地震灾场模拟及救援虚拟仿真训练系统研究

论文摘要

实践证明，开展地震紧急救援工作是防震减灾的关键举措之一，是震后最大程度减少人员伤亡的必要政府行为。“科学救援”是现代救援的重要理念，如何确保“双安全”，即幸存者和救援人员本身的安全是救援行动中最为重要的问题。救援技能和水平的提高依靠科学的培训，现实的情况往往无法不断提供大震巨灾的模拟训练环境，而虚拟仿真技术可以构建出逼真的虚拟震灾场景和救援废墟环境。不同规模的虚拟地震灾场，能让救援队员了解严酷的真实救援环境，并可根据具体虚拟废墟开展救援策略和方法的研讨。由此可见，开展灾场模拟和虚拟仿真训练系统对救援训练来说，具有极其重要的现实意义。本文对地震灾害场景仿真模拟技术与方法、地震救援虚拟仿真训练系统等开展初步的探索性研究。主要研究内容摘要如下：一、系统仿真的理论阐述从系统科学、建模理论及相似方法等角度出发，论述了系统仿真的理论基础，阐述了系统仿真的涵义、分类方法、研究过程、技术特性及适用范围等。为本文的研究奠定基本的理论基础。二、基于震害仿真模型的建立方法总结了多层砖房、钢筋砼框架结构及砖(土)木结构的典型震害特征，从大量震害图片中提取典型震害特征并进行Photoshop图形处理，建立典型震害特征图形库；应用外部建模软件3DSMax建立多层砖房、框架结构、砖(土)木结构的5个破坏等级的三维震害仿真模型，为本文地震灾场仿真模型提供了驱动的主体。三、建筑废墟的分类方法提出基于救援的建筑废墟分类方法，依据废墟的用途与功能将其分为现场救援废墟、救援训练废墟、救援演练废墟、救援仿真废墟、救援沙盘废墟等五类，并初步给出定义和基本内涵。为今后针对废墟的救援研究工作奠定了基础。四、地震灾害场景仿真模型确定了地震灾害场景仿真模型的研究目标，并依此给出了模型的功能组成和研究思路；阐明了地震灾害场景中的影响场是不限于特定地震地质背景的具有普遍意义的地震影响场估计，介绍了几种可用于本模型的震中烈度与震级关系模型、地震烈度圆形衰减模型，并按照等面积原则计算了96个已发生地震的烈度等效圆半径，建立数据库进行管理；提出以破坏等级为桥梁，基于震害预测方法的虚拟地震灾害场景内房屋震害状态与分布控制模型，通过数学方法推演完成了153个历史地震的几类结构的震害矩阵，并建立数据库进行管理。五、地震灾害场景仿真生成系统利用计算机仿真技术，编程实现了地震灾害场景仿真模型，开发了虚拟地震灾害场景仿真生成系统；通过系统的想定参数设置，系统生成了设定地震的虚拟灾场，模拟了随影响场的空间分布、不同房屋结构不同震害的空间分布特征；系统生成的灾场环境逼真，验证了地震灾害场景仿真模型的可靠性，体现了震害三维仿真模型的逼真效果；系统支持在虚拟灾害场景中添加房屋震害模型，并实现了基于碰撞检测的废墟再修改和生成系统，扩展了系统的功能。六、地震救援虚拟仿真训练系统总结了地震救援行动的原则和方法，着重阐述了营救行动的多个业务模型；主要介绍了地震救援虚拟仿真训练系统的功能设计、整体设计、结构组成及训练想定、系统结构、仿真资源的管理、虚拟人的控制，操作子系统的基本功能等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文选题背景
• 1.1.1 我国的地震灾害背景
• 1.1.2 汶川地震中的应急救援
• 1.1.3 应急与救援体系回顾
• 1.1.4 应急救援领域急需解决的问题
• 1.1.5 虚拟仿真系统研究进展及应用
• 1.2 本文的研究思路
• 1.3 主要内容及安排
• 第二章 系统、建模与系统仿真
• 2.1 系统与建模
• 2.1.1 系统
• 2.1.2 建模要点、内涵及方法
• 2.2 系统仿真
• 2.2.1 仿真理论依据
• 2.2.2 系统仿真的研究过程
• 2.2.3 系统仿真的分类
• 2.2.4 系统仿真的特性和应用
• 2.3 本章小结
• 第三章 房屋震害三维立体仿真破坏模型
• 3.1 引言
• 3.2 结构震害的评定
• 3.2.1 破坏等级划分标准
• 3.2.2 破坏等级划分实例
• 3.3 几类常见房屋的典型震害特征
• 3.3.1 框架结构房屋的典型震害特征
• 3.3.2 多层砖房的典型震害特征
• 3.3.3 砖（土）木结构的典型震害特征
• 3.4 地震救援相关的建筑废墟分类研究
• 3.5 三维仿真模型建立
• 3.5.1 3dsMAX的建模方法
• 3.5.2 震害三维仿真模型的建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 地震灾害场景仿真模型及实现
• 4.1 基本研究思路
• 4.2 地震灾场中影响场的估计
• 4.2.1 震中烈度与震级关系
• 4.2.2 地震烈度的衰减关系
• 4.3 房屋震害状态与分布控制模型（震害矩阵法）
• 4.3.1 多层砌体（砖混）结构
• 4.3.2 多层钢筋混凝土结构
• 4.3.3 建立震害矩阵数据库
• 4.3.4 模拟区域的各类房屋分布
• 4.4 地震灾害场景技术实现
• 4.4.1 系统总体结构
• 4.4.2 系统想定生成控制
• 4.4.3 图形生成速度的LOD技术
• 4.4.4 地形数据的组织
• 4.4.5 破坏模型物理交互模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 地震救援虚拟仿真训练系统
• 5.1 引言
• 5.2 救援的基本业务模型
• 5.2.1 营救行动基本业务关系模型
• 5.2.2 现场营救行动的基本原则
• 5.3 地震救援虚拟仿真训练系统
• 5.3.1 系统的功能设计
• 5.3.2 系统的整体设计
• 5.3.3 系统的组成设计
• 5.3.4 各子系统
• 5.3.5 操作训练子系统设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 结语与展望
• 6.1 主要研究成果和结论
• 6.2 主要创新性成果
• 6.3 今后工作的展望
• 参考文献
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 作者简介