城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法
2023-06-06 17:40:46 1
專利名稱：城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法
技術領域：
本發明屬於公共安全仿真技術領域，特別涉及一種城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法。
背景技術：
公共安全的重點在城市。安全是現代化城市的第一要素，城市安全保障受到政府、社會和公眾的普遍高度重視。公共安全科技是有效應對突發事件、提升應急能力的有效支撐，而城市公共安全研究設施是發展城市公共安全科技的必要手段。我國用於城市公共安全研究的綜合實驗設施缺乏，對於研究城市公共安全與應急技術的綜合性、全局性和共性的科學問題非常不利。當前城市公共安全突發事件影響範圍廣，呈現出複雜的災害次生衍生、相互耦合的特點。現有的公共安全實驗裝置多以小範圍單災害實驗為主，難以實現對城市整體範圍內多種災害次生衍生以及相互耦合作用的實驗。如果搭建純實體的多災種耦合實驗裝置，不僅多災種的耦合情景和承災體破壞形式極難再現，也需要昂貴的建設費用和 維護費用。
發明內容
本發明的目的是提供一種城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法。本發明所述演示裝置的結構包括動態沙盤、投影設備及控制系統三部分。動態沙盤上設置城市模型，在動態沙盤的內部設置位置可移動的升降機、震動儀；動態沙盤上設置震動測試儀、風扇、風速儀、攝像頭；投影設備分為動態沙盤投影儀、三維動畫投影機和水平投影屏三部分，多個動態沙盤投影機位於動態沙盤的上方，由上至下投影至動態沙盤上；水平投影屏豎直放置於動態沙盤的一側，三維動畫投影機與水平投影屏位置相對，位於動態沙盤的另一側；控制系統分別與投影設備、升降機、震動儀、震動測試儀、風速儀、攝像頭、觸摸一體機連接，通過觸摸一體機進行控制信號的輸入。所述風扇為適用於電腦CPU的智能F-128型風扇；所述風速計為CEM感應式風速計DT-8880，測量解析度為O. 01m/s。所述攝像頭為羅技Logitech HD C310 720p高清攝像頭。所述動態沙盤投影儀採用四通道投影採用三洋xml500投影儀，其參數為1024X768像素解析度、600流明和2000:1對比度。所述觸摸一體機米用Dell U2410 24寸寬屏電阻觸摸顯不器。本發明提供的一種基於所述演示裝置的演示方法，包括以下步驟(a)建立實體模型實體模型採用素體模型和仿真彩體模型相結合，將需要動畫展示的區域製作成素體模型，便於投影動畫的效果表現；將非動畫表現區域做成彩體模型；
實體模型包括建築物模型、鐵道模型、公路模型、橋梁模型、隧道模型、山體模型、河流模型、大壩模型、電網模型、石化區模型、高鐵模型；(b)安裝數據採集設備將風速儀和風扇分別放置在鐵道模型的兩側，用於鐵路列車的強風監測模擬；在建築物模型上安置攝像頭；建築物模型下安置震動儀、升降機及震動測試儀；(C)安裝投影設備在動態沙盤的上方安裝動態沙盤投影機，在動態沙盤的一側豎直安裝水平投影屏，在動態沙盤的另一側與水平投影儀相對的位置安裝三維動畫投影機； (d)模擬演示及數據採集動態沙盤投影機採用二維和三維特效，自上而下向動態沙盤上投射各種災害、人員疏散、人員密集的信息，經由攝像頭實時監測，並通過圖像處理程序對異常監視圖像、人員流量等進行分析，模擬公共安全物聯網系統中的信息採集、信息傳輸和分析研判過程；水平投影儀採用三維動畫和視頻相結合的形式，模擬自然災害、事故災難的情景；或作為背景，對投影到動態沙盤上的內容作進一步的解釋和說明；或建立逼真的三維場景，對災害環境進行再現；或進行人機互動，用戶以第一人稱視角在三維場景中漫遊，對災害條件下的人員疏散、消防救援等進行模擬仿真，為災害重現、風險評估、情景推演、預案演練、教育培訓等提供直觀可視化的表現手段；在災害模擬時，相鄰區域的建築物模型通過升降機作用以不同相位分別上下運動，關聯的建築模型和設施可發生傾斜；安置在模型下的震動儀使建築模型抖動，模擬地震發生的情形；安裝在建築模型內部的震動測試儀記錄這些模擬的災害強度。所述動態沙盤投影機輸出的特效動畫解析度為1500X 1500,輸出解析度上、下邊長誤差不高於200。所述水平投影儀輸出的高清三維動畫解析度為1920X1080。所述自然災害包括地震、泥石流、洪水、強風、暴雨雪和閃電，所述事故災害包括火災、爆炸和危化品洩漏。本發明的有益效果為通過實體物理模型與虛擬三維影像相結合的基於三屏(實體物理沙盤模型、信息屏和觸控螢幕)聯動方式實現對城市多種突發事件及其耦合情況下的發生、發展規律進行的實驗和數值模擬結果進行演示，實現災害場景模擬再現、監測監控、信息傳遞、信息接入、預測預警、決策控制等環節的動態展示，並為災害重現、風險評估、情景推演、預案演練、教育培訓等提供直觀可視化的表現手段。通過本實驗裝置，可為研究突發事件危險性、承災載體脆弱性和應急管理有效性提供有力的理論技術支撐。
圖I為本發明所述裝置的結構示意圖。圖中標號I-動態沙盤；2_城市模型；3_升降機；4_震動儀；5_動態沙盤投影儀；6_三維動畫投影機；7_水平投影屏；8_觸摸一體機。
具體實施例方式本發明提供了一種城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖I所示，該演示裝置包括動態沙盤I、投影設備及控制系統三部分。動態沙盤I上設置城市模型2，在動態沙盤I的內部設置位置可移動的升降機3、震動儀4 ;動態沙盤I上設置震動測試儀、風扇、風速儀、攝像頭。投影設備分為動態沙盤投影儀5、三維動畫投影機6和水平投影屏7三部分，多個動態沙盤投影機5位於動態沙盤I的上方，由上至下投影至動態沙盤I上；水平投影屏7豎直放置於動態沙盤I的一側，三維動畫投影機6與水平投影屏7位置相對，位於動態沙盤I的另一側。控制系統分別與投影設備、升降機3、震動儀4、震動測試儀、風速儀、攝像頭、觸摸一體機8連接，通過觸摸一體機8進行控制信號的輸入。
動態沙盤I上設置複雜城市物理模型，是開展城市公共安全突發事件綜合實驗的載體和平臺，包括多種城市要素。如樓房、公路、鐵路、橋梁、隧道、山體、河流、大壩、發電站、廠房、石油罐區、醫院、消防站、加油站、應急指揮中心、大型場館、避難所、電網、城市地下水，天然氣網等生命線系統、城市地鐵、汽車、列車等。使用所述裝置進行演示時，按如下步驟進行(a)建立實體模型實體模型採用素體模型和仿真彩體模型相結合，將需要動畫展示的區域製作成素體模型，便於投影動畫的效果表現；將非動畫表現區域做成彩體模型；實體模型包括建築物模型、鐵道模型、公路模型、橋梁模型、隧道模型、山體模型、河流模型、大壩模型、電網模型、石化區模型、高鐵模型；(b)安裝數據採集設備將風速儀和風扇分別放置在鐵道模型的兩側，用於鐵路列車的強風監測模擬；採用適用於電腦CPU的智能F-128 (PWM)型風扇模擬強風，可控制改變風量大小；採用CEM感應式風速計DT-8880，可測量O. Γ25πι/8的風速，解析度為O. 01m/s。高鐵模型採用百萬城CE00501CRH3和諧號動車組頻/火車頭控制器。在建築物模型上安置攝像頭；攝像頭選用羅技Logitech HD C310 720p高清攝像頭。建築物模型下安置震動儀、升降機及震動測試儀；(C)安裝投影設備在動態沙盤的上方安裝動態沙盤投影機，在動態沙盤的一側豎直安裝水平投影屏，在動態沙盤的另一側與水平投影儀相對的位置安裝三維動畫投影機；沙盤投影動畫是通過四個動態沙盤投影機，採用二維和三維特效，自上而下投影至城市沙盤上。四通道投影採用三洋xml500投影儀，其參數為1024X768像素解析度、600流明和2000:1對比度，重約16. 0kg，採用通道融合技術進行邊緣融合。(d)模擬演示及數據採集動態沙盤投影機採用二維和三維特效，自上而下向動態沙盤上。投影內容可模擬河道的水流運動，城市綠化、還可表現出地下水的流動、汽車和列車的穿梭，天然氣的網絡等。在災害場景下，投射各種災害、人員疏散、人員密集的信息，經由攝像頭實時監測，並通過圖像處理程序對異常監視圖像、人員流量等進行分析，模擬公共安全物聯網系統中的信息採集、信息傳輸和分析研判過程。投影動畫可以基於計算機數值模擬結果實現。動態沙盤投影機的輸出特效動畫解析度為1500X1500.輸出解析度上、下邊長誤差不高於200.依靠三維特效，結合素體模型、將災難發生和應急平臺的感(信息採集)、傳(信息傳輸)、知(分析研判)、用(調度指揮)表現出來。水平投影儀採用三維動畫和視頻相結合的形式，輸出高清三維動畫解析度為1920X1080。採用三維動畫+視頻相結合的形式，模擬地震、泥石流、洪水、強風、暴雨雪、閃電等自然災害以及火災、爆炸、危化品洩漏等事故災難的情景；或作為背景，對投影到動態沙盤上的內容作進一步的解釋和說明；或建立逼真的三維場景，基於計 算機數值模擬計算結果，對災害環境進行再現；或進行人機互動，用戶以第一人稱視角在三維場景中漫遊，對災害條件下的人員疏散、消防救援等進行模擬仿真，為災害重現、風險評估、情景推演、預案演練、教育培訓等提供直觀可視化的表現手段；在災害模擬時，相鄰區域的建築物模型通過升降機作用以不同相位分別上下運動，關聯的建築模型和設施可發生傾斜；安置在模型下的震動儀使建築模型抖動，模擬地震發生的情形；安裝在建築模型內部的震動測試儀記錄這些模擬的災害強度。運用中央控制系統和觸摸一體機對展示內容進行控制，參觀者可以任意選擇災難場景，展示系統就展示相應的災情，並展示該災情下的應急管理流程。即災難發生、傳感器感知、信息傳輸到指揮中心、指揮中心綜合研判、決策指揮應急處理。參觀者也可以通過中央控制系統來查看各類感知前端布置展示、生命線安全運行監控展示。
權利要求
1.城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置，包括動態沙盤(I)、投影設備及控制系統三部分，其特徵在於， 動態沙盤(I)上設置城市模型(2)，在動態沙盤(I)的內部設置位置可移動的升降機(3)、震動儀(4);動態沙盤(I)上設置震動測試儀、風扇、風速儀、攝像頭； 投影設備分為動態沙盤投影儀(5)、三維動畫投影機(6)和水平投影屏(7)三部分，多個動態沙盤投影機(5)位於動態沙盤(I)的上方，由上至下投影至動態沙盤(I)上；水平投影屏(7)豎直放置於動態沙盤(I)的一側，三維動畫投影機(6)與水平投影屏(7)位置相對，位於動態沙盤(I)的另一側； 控制系統分別與投影設備、升降機(3)、震動儀(4)、震動測試儀、風速儀、攝像頭、觸摸一體機(8)連接，通過觸摸一體機(8)進行控制信號的輸入。
2.根據權利要求I所述的城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置，其特徵在於，所述風扇為適用於電腦CPU的智能F-128型風扇；所述風速計為CEM感應式風速計DT-8880，測量解析度為O. Olm/s。
3.根據權利要求I所述的城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置，其特徵在於，所述攝像頭為羅技Logitech HD C310 720p高清攝像頭。
4.根據權利要求I所述的城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置，其特徵在於，所述動態沙盤投影儀(5)採用四通道投影採用三洋xml500投影儀，其參數為1024X768像素解析度、600流明和2000:1對比度。
5.根據權利要求I所述的城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置，其特徵在於，所述觸摸一體機採用Dell U2410 24寸寬屏電阻觸摸顯示器。
6.一種基於權利要求I所述演示裝置的演示方法，其特徵在於，包括以下步驟 (a)建立實體模型 實體模型採用素體模型和仿真彩體模型相結合，將需要動畫展示的區域製作成素體模型，便於投影動畫的效果表現；將非動畫表現區域做成彩體模型； 實體模型包括建築物模型、鐵道模型、公路模型、橋梁模型、隧道模型、山體模型、河流模型、大壩模型、電網模型、石化區模型、高鐵模型； (b)安裝數據採集設備 將風速儀和風扇分別放置在鐵道模型的兩側，用於鐵路列車的強風監測模擬； 在建築物模型上安置攝像頭； 建築物模型下安置震動儀、升降機及震動測試儀； (C)安裝投影設備 在動態沙盤的上方安裝動態沙盤投影機，在動態沙盤的一側豎直安裝水平投影屏，在動態沙盤的另一側與水平投影儀相對的位置安裝三維動畫投影機； (d)模擬演示及數據採集 動態沙盤投影機採用二維和三維特效，自上而下向動態沙盤上投射各種災害、人員疏散、人員密集的信息，經由攝像頭實時監測，並通過圖像處理程序對異常監視圖像，人員流量進行分析，模擬公共安全物聯網系統中的信息採集、信息傳輸和分析研判過程； 水平投影儀採用三維動畫和視頻相結合的形式，模擬自然災害、事故災難的情景；或作為背景，對投影到動態沙盤上的內容作進一步的解釋和說明；或建立逼真的三維場景，對災害環境進行再現；或進行人機互動，用戶以第一人稱視角在三維場景中漫遊，對災害條件下的人員疏散、消防救援等進行模擬仿真，為災害重現、風險評估、情景推演、預案演練、教育培訓等提供直觀可視化的表現手段； 在災害模擬時，相鄰區域的建築物模型通過升降機作用以不同相位分別上下運動，關聯的建築模型和設施可發生傾斜；安置在模型下的震動儀使建築模型抖動，模擬地震發生的情形；安裝在建築模型內部的震動測試儀記錄這些模擬的災害強度。
7.根據權利要求6所述的演示方法，其特徵在於，所述動態沙盤投影機輸出的特效動畫解析度為1500 X 1500，輸出解析度上、下邊長誤差不高於200。
8.根據權利要求6所述的演示方法，其特徵在於，所述水平投影儀輸出的高清三維動畫解析度為1920X1080。
9.根據權利要求6所述的演示方法，其特徵在於，所述自然災害包括地震、泥石流、洪水、強風、暴雨雪和閃電，所述事故災害包括火災、爆炸和危化品洩漏。
全文摘要
一種城市公共安全多災種次生衍生耦合仿真演示裝置及方法屬於公共安全仿真技術領域。演示裝置包括動態沙盤、投影設備及控制系統三部分；動態沙盤上設置城市模型，在動態沙盤的內部設置位置可移動的升降機、震動儀；動態沙盤上設置檢測設備，投影設備分為動態沙盤投影儀、三維動畫投影機和水平投影屏三部分。通過實體物理模型與虛擬三維影像相結合的基於三屏聯動方式實現對城市多種突發事件及其耦合情況下的發生、發展規律進行的實驗和數值模擬結果進行演示，實現災害場景模擬再現、監測監控、信息傳遞、信息接入、預測預警、決策控制等環節的動態展示，並為災害重現、風險評估、情景推演、預案演練、教育培訓等提供直觀可視化的表現手段。
文檔編號G09B25/00GK102779453SQ20121020260
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者張小樂, 張輝, 李雲濤, 申世飛, 疏學明, 袁宏永, 黃弘 申請人:清華大學