1.本发明属于应急培训技术领域，尤其涉及基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化方法。


背景技术：

2.地震造成灾害性后果的地区也是人文景观最为集中的地区，使得井然有序的人文景观顿然面目全非，成为无序的混乱场面，破坏现场极其复杂，地震所引起的地表震动会损坏建筑及桥梁，中断电力及电信设备，甚至引起山崩、水灾、火灾及巨大的海啸，场景复杂多样，而地震破坏现场不规则实体之间的相互堆叠、覆盖、穿插与牵连，其结构极其复杂，因而，地震现场的每一部分都进行详细建模是不可行的，因此场景的优化变得不可能。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化方法，采用多层次模型优化方法将虚拟地震灾害场景进行优化。
4.本发明一方面提供了基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化方法，包括：
5.步骤1，建立初级模型；
6.步骤2，根据初级模型以三层不同细节度分别建立宏观灾区模型、搜索区域模型以及作业现场模型，不同细节度模型对应不同的演练任务。
7.优选的，所述地震救援虚拟演练系统包括：
8.地震救援演练情景设定子系统，为救援演练提供地震灾害场景推演技术支持，所述地震救援演练情景设定子系统应用地震灾害情景推演技术预测灾害演变路径及发展趋势，通过随机情景出发实现灾害处置能力和现场应变力的训练，并通过对演练控制环节的干预增加演练多样性，所述地震救援演练情景设定子系统包括地震灾害救援情景要素、情景要素关联、情景出发模型、情景动态重构以及情景推演进程控制；
9.地震救援演练仿真模拟子系统，通过构建高逼真三维地震场景使用户沉浸在地震场景中，同时参演者以必要的设备与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验，所述地震救援演练仿真模拟子系统包括地震时间设定、人员角色管理、演练任务设定、灾害场景管理、演练想定编辑、演练进程控制、灾情信息管理、演练处置实施、演练记录回放；
10.地震救援演练效能评估子系统，用于实现演练数据的统计分析、基于客观度的专项技能演练效能评价、不同角色任务达标性评价以及总体效果量化评估等业务功能；所述地震救援演练效能评估子系统包括演练数据统计模块、评估任务设置模块、评价指标管理模块、客观度分析模块、专项演练效能评估模块、任务达标性评估模块、演练综合量化评估模块以及动态效能分析模块。
11.优选的，所述步骤1包括：
12.步骤11，根据地震发生原理，建立地震动模型与仿真；
13.步骤12，根据烈度与建筑抗震结构原理，建立建筑损伤模型与仿真；
14.步骤13，根据突发事件行为学原理，建立受灾人行为模型与仿真；
15.步骤14，根据地震次生灾害理论，建立次生灾害模型与仿真；
16.步骤15，根据实际地震救援应急预案，建立部门协同救援模型与仿真。
17.优选的，所述步骤12包括：所述烈度与建筑抗震结构原理包括建筑物结构强度分析模型、地震地面运动模型以及结构破坏规则，其中地震地面运动模型以及结构破坏规则根据不同演练系统确定，而建筑物结构强度分析模型采用结构地震破坏概率矩阵及算法获得，建立建筑损伤模型与仿真。
18.优选的，所述步骤14包括：
19.(1)有毒气体扩散模型：包括质点系模型粒子系统和流质系模型粒子系统，质点系模型粒子系统边界是不明确的，非连续动态变化的，其中的粒子有产生、运动、消亡的过程，用于模拟地震引起的地下水喷发、地震火灾以及烟雾；流质系模型粒子系统具有明确的、连续的、动态可变的边界，并且粒子一旦产生便处于运动而永不消亡，用于模拟水流、海啸波涛以及泥石流；
20.(2)火灾模型：三维场景仿真通过处理信息输入、建模、行为分析和结果输出的仿真环节，通过定性模型推导火灾现场的模拟展示和数据描述，其中蔓延场景分为若干区间和时间段，对于蔓延范围内的建筑物依据结构类型和受影响情况确定房屋的蔓延起火概率，经过天气状况修正，通过随机参数生成确定该房屋是否被蔓延，并通过三维场景进行立体展示；场景再现从场景库调用脚本参数对建筑物进行起火渲染，并叠加到城市场景中生成火灾场景；对于易燃易爆、有毒有害气体采用高斯模型，包括适用于连续源气体扩散的高斯烟羽模型和适用于瞬时源气体扩散的高斯烟团模型；火灾模型提供各种模型的求解分析算法，包括确定发火位置、温度场及火风压计算、确定烟侵范围、风流紊乱、避灾最短路线、误差函数、三爆性质判定推理和自动绘图，根据火灾模型完成解算风网、求解最佳救灾与避灾路线、火灾模拟计算、控风计算等救灾决策的辅助指导工作；
21.(3)水灾模型：包括危险性分析、易损性分析和水灾灾情评估。危险性分析包括受洪水威胁地区可能遭受洪水影响的强度和频度，强度用淹没范围、深度表示，频度用重现期表示；易损性用于表示承灾体遭受不同强度洪水的可能损失程度，用损失率表示；灾情分析包括基于危险性分析、易损性分析，依据dem模型计算不同强度洪水可能造成的损失大小，包括：从危险性分析结果中确定承灾体所处位置可能遭受的洪水强度，从易损性分析结果确定承灾体该洪水强度下可能的损失率，将损失率乘以承灾体价值得到可能损失值，所有承灾体损失值累加得到总体损失值；
22.(4)危化品泄漏模型：模拟三维场景中的泄漏地点，明确危化品种类，展示事故位置、事故发生时间、是否泄漏、有无火灾、泄漏原因、人员伤亡情况、道路堵塞情况、重点保护对象、隔离范围、防护范围、安全距离模拟数据和安全区域模拟数据；模型可结合模拟评价的对象、所涉及的危险介质的存储状态、周围的地理及气候条件、事故发生的机理及原因和演练要求进行选取，必要时针对模拟对象重新建模或对现有模型进行修正，描述泄漏云团扩散过程的数学模型中最常用的是描述易燃易爆、有毒有害气体的高斯模型；
23.(5)地质灾害模型：描述灾害发生点的地形地貌特征，包括地形坡度、长度面积、规
模、坡面形态、地质组成、沟谷特征和植被特征，同时利用三维遥感图像，描述地质灾害的位置、类型、边界、规模、活动方式、稳定状态，并展示其对周边环境和人员活动区域的影响程度；所述地质灾害模型包括基于地质灾害的主要控制因素和诱发因素以及突发性地质灾害等级，根据地质环境、生态环境和人类活动方式、强度指标提供地质灾害预测结果。
24.优选的，所述步骤2中：
25.宏观灾区模型用于宏观层次了解形势，指派任务，搜索营救去的划分，宏观灾区模型采用三维表面模型；
26.搜索区域模型面向现场决策分析，包括指挥员受领任务、抵达现场、调查评估、场区划分与警示、人员安排与装备配置等虚拟训练过程的实现，搜索区域模型反映的地域为宏观灾区模型的一部分，根据训练想定生成模块制定的需要搜索人员查找受难者的区域，搜索区域模型采用三维实体模型与三维表面模型相结合的方法，建筑物与废墟采用三维实体模型，其周围环境采用三维表面模型；
27.作业现场模型：面向动态安全监视、施救方案设计、施救过程，在此过程中涉及到实体的改变，因而采用三维实体模型建模，并需要对实体的重量、硬度、表面光洁程度、与相邻实体连接的力度等物理与行为特性建模。
28.优选的，根据地震灾害场景编辑器的编辑，一个宏观灾区模型区域可包含多个搜索区域，一个搜索区域中可包含多个作业现场模型对应的区域，系统管理人员可通过训练环境生成与扩展系统，来控制训练想定生成模块，以制定宏观灾区中包含的搜索区域的数量与位置，以及指定在搜索区域中包含的作业现场对应的区域的数量与位置；在场景建模过程中，采用三维表面模型、三维实体模型以及三维虚体模型结合的方法；在虚拟地震灾害场景建模过程中，综合使用不同的建模方法，按照先地面，再地上与地下；先实体再场景的原则，综合利用以上三种模型对应的表面建模、实体建模和特征建模来完成场景模型的创建。
29.本发明的第二方面，提供一种基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化装置，包括：
30.初级模型建立模块，用于建立初级模型；
31.优化模块，用于根据初级模型以三层不同细节度分别建立宏观灾区模型、搜索区域模型以及作业现场模型，不同细节度模型对应不同的演练任务。
32.本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。
33.本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。
34.本发明提供实战化地震坍塌建筑培训设施构建方法、装置和电子设备，具有如下有益效果：
35.具有多级可控、重复开启、迅速恢复原貌等功能，实现建筑坍塌培训设施的“动态化”+“智能化”特点。
36.(1)典型建筑自重作用下倒塌废墟分布结果；
37.(2)典型建筑物废墟在三种震级余震作用下余震后的废墟分布结果。
38.上述模拟结果将以三维模型作为地震坍塌模拟装置的输入，通过现代科技手段搭
建和装饰，逼真再现实际场景；
39.(3)填补现有地震坍塌场景呆板、正对性不强、真实感不强的问题，为提升地震坍塌场景救援培训效果找到一条可持续发展的新路。
附图说明
40.图1为本发明提供的虚拟地震灾害场景优化方法流程图。
41.图2为本发明提供的虚拟地震灾害场景优化原理结构图。
42.图3为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
44.实施例一，基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化方法，其中地震救援虚拟演练系统包括：
45.地震救援演练情景设定子系统：为救援演练提供地震灾害场景推演技术支持，是演练合理开展的保证。子系统应用地震灾害情景推演技术预测灾害演变路径及发展趋势，通过随机情景出发实现灾害处置能力和现场应变力的训练，并通过对演练控制环节的干预增加演练多样性。子系统包括地震灾害救援情景要素、情景要素关联、情景出发模型、情景动态重构以及情景推演进程控制等。
46.地震救援演练仿真模拟子系统：通过构建高逼真三维地震场景使用户沉浸在地震场景中，同时参演者以必要的设备与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。子系统包括地震时间设定、人员角色管理、演练任务设定、灾害场景管理、演练想定编辑、演练进程控制、灾情信息管理、演练处置实施、演练记录回放。
47.地震救援演练效能评估子系统：实现演练数据的统计分析、基于客观度的专项技能演练效能评价、不同角色任务达标性评价以及总体效果量化评估等业务功能。该子模块包括演练数据统计模块、评估任务设置模块、评价指标管理模块、客观度分析模块、专项演练效能评估模块、任务达标性评估模块、演练综合量化评估模块以及动态效能分析模块。
48.如图1所示，优化方法包括：
49.s1，建立初级模型；
50.s2，根据初级模型以三层不同细节度分别建立宏观灾区模型、搜索区域模型以及作业现场模型，不同细节度模型对应不同的演练任务。
51.优选的，所述步骤1包括：
52.根据地震发生原理，建立地震动模型与仿真；
53.根据烈度与建筑抗震结构原理(包括建筑物结构强度分析模型、地震地面运动模型以及结构破坏规则，其中地震地面运动模型以及结构破坏规则根据不同演练系统确定，而建筑物结构强度分析模型采用结构地震破坏概率矩阵及算法获得)，建立建筑损伤模型与仿真；
54.根据突发事件行为学原理，建立受灾人行为模型与仿真；
55.根据地震次生灾害理论，建立次生灾害模型与仿真，包括：
56.(1)有毒气体扩散模型：包括质点系模型粒子系统和流质系模型粒子系统，质点系模型粒子系统边界是不明确的，非连续动态变化的，其中的粒子有产生、运动、消亡的过程，用于模拟地震引起的地下水喷发、地震火灾以及烟雾；流质系模型粒子系统具有明确的、连续的、动态可变的边界，并且粒子一旦产生便处于运动而永不消亡，可用于模拟水流、海啸波涛以及泥石流；
57.(2)火灾模型：三维场景仿真通过处理信息输入、建模、行为分析和结果输出的仿真环节，通过定性模型推导火灾现场的模拟展示和数据描述，其中蔓延场景分为若干区间和时间段，对于蔓延范围内的建筑物依据结构类型和受影响情况确定房屋的蔓延起火概率，经过天气状况修正，通过随机参数生成确定该房屋是否被蔓延，并通过三维场景进行立体展示；场景再现从场景库调用脚本参数对建筑物进行起火渲染，并叠加到城市场景中生成火灾场景；对于易燃易爆、有毒有害气体采用高斯模型，包括适用于连续源气体扩散的高斯烟羽模型和适用于瞬时源气体扩散的高斯烟团模型；火灾模型提供各种模型的求解分析算法，包括确定发火位置、温度场及火风压计算、确定烟侵范围、风流紊乱、避灾最短路线、误差函数、三爆性质判定推理和自动绘图，根据火灾模型完成解算风网、求解最佳救灾与避灾路线、火灾模拟计算、控风计算等救灾决策的辅助指导工作。
58.(3)水灾模型：包括危险性分析、易损性分析和水灾灾情评估。危险性分析包括受洪水威胁地区可能遭受洪水影响的强度和频度，强度用淹没范围、深度表示，频度用重现期表示；易损性用于表示承灾体遭受不同强度洪水的可能损失程度，用损失率表示；灾情分析包括基于危险性分析、易损性分析，依据dem模型计算不同强度洪水可能造成的损失大小，包括：从危险性分析结果中确定承灾体所处位置可能遭受的洪水强度，从易损性分析结果确定承灾体该洪水强度下可能的损失率，将损失率乘以承灾体价值得到可能损失值，所有承灾体损失值累加得到总体损失值。
59.(4)危化品泄漏模型。模拟三维场景中的泄漏地点，明确危化品种类，展示事故位置、事故发生时间、是否泄漏、有无火灾、泄漏原因、人员伤亡情况、道路堵塞情况、重点保护对象、隔离范围、防护范围、安全距离模拟数据和安全区域模拟数据。模型可结合模拟评价的对象、所涉及的危险介质的存储状态、周围的地理及气候条件、事故发生的机理及原因和演练要求进行选取，必要时针对模拟对象重新建模或对现有模型进行修正，描述泄漏云团扩散过程的数学模型中最常用的是描述易燃易爆、有毒有害气体的高斯模型。
60.(5)地质灾害模型。描述灾害发生点的地形地貌特征，包括地形坡度、长度面积、规模、坡面形态、地质组成、沟谷特征和植被特征，同时利用三维遥感图像，描述地质灾害的位置、类型、边界、规模、活动方式、稳定状态，并展示其对周边环境和人员活动区域的影响程度。模型包括基于地质灾害的主要控制因素(地层岩性、地址结构、地貌形态、地层突变)和诱发因素(降雨、地震、认为活动)以及可能发生的突发性地质灾害等级，根据地质环境、生态环境和人类活动方式、强度指标提供地质灾害预测结果。
61.根据实际地震救援应急预案，建立部门协同救援模型与仿真。
62.优选的，所述步骤2中：
63.宏观灾区模型用于宏观层次了解形势，指派任务，搜索营救去的划分，宏观灾区模型采用三维表面模型，如地形高程数据模型加三维纹理贴图或者对灾区场景粗略的建模；
64.搜索区域模型面向现场决策分析，包括指挥员受领任务、抵达现场、调查评估、场区划分与警示、人员安排与装备配置等虚拟训练过程的实现，搜索区域模型反映的地域为宏观灾区模型的一部分，根据训练想定生成模块制定的需要搜索人员查找受难者的区域，搜索区域模型采用三维实体模型与三维表面模型相结合的方法，建筑物与废墟采用三维实体模型，其周围环境采用三维表面模型；
65.作业现场模型：面向动态安全监视、施救方案设计、施救过程，在此过程中涉及到实体的改变，因而采用三维实体模型建模，并需要对实体的重量、硬度、表面光洁程度、与相邻实体连接的力度等物理与行为特性建模。这部分的模型精细，因此只能建立搜索区域中的一个小的区域，该小的区域为施救人员开展营救行为的地方。
66.作为优选的实施方式，根据地震灾害场景编辑器的编辑，一个宏观灾区模型区域可包含多个搜索区域，一个搜索区域中可包含多个作业现场模型对应的区域，系统管理人员可通过训练环境生成与扩展系统，来控制训练想定生成模块，以制定宏观灾区中包含的搜索区域的数量与位置，以及指定在搜索区域中包含的作业现场对应的区域的数量与位置。
67.在场景建模过程中，采用三维表面模型、三维实体模型以及三维虚体模型结合的方法。
68.在虚拟地震灾害场景建模过程中，综合使用不同的建模方法，按照先地面，再地上与地下；先实体再场景的原则，综合利用以上三种模型对应的表面建模、实体建模和特征建模来完成场景模型的创建。
69.表面建模：用于仿真显示，在仿真过程中一般不会与表面模型交互。
70.实体建模：在计算机内部存储的信息不是简单的边线或顶点信息，而是准确、完整、统一地记录了实体的各个方面的数据，实体建模定义一些基本体素，通过基本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，特点在于三维立体的表面与对应实体同时生成。实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，因此能完整描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。
71.特征建模：除了实体建模已有的集合、拓扑信息之外，还包括物体特征信息和属性信息，用于具体搜救操作涉及的精细场景和工具的建模。
72.作为优选的实施方式，在地震灾害场景中，复杂三维实体包括：道路桥梁、城市辅助设施(公园、车站等)、堤防、管道等，对于这种实体的建模采用预先生成，在场景建模时直接整体添加，三维实体库作为构建三维场景的材料，其中三维实体库如下表1所示。
73.表1
[0074][0075]
地震灾害场景模型的优化对延时速度影响很大，前期如果不对场景的模型进行优化，制作后期再对模型优化时需要重新回到3dmax里重新修改模型，并进行重新烘焙后再导入虚拟演练系统场景中，出现了重复工作情况，会降低工作效率。因此所述模型的优化在创建场景时完成，并且所述模型为简模。
[0076]
因此在3dmax中的简模建立包括：
[0077]
(1)虚拟现实中的运行画面每一帧靠显卡和cpu实时计算，如果面数太多，会导致运行速度急剧下降，甚至无法运行，模型面数过多会导致文件容量增大，在网络发布时会导致下载时间增加，因此需要控制模型面数；
[0078]
(2)在调用模型或创建模型时，模型的三角网格面尽量是等边三角形，不要出现长条形，这是由于长条形的面不利于实时渲染，还会出现锯齿、纹理模糊的现象。
[0079]
(3)在表现细长条的物体时，尽量不用模型而用贴图的方式表现。在为vrp创建简模的情况下，不要将细长条的物体做成模型，如窗框、栏杆、栅栏，这是因为这些细长条的物体会增加当前场景文件的模型数量，并且在实时渲染时会出现锯齿与闪烁现象。
[0080]
(4)重新创建简模由于在精模基础上的修改的速度，如从模型库调用一个沙发模型，其扶手模型面数为1310，而重新建立一个相同尺寸规格的模型面数仅仅为204。
[0081]
(5)模型的数量不能太多。如果场景中的模型数量太多会给后面的工序带来很多麻烦，例如会增加烘焙物体的数量和时间，降低运行速度等，因此优选一个完整场景中的模
型数量控制在2000个以内。
[0082]
(6)合理分布模型的密度。模型的密度分布不合理会对后面的运行速度有影响，不均匀的模型密度会导致运行速度时快时慢，因此需要合理分布地震灾害虚拟场景的模型密度。
[0083]
(7)相同材质的模型，尽量合并，远距离模型面数多的物体不要进行合并。在地震灾害虚拟场景中，尽量合并材质类型相同的模型以减少物体个数，加快场景的加载时间和运行速度；如果模型的面数过多且间隔距离较远则不进行合并，否则会影响虚拟场景的运行速度。
[0084]
(8)保持模型面与面之间的距离。在地震灾害虚拟场景简模过程中，所有模型的面与面之间的距离不能过近，优选最小间距为当前场景最大尺度的二千分之一。例如，在制作室内场景时，物体的面与面之间的距离不要小于2mm；在制作场景长或宽为1km的室外场景时，物体的面与面之间距离不小于20cm。如果物体的面与面之间太近，在运行地震灾害场景时，会出现两个面交替出现的闪烁场景。
[0085]
(9)对于复杂造型，使用贴片或实景照片表现更好的效果与更高的运行速度，在地震灾害场景中用plant替代复杂模型，贴片表现复杂结构，如植物、装饰物以及模型上的浮雕效果。
[0086]
材质库用于渲染实体，增强真实感，有效减少模型复杂性。不同类型的材质采取不同的烘焙方式。完成场景模型建立后，为该模型添加材质，由烘焙类型不同决定模型所使用的不同材质类型为：
[0087]
(1)烘焙lightingmap：材质类型设置为：advanced lighting、architecturd、lightscape mt1、standard的材质类型，在物体的diffuse漫反射通道上添加一张基本的纹理贴图，格式为tga、png、bmp、jpg、dds格式。
[0088]
(2)烘焙completemap:作图必须要使用其他材质类型时，将物体烘焙为completemap，此外，如果该物体的diffuse漫反射通道上没有添加纹理贴图的情况，将物体烘焙为completemap。
[0089]
实施例二，如图2所示，一种基于地震救援虚拟演练系统的虚拟地震灾害场景优化装置，包括：
[0090]
201，初级模型建立模块，用于建立初级模型；
[0091]
202，优化模块，用于根据初级模型以三层不同细节度分别建立宏观灾区模型、搜索区域模型以及作业现场模型，不同细节度模型对应不同的演练任务。
[0092]
该装置可实现上述实施例一提供的优化方法实现，具体的实现方法可参见实施例一中的描述，在此不再赘述。
[0093]
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
[0094]
如图3所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
[0095]
本实施例具有多级可控、重复开启、迅速恢复原貌等功能，实现建筑坍塌培训设施的“动态化”+“智能化”特点。
[0096]
(1)典型建筑自重作用下倒塌废墟分布结果；
[0097]
(2)典型建筑物废墟在三种震级余震作用下余震后的废墟分布结果。
[0098]
上述模拟结果将以三维模型作为地震坍塌模拟装置的输入，通过现代科技手段搭建和装饰，逼真再现实际场景；
[0099]
(3)填补现有地震坍塌场景呆板、正对性不强、真实感不强的问题，为提升地震坍塌场景救援培训效果找到一条可持续发展的新路。
[0100]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。