李 磊

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

石化行業(yè)的迅猛發(fā)展為社會經(jīng)濟帶來巨大推動作用的同時，也給火災(zāi)、爆炸、泄漏等事故的應(yīng)急處置帶來新的挑戰(zhàn)。石化行業(yè)事故具有現(xiàn)場復(fù)雜多變、救援難度高、易造成人員傷亡等特點。在石化行業(yè)發(fā)生的各種事故中，事故現(xiàn)場具有高度復(fù)雜性和不確定性，應(yīng)急救援過程普遍存在因現(xiàn)場環(huán)境信息掌握不全面、專業(yè)知識不足、應(yīng)急處置不當(dāng)而引起的二次傷害的問題，給人員、財產(chǎn)帶來不必要的損失。2015年8月12日，天津濱海新區(qū)危險品倉庫發(fā)生特別重大爆炸事故，事故現(xiàn)場特別復(fù)雜，共造成165人死亡，其中消防人員99人[1]。同樣是8月12日，1989年黃島油庫發(fā)生特大火災(zāi)爆炸事故，19人死亡，其中消防人員14名。近年來，隨著無人機技術(shù)、光電技術(shù)的不斷進步，基于視覺的三維重構(gòu)技術(shù)迅速發(fā)展，使得對事故現(xiàn)場快速構(gòu)建，基于現(xiàn)場情景應(yīng)對的應(yīng)急救援決策成為可能[2]。

針對石化行業(yè)生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建石化三維模型庫，提出了一種基于石化模型庫的無人機傾斜攝影事故現(xiàn)場三維快速構(gòu)建方法，利用無人機快速獲取預(yù)定區(qū)域的遙感影像，基于多影像聯(lián)合平差技術(shù)完成場景的影像標(biāo)定，基于石化模型庫使用的多視影像匹配算法重建場景的稠密點云，對點云進行曲面擬合和紋理映射[3]，從而完成預(yù)定區(qū)域的三維可視化，實現(xiàn)事故現(xiàn)場三維場景高效構(gòu)建。指揮人員根據(jù)事故現(xiàn)場三維數(shù)字化情景，全面掌握事故發(fā)生、發(fā)展、演變過程，開展基于“情景-應(yīng)對”的事故應(yīng)急推演。

1 石化三維模型庫構(gòu)建

分析發(fā)現(xiàn)石化行業(yè)模型具有標(biāo)準(zhǔn)性、規(guī)則性、重復(fù)性等特征，基于石化行業(yè)模型的特性，開發(fā)了一套面向石化領(lǐng)域的三維模型庫，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH 2202-91《石化設(shè)備分類與代碼》，將行業(yè)所需各類模型進行詳細(xì)分類，采用規(guī)范化建模的方法構(gòu)建石化三維模型庫。模型庫分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理層、數(shù)據(jù)庫層、控制層、渲染可視化層、用戶交互及應(yīng)用層等5層設(shè)計，涉及近千個專業(yè)設(shè)備模型和災(zāi)害仿真模擬模型，以實現(xiàn)設(shè)備組件的快速構(gòu)建和復(fù)用。整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 石化三維模型庫整體架構(gòu)

2 事故現(xiàn)場“情景”快速構(gòu)建流程

基于石化三維模型庫,利用無人機快速響應(yīng)平臺，對預(yù)定區(qū)域進行影像采集，利用獲得的序列圖像、位置和姿態(tài)信息，生成真實彩色的地表三維模型，準(zhǔn)確清晰地展現(xiàn)預(yù)定區(qū)域的現(xiàn)場情況。構(gòu)建流程如圖2所示，輸入為高分辨率多視遙感影像，通過以下步驟處理，基于石化模型庫全自動生成預(yù)定區(qū)域的全方位三維空間立體模型。中間過程的數(shù)據(jù)可也用于建模軟件人工建模，為事故動畫制作提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。

圖2 三維數(shù)字化場景構(gòu)建方法流程

2.1 多視影像采集

多視影像采集分為3部分，第一部分為飛行平臺，采用小型飛機或者無人機；第二部分為儀器部分，傳感器(多頭相機、GPS定位裝置獲取曝光瞬間的3個線元素x，y，z)和姿態(tài)定位系統(tǒng)(記錄相機曝光瞬間的姿態(tài)，3個角元素φ、ω、κ)；第三部分為人員，由航飛人員和地面指揮人員組成。航線設(shè)計采取66%的旁向重疊度，66%的航向重疊度，航線飛行計劃文件含飛機的航線坐標(biāo)及各個相機的曝光點坐標(biāo)位置。實際飛行中，各個相機根據(jù)對應(yīng)的曝光點坐標(biāo)自動進行曝光拍攝。

2.2 影像加工

a)多視影像聯(lián)合平差。采取由粗到精的金字塔匹配策略在每級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果。同時建立連接點和連接線、控制點坐標(biāo)、GPS/IMU輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，確保平差結(jié)果的精度。

b)基于石化模型庫的多視影像密集匹配。采用FAST算子檢測特征點，F(xiàn)AST算子具有高效的運算效率和較高的重現(xiàn)性，可實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)特征點的快速提??；采用SIFT描述符[3-4]作為特征點的特征向量，SIFT描述符對旋轉(zhuǎn)、縮放、光照及視角變化具有不變性，能較好地適應(yīng)遙感影像的特征點匹配；采用最鄰近算法進行特征點匹配，求取最鄰近特征點與次鄰近特征點之間距離比值，設(shè)定閾值r判斷是否是匹配對。

其中，最鄰近特征點是指特征點與樣本點具有最短歐氏距離的特征點；次鄰近特征點是指具有比最鄰近距離稍長的歐氏距離特征點。滿足上式的匹配點劃為內(nèi)點，否則舍棄。

影像數(shù)據(jù)特征點具有海量性，逐點匹配將會消耗大量的運行和運算時間，這也是目前自動建模的一個速度瓶頸所在。在特征點檢索時，自動識別智能匹配三維模型庫中的模型數(shù)據(jù)，在保證正確率的同時可以有效的減小搜索時間，從而完成特征點快速匹配。

2.3 模型生成

基于多視影像密集匹配結(jié)果，生成高精度高分辨率的數(shù)字表面模型(DSM)，充分表達事故現(xiàn)場的空間立體特征。首先根據(jù)自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進行特征匹配和逐像素級的密集匹配[5]，并引入并行算法，提高計算效率。在獲取高密度DSM數(shù)據(jù)后，進行濾波處理，并將不同匹配單元進行融合，形成統(tǒng)一的DSM。

DSM數(shù)據(jù)經(jīng)過全正射影像和紋理映射的步驟，通過專用測繪軟件生成預(yù)定區(qū)域的三維模型，從而為應(yīng)急指揮決策人員提供事故現(xiàn)場逼真的實時三維空間數(shù)字化場景。

3 事故現(xiàn)場的快速“應(yīng)對”

全面了解和掌握事故現(xiàn)場情景及情景的發(fā)展變化趨勢是應(yīng)急推演前提和依據(jù)[6]?！扒榫?應(yīng)對”型應(yīng)急方式是在事故情景的基礎(chǔ)上進行決策，目標(biāo)是為了實現(xiàn)事故現(xiàn)場的應(yīng)急決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。三維事故桌面推演平臺提供了事故動態(tài)模擬、應(yīng)急資源調(diào)配、作戰(zhàn)方案生成與優(yōu)化等三維交互與可視化模塊，使應(yīng)急人員能全面了解事故現(xiàn)場演變過程、處置過程，進而針對不同情景提出不同處置方案，實時動態(tài)的做出決策，保證應(yīng)急處置的科學(xué)性和合理性。

3.1 事故情景匹配

在事故應(yīng)急處置時，往往習(xí)慣利用過去處理類似災(zāi)害事故的經(jīng)驗和已獲取的現(xiàn)場信息，再針對事故情況的差異做出相應(yīng)的調(diào)整來處理新的災(zāi)害事故[7]。在事故應(yīng)急處置中，針對當(dāng)前發(fā)生的某個事故情景，在模型庫檢索匹配與該情景相似或相近的歷史案例情景的處置方案，快速地將應(yīng)急處置方案提供給應(yīng)急決策主體，輔助其對當(dāng)前災(zāi)害事故的應(yīng)急決策，從而實現(xiàn)“情景-應(yīng)對”的應(yīng)急模式?；玖鞒倘鐖D3所示。

圖3 應(yīng)急決策方案生成

3.2 應(yīng)急處置方案的呈現(xiàn)

基于事故現(xiàn)場三維模型和情景匹配[8]的方案，利用三維事故桌面推演平臺將應(yīng)急處置方案輸出呈現(xiàn)。三維事故桌面推演平臺預(yù)置了工藝仿真庫、事故案例庫、危險化學(xué)品庫、事故模擬庫、專家知識庫、事故預(yù)案等，針對典型危險化學(xué)品事故的應(yīng)急救援與現(xiàn)場處置提供了事故動態(tài)模擬、應(yīng)急資源調(diào)配、作戰(zhàn)方案生成[9]與優(yōu)化等三維交互與可視化模塊，用戶使用手勢、語音、手柄等輸入手段操作三維場景中的對象及內(nèi)容，并得到3D的視覺、聽覺等多通道反饋。三維事故桌面推演平臺主要具有以下功能點。

a)支持事故現(xiàn)場三維模型和情景匹配的方案快速輸入，實現(xiàn)事故現(xiàn)場的高速渲染和三維空間可視化。

b)提供桌面推演控制端和推演端使用模式，控制端采用信息實時交換技術(shù)，實時監(jiān)控全部現(xiàn)場動態(tài)，進行任意推演場景的切換，利于根據(jù)應(yīng)急處置情況進行實時調(diào)整事故態(tài)勢。

c)全流程方案推演，通過災(zāi)情確定、角色分配、任務(wù)分工、力量調(diào)配、指令下達、行車路線、火情偵查、車輛站位、力量部署、戰(zhàn)斗展開、反復(fù)偵查、力量調(diào)整、消防水量和滅火劑供給量估算，生成應(yīng)急處置方案。

d)支持處置方案自評估，系統(tǒng)開發(fā)了消防力量估算、安全防護距離、熱輻射等估算、方案上傳、方案自動評估、在線新聞與社交媒體管理等模塊化輔助分析工具，用于自動評估、檢驗處置方案的有效性科學(xué)性。

4 實際應(yīng)用

利用“情景-應(yīng)對”的三維應(yīng)急推演方法，在某次大型罐區(qū)火災(zāi)事故綜合應(yīng)急演練中，采用了三維場景高效建模手段，利用無人機抵達災(zāi)害現(xiàn)場航拍取景、快速建模、實時推演的手段，將災(zāi)害演化過程、現(xiàn)場應(yīng)急處置在三維場景下展現(xiàn)，并通過計算機模擬計算分析和典型事故案例相結(jié)合，為情景演化過程做技術(shù)支撐、分析研判，并形成優(yōu)化的處置方案來輔助指揮部進行決策、指揮。

事故現(xiàn)場三維實時構(gòu)建采用飛行器攜帶可見光成像設(shè)備對地表建筑或地形地貌進行采樣，并利用三角測量技術(shù)對被測區(qū)域進行高程分析，從而構(gòu)建測繪區(qū)域三維地理模型，最后通過實景貼圖的方式完成實景建模。采用八旋翼飛行器作為飛行載機，型號FF-8-1000。對稱軸距1 050 mm，單臺旋翼額定功率300 W，峰值功率550 W。螺旋槳直徑15英寸，螺距5.5英寸。采用全畫幅可見光成像設(shè)備作為圖像采集設(shè)備，型號FF-c-7。傳感器尺寸35.9 mm×24.0 mm，分辨率為7 592×5 304，有效像素4 240萬。鏡頭等效焦距35 mm。飛行采用采用掃描式飛行方式，航線相對高度120 m，航線間距43.08 m，照片間距29 m，照片地面分辨率1.55 cm。照片采用三角測量方式對地表拍攝物體高程獲取，通過照片拍攝點GPS位置以及相應(yīng)參考點與成像設(shè)備焦平面所成角度確定其高程(其方法與人眼判斷物體景深頗為相似)，在1平方公里范圍內(nèi)的核心區(qū)域，進行采樣4 370張照片。所形成的高程文件以點的形式表現(xiàn)，稱之為點云。通過點云文件，形成線文件，繼而形成面文件，對測繪區(qū)域地形重建。最后通過實景采樣的可見光文件，拼接組成表面紋理文件，并對測繪區(qū)域面模型進行材質(zhì)貼附，完成對整個測繪區(qū)域的重建工作，形成可進行二次開發(fā)、測量、分析等多種功能的實景模型。核心區(qū)域線模型和實體模型構(gòu)建效果如圖4、圖5所示。

圖4 核心區(qū)域線模型構(gòu)建

通過三維事故桌面推演平臺，對實景模型進行數(shù)據(jù)檢查和修正、數(shù)據(jù)植入、生成事故現(xiàn)場三維虛擬環(huán)境；通過天氣設(shè)置界面設(shè)置虛擬天氣條件，實現(xiàn)虛擬天氣條件和三維虛擬環(huán)境的疊加，可調(diào)節(jié)風(fēng)向(影響火焰和煙霧等方向)、風(fēng)力、時間、溫度等參數(shù)；根據(jù)演練火災(zāi)事故的生成和發(fā)展過程，通過事故事件設(shè)置功能，實時調(diào)節(jié)仿真模擬火災(zāi)、煙氣的狀態(tài)和屬性，實現(xiàn)火災(zāi)事故事件的動態(tài)生成和態(tài)勢管理，火災(zāi)模擬效果如圖6所示；結(jié)合應(yīng)急處置方案所需的應(yīng)急資源，在石化模型庫內(nèi)匹配相應(yīng)的三維模型，點擊三維模型后拖拽并旋轉(zhuǎn)至需要的位置，實現(xiàn)應(yīng)急力量的快速部署；基于三維事故桌面推演平臺對應(yīng)急處置方案進行數(shù)字化推演，將應(yīng)急處置方案的有序展開，實現(xiàn)應(yīng)急處置方案的三維數(shù)字化可視化表達(如圖7所示)；通過專家評估模塊，論證應(yīng)急處置方案的合理性和可操作性，并生成最優(yōu)方案提供給應(yīng)急指揮人員，為事故應(yīng)急指揮提供輔助決策。

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，基于模型庫的三維場景快速方法能有效提高事故場景模擬的效率，事故現(xiàn)場的實時三維情景可有效地應(yīng)用于應(yīng)急偵察、應(yīng)急指揮、應(yīng)急救援等環(huán)節(jié)，提高救援的針對性和有效性。三維場景對后期事故調(diào)查、事故動畫制作、救援過程研究、事故機理研究同樣具有重要意義。同時，三維事故桌面推演平臺明確了事故現(xiàn)場二、三維應(yīng)急處置空間環(huán)境及場景信息；清晰了應(yīng)急人員的組織結(jié)構(gòu)、崗位責(zé)任與時間、事件演變的邏輯關(guān)系；為應(yīng)急處置方案的呈現(xiàn)提供了一種直觀的實時、動態(tài)、高效的手段。

圖6 災(zāi)害場景三維模擬

圖7 救援方案可視化