基于C#和Arc Engine的毒氣擴散仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張慶龍，戴毅茹，趙榮泳

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

隨著仿真技術的發(fā)展，氣體擴散過程的模擬仿真研究進入了一嶄新的階段。目前GIS技術已經(jīng)逐漸被用于氣體擴散過程的模擬仿真，它是一種以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間動態(tài)的地理信息，為相關研究和決策服務的計算機技術系統(tǒng)。從技術和應用的角度，GIS具有強大的空間分析、模擬及可視化表達能力[1]。ArcGIS Engine是在ArcGIS9版本才開始推出的新產(chǎn)品，是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫[2]。

本文基于C#開發(fā)語言和ArcGIS Engine繪圖技術，采用C/S模式設計了毒氣擴散動態(tài)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)選擇具有連續(xù)性泄漏特點的毒氣擴散模型，采用C#和ArcGIS Engine提供的繪圖方法及關鍵技術對具體空間環(huán)境和氣象條件下連續(xù)點源氣體的擴散過程進行了直觀形象的模擬和分析[3]，取得了較好的效果。

1 總體設計

1.1 需求規(guī)定

毒氣擴散仿真系統(tǒng)是毒氣泄漏突發(fā)事件模擬仿真的重要工具。系統(tǒng)要求能按照毒氣泄漏事件發(fā)生后的時間t模擬毒氣擴散的狀態(tài)，并將相應仿真數(shù)據(jù)提供給用戶。系統(tǒng)操作方式需要簡單，界面需要簡潔直觀，方便用戶操作和觀看仿真結果。

1.2 運行環(huán)境

本系統(tǒng)的運行環(huán)境分為硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。硬件環(huán)境：內(nèi)存1G以上，主頻2.2GHz以上的服務器端計算機，內(nèi)存512MB以上。軟件環(huán)境：Window 2000以上的操作系統(tǒng)，安裝Framework 3.5以上環(huán)境，數(shù)據(jù)庫服務器為Arc Engine 9.3平臺。選擇Arc Engine 9.3是因為它可以為繪制的圖形提供數(shù)據(jù)存儲和記錄的功能，且安全性能高，另外還可以提供相應繪圖需要的組件和工具。本系統(tǒng)采用Visual Studio 2005開發(fā)，因為該版本的VS跟Arc Engine 9.3具有良好的兼容性，且.NET平臺具有良好的可移植性和通用性。

1.3 設計原則

系統(tǒng)設計遵循現(xiàn)在氣體擴散仿真軟件的主流特點，并融入實時性的特點，確保系統(tǒng)的現(xiàn)實性、實用性、安全性和準確性。軟件開發(fā)過程中采用國際通用的軟件開發(fā)標準和工具，確保系統(tǒng)的可維護性和擴展性。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構設計

由于毒氣擴散的動態(tài)仿真是以ArcGIS Engine的繪圖方法進行繪制的，因此，如何將ArcGIS Engine和二次開發(fā)的平臺有效結合，利用建立的毒氣擴散模型進行動態(tài)模擬也是需要解決的關鍵問題。考慮到二次開發(fā)平臺的兼容性，選擇ArcGIS Engine 9.3與C#2005結合作為二次開發(fā)的環(huán)境，并采用ArcGIS Engine繪圖方法實現(xiàn)了毒氣擴散仿真系統(tǒng)，有效地解決這個問題，整個動態(tài)仿真系統(tǒng)的架構和仿真系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 動態(tài)仿真系統(tǒng)架構和仿真系統(tǒng)結構圖

仿真計算層主要負責支撐和運行一個仿真的環(huán)境，維護仿真系統(tǒng)的時間一致性，推行仿真進程的運行，管理仿真對象的數(shù)據(jù)分發(fā)和所有權，分配仿真對象任務，維護仿真對象屬性等功能。

擴散仿真層由5大模塊組成，如圖所示，主要負責毒氣擴散仿真模型的運行，毒氣擴散狀態(tài)圖的顯示，用戶接口的交互及評價指標的生成等工作。

基礎信息模塊：5個模塊中最底層的模塊。主要功能：保存地圖上一切仿真要素信息；保存用戶設置的仿真參數(shù)；與 “永久性”存儲數(shù)據(jù)的交互 （讀取和寫入）；提供所有需要的數(shù)學計算函數(shù)。

繪圖模塊：所有的與圖形繪制相關的函數(shù)和方法都由這個模塊負責。

鼠標交互模塊：實現(xiàn)不同狀態(tài)下用戶的鼠標策略。

Arc Engine引用庫模塊：為Paint模塊提供引用庫。

用戶界面模塊：維護Interaction界面除外的所有用戶界面；捕捉用戶鼠標信息，根據(jù)鼠標的信息調(diào)用相應模塊；直接通過用戶界面設置Base中的相關信息。

2.2 仿真程序核心算法設計

基本思想是，先確定泄漏點，然后在一定的氣象和物理條件下，利用高斯煙羽模型得到毒氣擴散范圍的坐標值，將坐標值轉(zhuǎn)換到Arc Engine地圖的投影坐標系下，然后使用C#語言將轉(zhuǎn)換后的毒氣擴散范圍坐標值在Arc Engine地圖上呈現(xiàn)出毒氣擴散致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的等濃度區(qū)域分布圖，算法流程見圖2。其中，模擬范圍為下風向1500m以內(nèi)，每5s計算一次毒氣擴散范圍。

圖2 核心算法流程圖

2.3 系統(tǒng)基本功能

毒氣擴散仿真系統(tǒng)由地圖導入、事故點建模、風向建模、毒氣模型參數(shù)設置和毒氣繪制五個部分組成。

采用ArcGIS Desktop設計系統(tǒng)需要的地圖。在模擬毒氣擴散的同時，系統(tǒng)自動計算出每個時間點對應的三個毒氣擴散區(qū)域即死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)的擴散縱深。

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

（1）氣體擴散模型選擇。近年來，國內(nèi)外對氣體泄漏擴散模型進行了大量研究和改進，已經(jīng)有多個成熟?；窔怏w擴散模型，如高斯模型、Sutton模型、平板模型等[4,5]。目前，?；窔怏w擴散模型依據(jù)泄漏源的毒氣泄漏類型，可以分為瞬時型模型和連續(xù)型模型。具體選擇哪種毒氣擴散模型由應急疏散仿真系統(tǒng)的場景和特點決定。基于大范圍疏散場景和大規(guī)模、長時間連續(xù)泄漏的特點，選連續(xù)型高斯煙羽模型作為擴散模型。

高斯煙羽模型[6]，又稱為中等密度云連續(xù)擴散模型。有界的連續(xù)點源擴散高斯煙羽模型表達：

（2）Arc Engine繪圖方法。在使用模型進行模擬分析時，需要將默認的坐標系轉(zhuǎn)換成Arc Engine地圖的投影坐標系[7]；Geometry是Arc Engine中使用最為廣泛的對象集之一。通過Geometry可以繪制點、線（直線或曲線）、面等要素。利用這些基本的要素可以繪制毒氣擴散區(qū)域圖。按照直觀性的特點，對擴散區(qū)域進行渲染。按照毒氣擴散區(qū)域覆蓋的區(qū)域可視化特點，對擴散區(qū)域所在圖層進行透明化處理，因此，選擇要素作為需要繪制的對象。

（3）模型計算。高斯煙羽模型的實現(xiàn)是毒氣擴散模擬實現(xiàn)的關鍵問題，本仿真系統(tǒng)采用clsDiffusionModel類實現(xiàn)。因此，clsDiffusionModel類的實現(xiàn)是仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。

3 系統(tǒng)應用舉例

本文選取上海吳涇化工區(qū)為地圖，地圖范圍（2.2×3.6）Km。以表1和表2的初始條件為例，利用仿真系統(tǒng)對吳涇化工區(qū)附近突發(fā)的毒氣泄漏事件進行模擬仿真，并對毒氣擴散的區(qū)域縱深與高斯煙羽模型的關鍵參數(shù)的關系進行了簡要研究。

表1 初始條件

表2 初始條件

3.1 基于表1初始參數(shù)的毒氣擴散區(qū)域圖

圖3 t=10min和t=15min毒氣擴散示意圖

3.2 基于表1初始參數(shù)的毒氣擴散區(qū)域縱深與時間t的關系圖

圖3表明在不同時刻的毒氣擴散區(qū)域圖，圖4更詳細地表明了在初始條件下，毒氣擴散區(qū)域縱深與泄漏發(fā)生后時刻t的關系。該系統(tǒng)不僅可以動態(tài)模擬毒氣擴散的狀況，還可以通過調(diào)節(jié)高斯煙羽模型關鍵參數(shù)，模擬出不同的毒氣擴散情景，這樣增加了仿真系統(tǒng)的可塑性。

圖4 毒氣擴散區(qū)域縱深和時間t的關系圖

4 結論

本文以突發(fā)的毒氣泄漏事件為研究背景，對Arc Engine仿真技術在毒氣擴散仿真中的應用進行了細致研究，實現(xiàn)了基于Arc Engine仿真技術和高斯煙羽模型的毒氣擴散動態(tài)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅使毒氣泄漏的擴散狀態(tài)直觀化、準確化、實時化，而且對毒氣泄漏事故現(xiàn)場的預測、評估和后續(xù)人員疏散方案的制定具有良好的輔助決策作用。

[1]鐘登華，宋洋，黃河，鄭家祥.基于GIS水電工程施工系統(tǒng)的三維動態(tài)圖形仿真技術[J].系統(tǒng)仿真學報，2003，12.

[2]孫麗，高飛，胡小華，馬傳松.Arc Engine插件式GIS二次開發(fā)框架的設計和實現(xiàn)[J].測繪科學，2011，5.

[3]金陶勝，余志.基于GIS的汽車尾氣污染擴散仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，11.

[4]陳國華，張靜，潘游，等.區(qū)域風險評價方法研究[J].中國安全科學學報，2006，6.

[5]R.Ohba，A.Kouchi，T.Hara，V.Vieillard and D.Nedelka.Validation of Heavy and Light Gas Dispersion Models for the Safety Analysis of LNG Tank[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries.2004，5.

[6]鄧金華，沈賢明，張保平，王建兵.Mat lab在化學危險性氣體擴散模擬分析中的應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2005，5.

[7]劉進忙，張曉剛.經(jīng)緯度坐標變換及其在防空C3I系統(tǒng)中的應用[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2002，1.