第4章 安全模拟仿真技术(安全信息工程)

主讲：杨应迪

安全信息工程E-mail:39330480@学时：44Del:1395546042014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24安全模拟仿真技术—模拟仿真—数值计算34安全模拟仿真技术—模拟仿真—天气预报44安全模拟仿真技术—模拟仿真—实物模型5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64安全模拟仿真技术—虚拟现实—电影特效74安全模拟仿真技术—虚拟现实—工艺演示综掘84安全模拟仿真技术—虚拟现实—灾害模拟94安全模拟仿真技术—虚拟现实—安全培训104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4.4虚拟现实技术学时：4114.1模拟与仿真基础——概念仿真：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。12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13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，发展到今天统称为模拟仿真。141)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152)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163)运算结果准确可靠只要系统模型、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174)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184.1模拟与仿真基础——为什么要进行模拟仿真便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。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。对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。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。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194.1模拟与仿真基础——适用模拟仿真解决的问题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。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。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。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。需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案20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：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。214.1模拟与仿真基础—基本原理性能相似：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。224.1模拟与仿真基础—基本原理环境相似相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。234.1模拟与仿真基础—基本原理相似模拟实验24仿真是一种数值计算技术是一种“人工”的试验手段在计算机上进行对系统状态在时间序列中的动态写照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25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．系统边界实体4.1模拟与仿真基础—常用术语26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．属性状态活动4.1模拟与仿真基础—常用术语274.1模拟与仿真基础—易混概念数值计算有效使用数字计算机求数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。284.1模拟与仿真基础—易混概念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。294.1模拟与仿真基础—易混概念数值模拟/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。30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314.1模拟与仿真基础——仿真分类系统模型物理模型半物理模型数学模型静态动态静态动态解析法数值法解析法离散连续面向事件面向时间面向进程系统模型的分类图324.1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。334.1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：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。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、经济数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。

344.1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：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

35364.1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。

连续系统仿真离散系统仿真离散系统仿真（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，在计算机上建立相应的仿真模型并运行和实验，称为离散事件系统仿真。36优化系统设计预测系统的性能和参数经济性，降低实验成本采用物理模型或实物实验，花费巨大。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。安全性，减少失败风险载人飞行器和核电站的危险性不允许。预测性，提高预测能力对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测的方法。（天气预报）复原性4.1模拟与仿真基础——仿真优点374.1模拟与仿真基础——计算机仿真存在的问题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。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。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。384.1模拟与仿真基础——应用领域394.1模拟与仿真基础——应用领域40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：模型描述的规范及处理仿真实验的执行与控制资料与结果的分析、显示及文档化对模型、试验程序、资料、图形的存储、检索4.2现代模拟仿真技术——仿真软件414.2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。42仿真软件分为仿真程序、仿真语言、仿真环境三个层次。仿真程序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。仿真语言为用户提供更强的仿真功能，用高级语言开发，面向用户。仿真环境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43计算流体力学(CFD)ComputationalFluidDynamics4.2现代模拟仿真技术——仿真软件444.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent454.2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——fluent可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛504.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——现场案例研究课题514.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——现场案例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主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计544.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例554.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例1绘图检查网格564.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例2建立求解模型574.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例3设置流体的物理属性584.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例4设置边界条件594.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例4设置边界条件604.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例5求解614.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例6显示初步计算结果624.2现代模拟仿真技术——仿真软件——fluent——案例6显示初步计算结果634.2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——案例67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——FDS684.2现代模拟仿真技术——仿真软件——MatlabMATLAB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：功能强大；简单易学；编程效率高。694.2现代模拟仿真技术——仿真软件——Matlab矩阵运算矩阵求解二维图形绘制三维图形绘制70随着仿真技术发展，对计算机仿真应用又有以下新要求。减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模。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71（1）改善建模环境采用模块化、结构化建模技术。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。（3）计算机仿真数据库（4）动画图形建模，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72分布式计算机仿真技术--协同计算基于网络环境的计算机仿真技术--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，大大加速人类社会信息化进程--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。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734.3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无法实施的问题大量方案比较选优不易为人们所了解的复杂的大系统有危险的现象无法重复的现象成本过高的现象744.3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；基于仿真技术的故障诊断；安全仿真训练等。754.3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。764.3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。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。774.3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。784.3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。79安元科技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：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：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：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80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81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4.3模拟仿真技术在安全中应用—案例—事故模拟仿真技术844.3模拟仿真技术在安全中应用—危险源事故后果分析85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上小孔泄漏模型储罐中的液体经小孔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86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4.3模拟仿真技术在安全中应用—扩散模型87压力容器物理爆炸计算模型点源化学爆炸的计算模型蒸气云爆炸（UVCE）计算模型沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）计算模型池火灾的计算模型喷射火的计算模型热辐射伤害准则冲击波毁伤准则4.3模拟仿真技术在安全中应用—火灾爆炸模型884.3模拟仿真技术在安全中应用—火灾爆炸模型894.3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。904.3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。914.3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博士论文92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93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4.3模拟仿真技术在安全中应用—爆炸在通风网络中传播1004.4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（virtualreality）安全应急预案三维仿真系统101安全应急预案三维仿真系统4.4虚拟现实技术102沉浸感(Immersion)：又称临场感，