆距离、危害距离内的最大浓度值、以及达到此浓度值的时间等。同时可以在GIS地图上动态显示泄漏扩散后果的覆盖面积。蒸气云爆炸事故模拟模块：蒸气云爆炸事故模拟模块：利用此模块输入事故发生地点、危险物质名称和总质量，可以自动匹配化学品的燃烧热等信息，并自动结合当前气象和地理信息：如大气压力、室内外人员密度等相

28、关参数，模块自动计算并输出结果包括：死亡半径、预计死亡人数、重伤半径、预计重伤人数等。沸腾液体扩展蒸气爆炸事故模拟模块：沸腾液体扩展蒸气爆炸事故模拟模块：模块中输入事故发生地点、危险物质名称和总储量、物质存储方式等信息，可以自动匹配化学品的燃烧热等信息，并自动结合当前气象和地理信息：如大气温度、人员密度等相关参数，能够自动计算并输出结果包括：死亡半径、预计死亡人数、重伤半径、重伤人数等。池火灾事故事故模拟模块：池火灾事故事故模拟模块：模块中输入事故发生地点、危险物质名称、池液质量等信息，可以自动匹配化学品的燃烧热等信息，并自动结合当前气象和地理信息，自动计算并输出结果包括：死亡半径、预计死亡人

29、数、重伤半径、预计重伤人数等。4.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术81安元科技安元科技4.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术82安元科技安元科技4.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术83安元科技安元科技4.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术84安元科技安元科技4.3 模拟仿真技术在安全中应用案例事故模拟仿真技术854.3 模拟仿真技术在安全中应用危险源事故后果分析86气体或蒸汽经小孔泄漏模型气体或蒸汽经小孔泄漏模型液体经管道泄漏模型液体经管道泄漏模型液体经管道上小孔泄漏模型液体经管道上小孔泄漏模型储罐中的液体经小孔泄漏模型储罐中的液体经

30、小孔泄漏模型两相流泄漏模型两相流泄漏模型4.3 模拟仿真技术在安全中应用泄漏模型87泄漏物质在大气中扩散的计算模型泄漏物质在大气中扩散的计算模型泄漏物质在水中的扩散模型泄漏物质在水中的扩散模型4.3 模拟仿真技术在安全中应用扩散模型88压力容器物理爆炸计算模型压力容器物理爆炸计算模型点源化学爆炸的计算模型点源化学爆炸的计算模型蒸气云爆炸（蒸气云爆炸（UVCE）计算模型）计算模型沸腾液体扩展蒸气爆炸（沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）计算模型）计算模型池火灾的计算模型池火灾的计算模型喷射火的计算模型喷射火的计算模型热辐射伤害准则热辐射伤害准则冲击波毁伤准则冲击波毁伤准则4.3 模拟仿真技术在安全

31、中应用火灾爆炸模型894.3 模拟仿真技术在安全中应用火灾爆炸模型904.3 模拟仿真技术在安全中应用煤矿 煤矿生产具有人员多、作业分散、设备设施多、分布面广、自然条件恶劣、不安全因素多、作业环境复杂等特点。自然灾害和生产事故的危险因索始终影响和制约着煤矿的安全生产。因此，在该领域中迫切需要新技术的应用。 矿井生产仿真系统的开发，可以构造出逼真的矿山工程三维空间环境。因此，要对矿井中用到的设备、设施及场景、人物角色等进行三维建模。人员可以通过人机交互、漫游、参与其间的活动，从而达到矿山作业人员安全教育和技术培训的目的。 914.3 模拟仿真技术在安全中应用煤矿矿井火灾和瓦斯爆炸的研究 矿井火灾

32、和瓦斯爆炸是井下工作人员所面临的主要灾害。矿井火灾的防治，首先要解决两个关键技术：灾害的数值模拟和灾害现象的真实描述。计算机技术的高速发展，使得在灾变条件下复杂通风网络的快速解算成为可能从而指导井下火灾发生时正确地控制风流确保井下人员安全撤出。防止火灾和有害气体、烟气的蔓延。我国在这方面已有较为成熟的火灾模拟软件。这类软件通过解算与火灾和爆炸物相关的数学模型，可以较准确地预测矿井火灾时期火区附近的温度、火风压及其他燃烧产物的实时分布情况。因此仿真技术为矿井火灾和瓦斯爆炸研究的可视化提供了重要手段，使这种研究进入了一个新的领域。应用仿真技术还可以快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种

33、事故发生的过程事故调查者可以从各种角度占观测、分析事故发生的过程，找出事故原因，包括系统设计和现场人员的动作行为。通过交互改变模型中环境的参数或状态，从而防止其他与此相关的潜在事战的出现。924.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文93瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播94瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播95

34、瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播96瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究博士论文4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播97瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播98瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播99瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究

35、4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播100瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究瓦斯爆炸对矿井通风网络的动力效应研究4.3 模拟仿真技术在安全中应用爆炸在通风网络中传播1014.4 虚拟现实技术虚拟现实技术是一种综合应用计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能等技术，制造逼真的人工模拟环境，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。定义（virtual reality）安全应急预案三维仿真系统 102安全应急预案三维仿真系统 4.4 虚拟现实技术103u沉浸感(Immersion)：又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。u交互性(I

36、nteraction)指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度。u构想性(Imagination)指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。 u多感知性（Multi-Sensory）：指除了一般计算机技术所具有的视觉之外，还有听觉、力觉、触觉、运动感，甚至包括味觉、嗅觉等。 4.4 虚拟现实技术基本特征104模拟与虚拟 模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以

37、认为仿真是种重现系统外在表现的特殊的模拟。虚拟是对真实的模仿，对训练过程的假想。 4.4 虚拟现实技术区别105虚拟现实与模拟仿真 虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。 在构建分布式虚拟环境的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。 虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不

38、但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。 4.4 虚拟现实技术区别106技术支持4.4 虚拟现实技术技术支持1074.4 虚拟现实技术关键技术n动态环境建模技术动态环境建模技术n立体显示和传感器技术立体显示和传感器技术n系统开发工具应用技术系统开发工具应用技术。n实时三维图形生成技术实时三维图形生成技术n系统集成技术系统集成技术108由于硬件的诸多局限性，使得软件的开发费用十分惊人，而且软件所能实现的效果受到时间和空间的很大影响，算法和许多相关理论也

39、很不完善。另外，人们对大脑和人类行为的认识还需进一步提高。 数据存储设备的速度、容量还十分不足，而显示设备的昂贵造价和它显示的清晰度等问题也没能很好地解决，为VR制造的大部分专用设备不但造价高、使用起来很不方便、效果有限，而且局限性很大，还不能达到人们的要求，更不能达到VR所定义的那种环境软硬件问题软硬件问题4.4 虚拟现实技术存在问题1094.4 虚拟现实技术在安全中应用n对出现的危险情况进行模拟对出现的危险情况进行模拟。n通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要的改进通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要的改进。n通过通过VR重现事故现场，分析事故原因重现事故现场，分析事故原因。n进行安全教育用进行

40、安全教育用VR技术进行现场模拟技术进行现场模拟。1104.4 虚拟现实技术在安全中应用对出现的危险情况进行模拟：对出现的危险情况进行模拟：在实际生产系统中，引发事故的原在实际生产系统中，引发事故的原因多种多样，人、机械、环境三要素中任何一个发生的随机事件因多种多样，人、机械、环境三要素中任何一个发生的随机事件都可能引发严重的事故，有很强的不可预见性。利用都可能引发严重的事故，有很强的不可预见性。利用VRVR技术，可技术，可以事先模拟事件的发生过程及可能造成的严重后果。以事先模拟事件的发生过程及可能造成的严重后果。通过虚拟现实针对模拟的情况进行必要的改进：可以对现场有更多的了解，采取措施进行改进

41、，如隔离、设置安全通道，设置警示牌，改进设计或改进现场布置等。111通过通过VR重现事故现场，分析事故原因：重现事故现场，分析事故原因：对已经发生的事故,根据现场的情况进行模拟，再现事故现场，以清楚了解事故发生的全部原因，杜绝同类事故的再次发生。4.4 虚拟现实技术在安全中应用用用VR技术进行现场模拟进行安全教育：技术进行现场模拟进行安全教育：让工作人员在虚拟环境中熟悉了解工作现场、工作程序及安全注意事项，直观生动，效果好。1124.4 虚拟现实技术在安全中应用矿山安全113矿山生产系统展示 矿山生产系统展示设计是虚拟现实技术在煤矿生产应用的一个重要方面。我国工程技术人员在进行矿山设计时，都是

42、在二维坐标系上进行的，如矿井开拓平面图、工程平面图、井上下对照图等。但是仅靠图纸他们很难清楚地了解煤矿的生产、运行等状况。基于仿真技术的矿山设计应用系统町以使设计者“所想即所见”。矿山系统虚拟设计可以即时生成工程师们设计的开拓、运输、通风、压排供等系统的三维虚拟模型，并且这些模型可以与设计者实现自然交互，可以任意选掸漫游路径。三维、交互式的矿井生产系统的布置状况及牛产工艺流程的展示使不熟悉矿井的人也能较容易直观了解整个矿井生产系统。4.4 虚拟现实技术在安全中应用矿山安全114u应用应用VRVR技术进行矿山生产环境的风险评价技术进行矿山生产环境的风险评价u应用应用VRVR技术进行矿山工作人员的

43、技术培训技术进行矿山工作人员的技术培训u应用应用VRVR技术进行事故调查技术进行事故调查u应用应用VRVR技术进行矿井火灾和瓦斯爆炸的研究技术进行矿井火灾和瓦斯爆炸的研究4.4 虚拟现实技术在安全中应用矿山安全115煤矿人员安全教育和技术培训 在矿业领域尤其是地下开采，工作环境比较复杂，对矿工的培训也相应比较困难，而新技术、新设备的不断引进，对矿工的安全教育和技术培训有了更高的要求。利用虚拟现实技术虚拟出井下各种复杂的作业环境，使被培圳者身临其境去体验和感受。并从中学会如何采取有效的应急措施去处理各种险情排除隐患。与传统的培圳模式相比既效果明显又节约成本而矿工索质的提高必将促进企业生产效益的提

44、高。4.4 虚拟现实技术在安全中应用矿山安全1164.4 虚拟现实技术在安全中应用矿山安全煤矿重大事故案例警示教育系统煤矿重大事故案例警示教育系统117 虚拟现实技术应用于反恐、紧急突发事件等公共安全问题，在国外已经开始广虚拟现实技术应用于反恐、紧急突发事件等公共安全问题，在国外已经开始广泛应用，但在我国基本还是空白。泛应用，但在我国基本还是空白。虚拟现实技术应用在反恐、突发紧急事件中，具虚拟现实技术应用在反恐、突发紧急事件中，具有明显的社会价值和经济价值，主要表现在：有明显的社会价值和经济价值，主要表现在：降低了演练成本；降低了演练成本；数字化技术提供了数字化技术提供了 丰富、丰富、多变的内

45、容；多变的内容；提供了长期、便利的提供了长期、便利的 训练训练方法；方法；可以反复分析、评估可以反复分析、评估强化了关键技能；强化了关键技能；培养了公众在危难时刻，培养了公众在危难时刻，救护和自保的能力。救护和自保的能力。4.4 虚拟现实技术在安全中应用公共安全118 虚拟现实技术用于建筑施工虚拟现实技术用于建筑施工安全管理。在虚拟环境中，建立安全管理。在虚拟环境中，建立施工场景、结构构件及机械设备施工场景、结构构件及机械设备等的三维模型（虚拟模型），形等的三维模型（虚拟模型），形成基于计算机的仿真系统，让系成基于计算机的仿真系统，让系统中的模型具有动态性能，并对统中的模型具有动态性能，并对系

46、统中的模型进行虚拟施工，根系统中的模型进行虚拟施工，根据虚拟施工结果验证其是否正确，据虚拟施工结果验证其是否正确，在人机交互的可视化环境中对施在人机交互的可视化环境中对施工方案进行设计和修改，找出安工方案进行设计和修改，找出安全隐患，制定安全防范措施，得全隐患，制定安全防范措施，得到优化设计方案，使到优化设计方案，使“预防为主预防为主”的标准化安全管理体系有了实现的标准化安全管理体系有了实现的基础。的基础。虚拟现实施工方案设计模式虚拟现实施工方案设计模式用户界面用户界面（项目管理工作）（项目管理工作）工程项目信息工程项目信息构建构建3D模型模型图形编辑、修改图形编辑、修改信息数据库信息数据库虚

47、拟环境虚拟环境编辑器编辑器可视化管理可视化管理施工方案施工方案资源管理、专家支持器资源管理、专家支持器危险源辨识危险源辨识结果库结果库4.4 虚拟现实技术在安全中应用建筑安全119 安全仿真技术始终贯穿于工程施工的整个过程当中，安全仿真技术在工程施工中的应用主要表现在以下几方面：施工设计阶段。施工工件动力学分析：如应力分析、强度分析：施工工件运动学仿真：如机构之间的连接与碰掩、施工工程全景漫游；施工培训阶段。施工过程虚拟培训；施工实施阶段。施工过程安全仿真；工程维修阶段。维修施工安全仿真。 (1)施工设计中的虚拟原型设计 虚拟原型是在CAD模型的基础上，利用仿真技术对工料的虚拟J泉型进行儿何、结构、功能、制造等方面交互的建模与分析。 (2)施工设计中结构破坏过程模拟 工程结构在各种外加荷载和环境作用下的各种反应，特别是其破坏过程和极限承载力是人们所关心的。计算机仿真试验可完全按足尺进行模型试验，不需缩小比例。当研究某些参数的影响时，只需修改几个输人参数，非常方便易行。 (3)施工设计中对岩石状况的模拟 岩土处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可把内部过程展示出来有很大的实用价值。 4.4 虚拟现实技术在安全中应用建筑安全120 (4)工程可视化 工程可视化仿真技术是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后应