一种地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统

摘要

本发明涉及一种地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统，其包括数据层、接口层、功能层和应用层；所述数据层用于底层数据的存储管理功能；所述接口层，用于对底层数据的读写访问接口以及设备访问接口功能；所述功能层，用于为系统提供各种功能模块；所述应用层，用于想定生成、想定编辑、数据管理和虚拟灾场显示。本发明的有益效果为：三维虚拟仿真地震灾害场景可视化方法是运用虚拟现实技术通过对三维图形的建模及对单体房屋震害模块调用机制管理来完成虚拟灾场建构，主要模拟真实地震灾害现场中房屋破坏状况及灾区影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统。

背景技术

地震灾害具有突发性、难预测、范围广、损失大等特点。破坏性地震灾害发生后，政府需要立即部署和开展包括紧急救援、应急抢险、灾民安置、恢复重建等一系列减灾行动和措施，这些措施和行动的前提就需要能对本次地震灾害进行快速、系统、客观的损失评估。灾评工作具有很强的实践特点，对队员进行培训尤其要考虑实战情境，当然在地震现场实际灾评中锻炼队伍是最好的选择，但往往在紧急状态下难以顾及培训后备灾评队员的事情。

尽管国家标准《GB/T 18208.4-2004 地震现场工作第四部分：灾害直接损失评估》已颁布，但由于地震灾害事件对于一个地区而言是小概率事件，我国部分地震灾评人员实战经验缺乏的现状难以改变，急需一套地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统。如何利用虚拟现实、仿真建模、可视化等技术建立不同地震规模且相对科学、逼真的虚拟地震灾害现场环境是一个需要迫切解决的关键技术问题，有必要提供一套地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种改造型地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统，具有虚拟震害现场逼真、训练和推演模型可靠、操作简单、实用性强、视觉延迟可接受及便于扩展和维护，以克服目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统，包括数据层、接口层、功能层和应用层；所述数据层用于底层数据的存储管理功能，包括地形数据模块、废墟数据模块、部件数据模块、特效数据模块、想定数据模块；所述接口层，用于对底层数据的读写访问接口以及设备访问接口功能，包括数据访问接口和设备访问接口，数据访问模块分别与数据层的各个模块连接；所述功能层，用于为系统提供各种功能模块，包括场景数据管理模块、数据渲染模块、数据优化和管理模块、动力学计算模块、LOD计算模块、任务处理模块以及消息解析模块，任务处理模块以及消息解析模块与接口层的设备访问接口连接；所述应用层，用于想定生成、想定编辑、数据管理和虚拟灾场显示，包括想定生成模块、想定编辑模块、数据管理模块以及场景显示模块，场景显示模块分别与功能层的数据渲染模块、数据优化和管理模块、动力学计算模块、LOD计算模块连接，想定生成模块、想定编辑模块和数据管理模块与功能层的场景数据管理模块连接。

上述地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统的实现方法，包括以下步骤：

1）从大量震害图片中提取各类工程结构的典型震害特征并进行Photoshop图形处理，通过数据层中的各个模块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）木结构的破坏等级的三维震害仿真模型，为地震灾场仿真模型提供了驱动的主体；

2）通过功能层的各个模块定义地震灾害场景模型，完成地震影响场的空间分布模拟；利用结构易损性分析模型完成对不同影响场内工程结构物的不同震害程度仿真模型的空间布置；

3）功能层的场景数据管理模块建立图形编辑和操作监视功能，提供对各类仿真模型的拷贝、移动、删除和重新编辑等操作，并设置多种类型的观察模式和操作监视功能，在监视状态下能模拟评估震害损失的过程；

4）虚拟灾场显示最终通过应用层的场景显示模块返回给用户。

本发明的有益效果为：通过对地震灾害现场损失评估技术人员培训需求的剖析，本着“强调功能上实用，技术实现合理”的原则，系统充分考虑地震灾害现场可能发生的诸多情况和问题，编辑大量的情境事件和模块库，给用户提供尽量丰富的培训介质和环境；三维虚拟仿真地震灾害场景可视化方法是运用虚拟现实技术通过对三维图形的建模及对单体房屋震害模块调用机制管理来完成虚拟灾场建构，主要模拟真实地震灾害现场中房屋破坏状况及灾区影响。该系统具有虚拟震害现场逼真、训练和推演模块可靠、操作简单、实用性强、视觉延迟可接受及便于扩展和维护等特点。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统的结构框图。

图中：

1、数据层；2、接口层；3、功能层；4、应用层；5、地形数据模块；6、废墟数据模块；7、部件数据模块；8、特效数据模块；9、想定数据模块；10、数据访问接口；11、设备访问接口；12、场景数据管理模块；13、数据渲染模块；14、数据优化和管理模块；15、动力学计算模块；16、LOD计算模块；17、任务处理模块；18、消息解析模块；19、想定生成模块；20、想定编辑模块；21、数据管理模块；22、场景显示模块；23、键盘；24、鼠标。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例所述的一种地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统，包括数据层1、接口层2、功能层3和应用层4；所述数据层1用于底层数据的存储管理功能，包括地形数据模块5、废墟数据模块6、部件数据模块7、特效数据模块8、想定数据模块9；所述接口层2用于对底层数据的读写访问接口以及设备访问接口功能，包括数据访问接口10和设备访问接口11，数据访问模块10分别与数据层1的各个模块连接；所述功能层3用于为系统提供各种功能模块，包括场景数据管理模块12、数据渲染模块13、数据优化和管理模块14、动力学计算模块15、LOD计算模块16、任务处理模块17以及消息解析模块18，任务处理模块17以及消息解析模块18与接口层2的设备访问接口11连接；所述应用层4用于想定生成、想定编辑、数据管理和虚拟灾场显示，包括想定生成模块19、想定编辑模块20、数据管理模块21以及场景显示模块22，场景显示模块22分别与功能层3的数据渲染模块13、数据优化和管理模块14、动力学计算模块15、LOD计算模块16连接，想定生成模块19、想定编辑模块20和数据管理模块21与功能层3的场景数据管理模块12连接。所述设备访问接口11与终端连接，通过键盘23和鼠标24输入相应信息。

上述地震现场灾害评估虚拟仿真培训系统的实现方法，包括以下步骤：

1）从大量震害图片中提取各类工程结构的典型震害特征并进行Photoshop图形处理，通过数据层中的各个模块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、砖或土木结构的破坏等级的三维震害仿真模型，为地震灾场仿真模型提供了驱动的主体；

2）通过功能层的各个模块定义地震灾害场景模型，完成地震影响场的空间分布模拟；利用结构易损性分析模型完成对不同影响场内工程结构物的不同震害程度仿真模型的空间布置；

3）功能层的场景数据管理模块建立图形编辑和操作监视功能，提供对各类仿真模型的拷贝、移动、删除和重新编辑等操作，并设置多种类型的观察模式和操作监视功能，在监视状态下能模拟评估震害损失的过程；

4）虚拟灾场显示最终通过应用层的场景显示模块返回给用户。

地震现场评估方法其理论依据是统计学的原理，通过抽样调查，得出样本的震害评估结果，再将样本的损失结果外推到整个地震灾区，进而得到整个地震影响区的损失结果。直接损失评估中的房屋损失评估模型：

                                                                        

式中： ——房屋破坏直接经济损失；为一次灾评中划分评估子区的数量；为一个评估区内房屋分类的数量；为房屋破坏等级，通常划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏5个等级，对土坯房等农村简易房屋为了简化基本完好、破坏、毁坏三个等级；——第评估子区类房屋总建筑面积；——第评估子区类房屋种破坏等级的破坏比；——第评估子区类房屋种破坏等级的损失比；——第评估子区类房屋重置单价。

在本发明系统中，可视化是系统的一个必不可少的部分。三维虚拟地震灾害场景可视化实现是运用虚拟现实技术通过对三维图形的建模及对单体房屋震害模型调用机制管理来完成虚拟灾场建构，本系统主要模拟真实地震灾害现场中房屋破坏状况及灾区影响。

地震灾场是指受地震直接破坏影响的自然区划范围，它横跨系统受灾至系统初步恢复灾前功能这一时间区段。因此，地震灾场应该是一个复杂的大系统，实际上包含了在震后一段时期内，在整个地震波及破坏的区域内所有地震影响，对如此复杂、庞大的系统进行研究可能造成数据爆炸，模型是原型的抽象和简化表征，建模本身是一个持续的永无止境的活动集合，控制并规定了建模方向和模型的精细程度。地震灾害场景仿真模型的为系统提供相对客观、真实的震后房屋建筑破坏状态及其空间分布。地震灾害场景模型，不是复杂的灾场概念，而是以表现房屋建筑破坏为主，适当将次生灾害、天气状况、地形地貌进行耦合的地图系统生成的虚拟仿真灾场环境震灾害模拟场景。模型解决三个方面的问题，一是地震影响场的分布；二是不同影响场内建筑结构不同震害程度的体现；三是对破坏房屋个体模型能进行操作和加工。

原型的特性决定了模型的基本特征和建模的方式，房屋震害三维仿真模型的研究与建立，要求模型与原型在震害特征方面保持一致性，因此，通过以往发生的历次强震震害调查和结构振动台试验分析等方法而总结出的震害特征和经验规律，是描述仿真模型特性的主要先验知识。在地震现场可以发现不同结构类型的房屋震害表现也不一样，但对若干次地震现场的震害进行总结，则每种结构类型的房屋总能总结出典型的震害特征或震害现象，且彼此大同小异。因此，利用总结出的不同结构类型的典型震害特征进行建模是可靠的，能客观反映出房屋震害状态。建立单体房屋震害仿真模型库，模型原型来源于真实地震现场的资料，对每个建立的模型进行详细描述：（1）建筑名称；（2）建筑年代；（3）结构类型；（4）场地状况；（5）使用现状；（6）震损状态（轻微损坏，中等破坏，严重破坏和毁坏）；（7）设计图纸；（8）模型ID；（9）针对模型出的试题及关联ID。模型库除模型的震损状态、结构类型、ID号为必须属性，其它最好为完整。