基于Unity3D的化工事故演化场景研究

第３青岛科技大学学报（自然科学版）８卷增刊１Ｖｏｌ．３８Ｓｕ．１ｐ

　　（）２０１７年８月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎＡｕ．２０１７　　　　　　　　ｇｙｇｙｇ　

（）１６７２６９８７２０１７Ｓ１００８１０３　　文章编号：－－－基于Ｕｎｉｔ３Ｄ的化工事故演化场景研究ｙ

贾旭清，田文德＊，杨　越

（）青岛科技大学化工学院，山东青岛２６６０４２

摘　要：针对当前化工事故频频发生，化工安全问题亟待解决，但是员工培训多数局限于理论，真正在工厂亲身经历开停车、检修和紧急事故次数极少的难题，开发了一套基于Ｕｎｉｔｙ平台的球罐泄漏虚拟场景。系统使用３ＤＳ　Ｍａｘ软件建模，ＵｎｉｔＢＲ物理渲染、ＧＩ实时渲染、Ｓｈａｄｅｒ着色器对场景中各物体进行绘制，Ｓｈｕ－ｙ的Ｐｒｉｋｅｎ粒子系统进行特效制作，Ｃ＃语言编写脚本来调用各种效果和实现数据的输入输出，ＧＵＩ实现界面交互。

通过连接外部设备ＨＴ在虚拟的化工厂区漫游，真实体验化工事故的发生过程。ＣＶｉｖｅ进入虚拟场景，　关键词：Ｕｎｉｔ３Ｄ；虚拟现实；球罐；ＨＴＣＶｉｖｅ设备；粒子系统；ＶＲ＋化工　ｙ中图分类号：Ｏ６２５．３２　　　文献标志码：Ａ　

ＣｈｅｍｉｃａｌＡｃｃｉｄｅｎｔＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｒＳｃｅｎａｒｉｏＳｔｕｄＢａｓｅｄｏｎＵｎｉｔ３Ｄ　　　　　ｙｙｙ　　

，，ＪＩＡＸｕｉｎＴＩＡＮ　ＷｅｎｄｅＹＡＮＧＹｕｅ　　ｑｇ

（，Ｑ，Ｑ）ＣｏｌｌｅｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｉｎｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｉｎｄａｏ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　ｇｇｇｇｙｇｙｇ　

：，，ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒａｃｃｉｄｅｎｔｓｈａｅｎｆｒｅｕｅｎｔｌ．Ｃｈｅｍｉｃａｌｓａｆｅｔｉｓｓｕｅｉｓｏｆｒｅａｔｓｉｎｉｆｉｃａｎｃｅ　　　　　　　　　ｙｐｐｑｙｙｇｇ　

，ｂｕｔｓｔａｆｆｔｒａｉｎｉｎｉｓｌａｒｅｌｃｏｎｆｉｎｅｄｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｅｘｅｒｉｅｎｃｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｔａｒｔｕ＆ｓｈｕｔｄｏｗｎｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　　　　　　　　　　ｇｇｙｐｙｐ　　　　，ｅｍｅｒｅｎｃ．ＩｎｔｈｉｓａｅｒｗｅｒｏｏｓｅａｓｅｔｏｆｖｉｒｔｕａｌｔａｎｋｌｅａｋａｅｓｃｅｎｅｂａｓｅｄｏｎＵｎｉｔｌａｔｆｏｒｍ，ｕｓｉｎａｎｄ　　　　　　　　　　　　　　ｇｙｐｐｐｐｇｙｐｇ　

，，，ｔｈｅ３ＤＳ　ＭａｘｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｍｏｄｅｌＵｎｉｔ＇ｓＰＢＲｔｏｒｅｎｄｅｒｓｈａｄｅｒｔｏｄｒａｗｔｈｅｏｂｅｃｔｏｎｔｈｅｓｃｅｎｅｈｓｉｃａｌａｒ　　　　　　　　　　　　　　　　－ｙｊｐｙｐ，ｔｉｃｌｅｓｓｔｅｍｆｏｒｓｅｃｉａｌｅｆｆｅｃｔｓＣ＃ｌａｎｕａｅｓｃｒｉｔｔｏｃａｌｌａｖａｒｉｅｔｏｆｅｆｆｅｃｔｓａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｕｔａｎｄｏｕｔｕｔ　　　　　　　　　　　　　　　　ｙｐｇｇｐｙｐｐ　

，ｄａｔａＧＵＩｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｏｅｒａｔｏｒｓｃａｎｅｎｔｅｒｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｃｅｎｅｂｃｏｎｎｅｃｔｉｎａｎｅｘｔｅｒｎａｌ　　　　　　　　　　　　ｐｙｇ　　，，ｗｄｅｖｉｃｅＨＴＣＶｉｖｅａｎｄｒｏａｍｉｎｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｃｈｅｍｉｃａｌｉｔｈａｒｅａｌｅｘｅｒｉｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｌａｎｔ　　　　　　　　　　　　　　　ｐｙｐｏｆｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔ．ｒｏｃｅｓｓ　　　ｐ

：Ｕ；；ＨＴ；Ｋｅｗｏｒｄｓｎｉｔ３Ｄ；ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｓｈｅｒｉｃａｌｔａｎｋＣＶｉｖｅｅｕｉｍｅｎｔｓｓｔｅｍ；ＶＲ＋ｃｈｅｍｉｃａｌａｒｔｉｃｌｅ　　　　　ｙｙｐｑｐｙｐｙ　　　随着虚拟现实技术理论和硬件设备的急速发展，

“被广泛地应用于各专业领域，如ＶＶＲ＋”Ｒ＋军事、ＶＲ＋医疗、ＶＲ＋教育、ＶＲ＋化工等等。虚拟现实技术正在推动着化工仿真领域地向前发展。借助Ｕｎｉｔｙ引擎自身的Ｓ物理系统、全局光照、导航网格寻ｈｕｒｉｋｅｎ粒子系统、地形工具等功能，本文开发了一套球路、Ｓｈａｄｅｒ着色器、罐泄漏事故的再现和演化场景，用于化工事故的分析和人员培训。

ＰｈｏｔｏｓｈｏｕｔｏＣＡＤ　ｐ对建筑物图片进行修整。以标准的Ａ图纸作为模型的设计依据，并将其导入到３ＤＳＭａｘ中作为底图。根据计算的数据来确定挤出模型的高度，并添加ＥｄｉｔａｂｌｅＰｏｌ　ｙ修改器对模型的细节进行处理。对位置不明显、场景中不重要的部分尽量使用贴图，以减少场景的数据量，然后运用展ＵＶ方法或ＵＶＷ贴图修改器调整贴

２］

。最终经过调整灯光、图坐标［摄像机、Ｖ－Ｒａｙ渲染器渲

染，渲染出图。

１　厂区装置的建模

其明显的优势３ＤＳＭａｘ作为应用最广泛的建模软件，就是拥有强大的多线程运算能力，能够实现多样的建模类型以及强大的制作动画能力，拥有比较优秀的材质编辑系统。它已经成为国际营销最为广泛的三维建模、动画与渲

１］

。染软件，广泛应用于游戏的开发［

２　化工厂虚拟环境的建立

２．１　球罐事故分析

本文主要模拟了液化烃球罐由于裂纹而产生泄漏事焊接工艺不到位或者故的发生过程。微裂纹源因为制造、

裂纹过小而未能及时检出，并且焊缝中氢在微裂纹前缘不断地积聚、循环载荷引起的疲劳或应力腐蚀等因素，促使微裂纹逐渐扩展成宏观裂缝或穿透裂缝，从而导致球罐的

对物体进行了实景拍摄和建筑图纸收集，并利用

收稿日期：２０１７０４２５－－）基金项目：国家自然科学基金项目（２１５７６１４３．

，作者简介：贾旭清（男，本科．１９９４—）　＊通信联系人．

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青岛科技大学学报（自然科学版）第３８卷

低应力脆性破坏［

３］

。泄漏的液化烃吸收了周围的热量而迅速汽化，其体积迅速增大。由于液化烃的密度一般比空气重，极易在低洼处积聚，易于被引燃发生爆炸甚至超压爆炸。２．２　应急方案研究

液化烃球罐底部会有一根注水线，在球罐发生底部泄漏的时候，将水通过注水泵沿线打入球罐底部。由于水的密度较重，从底部流出，故阻隔了液化气体的泄漏。

水冷却法主要包括两种方式，即移动式和固定式［

４］

，本文主要模拟固定式水喷雾系统。

当发生事故时可燃气报警装置发生声光报警，ＤＣＳ操作员在迅速确认出事球罐的情况下，

打开相关球罐的注水泵和注水阀，打开球罐的喷淋装置，进行降温，必要时启动消防报警，

并通知相关领导进行下一步地紧急处理。安全员根据当天的风向，通知事故球罐下风向的相关人员进行紧急撤离。２．３　化工厂区内场景的构建２．３．１　外部模型的引入

建筑物的仿真程度直接影响用户的观看体验。将３ＤＳＭａｘ中建好的模型导出，因为Ｕｎｉｔｙ中默认单位为米

制，导出３ＤＳＭａｘ模型时要注意与Ｕｎｉｔｙ的换算比例为１００∶１。若被导模型是利用镜像命令生成的，则需要对其增加Ｒｅｓｅｔ　ＸＦｏｒｍ命令进行修正，否则导出的模型在Ｕ－ｎｉｔｙ中可能会显示错误。导出时应取消Ｃ

ａｍｅｒａｓ以及Ｌｉｇｈｔｓ复选框。选中Ｅｍｂｅｄ　Ｍｅｄｉａ复选框，将嵌入的媒体一并导出。将Ａｕｔｏｍａｔｉｃ中Ａｘｉｓ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ的ｕｐ　

Ａｘｉｓ设置为Ｙ－ｕｐ，最终导出为ＦＢＸ格式文件。将导出的ＦＢＸ文件直接拖入Ｕｎｉｔｙ的Ｐｒｏｊｅｃｔ面板下的Ａｓｓｅｔｓ文件夹即可完成导入。

２．３．２　Ｕｎｉｔｙ

３Ｄ内部场景的搭建应用Ｕｎｉｔｙ自带的Ｔｅｒｒａｉｎ地形编辑工具，首先将地形基础高度设置为３０，然后使用笔刷工具开始绘制山峰和谷底，并为山峰地表赋予贴图、导入天空盒子、种植一些树木和草。效果如图１所示。

图１　场景搭建图

Ｆｉｇ

．１　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ２．３．３　粒子体系的特效制作

粒子系统中的每个粒子都具有形状、大小、颜色、透明度、运动速度、运动方向、生命周期等多种属性，而且这些粒子随时间的推移不断变化，

在时间和空间上具有动态分布特性，从而尽可能真实地模拟出具有复杂运动规律的动

态特效［

５］

。针对泄漏场景的粒子特效参数，做了如下调整：勾选Ｌｏｏｐｉｎｇ复选框，使播放效果循环；Ｓｔａｒｔ　Ｓｉｚｅ设置为０．１；将每秒发射粒子数设为４００；发射器形状为Ｃｏｎｅ，角度为５，半径为０．１；

为粒子添加碰撞实现物理效果。因为是３Ｄ场景所以选择Ｗｏｒｌｄ模式，Ｄａｍｐｅｎ设为０．１，Ｂｏｕｎｃｅ设为０．０１。在渲染模块的Ｍａｔｅｒｉａｌ中选择制作好的动画纹理，改变Ｔｅｘｔｕｒｅ　Ｓｈｅｅｔ　Ａｎｉｍａｔｉｏｎ的Ｔｉｌｅｓ将纹理划分为网格。

导入系统自带的Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｏ　Ｄａｙｔｉｍｅ预制作水面，在泄漏水流与水面交接点实例化Ｗａｔｅｒ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｐｌａｓｈ预制体，形成水面溅射，通过编辑脚本实现水面上升。核心代码如下：

ｖｏｉｄ　Ｕｐ

ｄａｔｅ（）｛

ＧａｍｅＯｂｊｅｃｔ．Ｉｎｓｔａｎｔｉａｔｅ（＿ｗａｔｅｒｆｌｏｗｉｎｇ

，Ｖｅｃｔｏｒ３ｐｏｓｉ－ｔｉｏｎ，Ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ　

ｒｏｔａｔｉｏｎ）；ＩｎｖｏｋｅＲｅｐｅａｔｉｎｇ

（＂ｓｈｕｉｌｉｕ＂，０．５ｆ，０．１ｆ）；｝

效果如图２所示。

图２　球罐泄漏效果图

Ｆｉｇ．２　Ｌｅａｋａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｐ

ｈｅｒｉｃａｌ　ｔａｎｋ　　导入系统自带的火焰粒子Ｆｉｒｅ　

Ｍｏｂｉｌｅ１，并调整其持续时间为１００．００，循环模式，最大粒子数为１　０００　０００；每秒发射粒子设为１３０；发射器为Ｂｏｘ；各轴向调整为符合防火堤的大小，调整其Ｍｉｎ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｓｉｚｅ为０．２，Ｍａｘ　

ＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅ为０．３。

触发时实例化火焰，效果如图３所示。

图３　球罐着火燃烧效果图Ｆｉｇ．３　Ｆｉｒｉｎｇ　

ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｔａｎｋ　　最后，

启动固定水喷淋系统，效果如图４所示。通过脚本改变ＷｉｎｄＭａｉｎ的大小，模拟不同风速条件。通过获取ｗｉｎｄＭａｉｎ的属性，调用ＧＵＩ．ＴｅｘｔＦｉｅｌｄ（Ｒｅｃｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｒｉｎｇ　

ｔｅｘｔ）实现界面输入的功能。效果如图５所示。

　增刊１基于Ｕｎｉｔ３Ｄ的化工事故演化场景研究　　贾旭清等：ｙ

８３

图４　球罐注水喷淋效果图Ｆｉｇ．４　Ｗａｔｅｒ　ｓｐｒａｙ　

ｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｔａｎｋ图５　场景风力效果图Ｆｉｇ

．５　Ｗｉｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ　　Ｎ

ａｖＭｅｓｈ是３Ｄ游戏世界中用于实现动态物体自动寻路的一种技术，它将游戏场景中复杂的结构组织关系简化为带有一定信息的网格，进而在这些网格的基础上通过

一系列的计算来实现自动寻路［６］

。实际导航时，只需要对

场景中的各物体进行属性的定义、烘焙，然后给导航物体挂载导航组件，导航物体便会自行根据目标点来寻找符合条件的路线，

并沿着该路线行进到目标点。本例使用导航网格寻路系统模拟厂区人员逃生情况，先将场景中能够路径查询的区域用Ｎａｖ　

Ｍｅｓｈ烘焙，再用相同方法烘焙不可查询的区域［７］

，并挂载脚本和Ｎａｖ

Ｍｅｓｈ　Ａｇ

ｅｎｔ组件，通过调用ｍａｎ．ＳｅｔＤｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ（）命令，实现人物的自动逃生。

　通过ＨＴＣ　

Ｖｉｖｅ的交互实现虚拟现实技术有３个特点。

１）沉浸性：沉浸性是虚拟现实技术的核心，通过Ｕｎｉｔｙ引擎逼真的ＰＢＲ物理渲染、ＧＩ实时渲染和Ｓｈａｄｅｒ着色器对各种图像的渲染，使用户真正沉浸到模拟的环境中去。

２

）交互性：是虚拟现实技术的高级特征之一，通过用户与虚拟世界的交互作用，

有利于用户更好地沉浸于其中。３）构想性：在科技快速发展的今天，人类面临诸多挑战，许多问题人类无法解决和突破，更无法在现实中进行实现，需要借助虚拟现实技术，从定性和定量综合集成的虚拟现实环境中进行模拟，进而对人进行启发，使人产生

构想［

８］

。通过ＨＴＣ　

Ｖｉｖｅ的外部连接，可以与场景中的物体实现更好的交互，例如：点击ＵＩ、拾取物体、与场景的物体发生碰撞等。由于ＨＴＣ　Ｖｉｖｅ定位仪采用先进的Ｌｉｇ

ｈｔ－ｏｕｓｅ光学跟踪，避免了身体和场景中物体的阻挡作用，可以最大限度地模拟真实的环境。

ＶＲ环境的开发主要是基于Ｓｔｅａｍ平台下的Ｓｔｅａｍ

ＶＲ软件，下载Ｓｔｅａｍ　ＶＲ　Ｐｌｕｇｉｎ插件和Ｖｉｖｅ　Ｉｎｐｕｔ　Ｕｔｉｌｉｔｙ

插件并将其导入到Ｕｎｉｔｙ中。导入完成之后，

首先将场景中默认创建的Ｍａｉｎ　Ｃａｍｅｒａ删除，然后将Ｃａｍｅｒａ　Ｒｉｇ

、Ｖｉｖｅ　Ｐｏｉｎｔｅｒｓ拖入到Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ面板。可通过Ｕｎｉｔｙ自带的ＵＧＵＩ创建一个Ｂｕｔｔｏｎ，同时删除Ｅｖｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ对象，之后删除Ｃａｎｖａｒ对象下的所有脚本，将渲染模式设置为Ｗｏｒｌｄ　Ｓｐａｃｅ。挂载Ｃａｎｖａｓ　Ｒａｙｃａｓｔ　Ｔａｒｇｅｔ脚本到Ｃａｎｖａｒ物体上，点击运行，按Ｔｒｉｇｇ

ｅｒ按钮实现点击动作。将Ｖｉｖｅ　Ｃｏｌｌｉｄｅｒ拖入到Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ面板，

添加任一３Ｄ物体并在物体上挂载Ｂａｓｉｃ　Ｇｒａｂｂａｂｌｅｓ脚本和刚体组件即可完成物体的拾取。通过在３Ｄ物体上添加脚本ＭａｔｅｒｉａｌＣｈａｎｇｅｒ即可完成碰撞操作。完成以上设置工作，即可佩戴Ｖｉｖｅ设备、运行场景，在场景中漫游和交互。

最终效果如图６所示。

图６　连接ＨＴＣ　Ｖｉｖｅ场景图Ｆｉｇ

．６　Ｓｃｅｎｅ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｗｉｔｈ　ＨＴＣ　Ｖｉｖｅ　结　语

突破传统单一的理论培训，在虚拟的环境中进行化工安全培训已经是化工发展的趋势。本文开发的ＶＲ系统，借助于Ｕｎｉｔｙ平台和外部设备的连接从而做到理论与操作并行，使得化工人员更好地掌握重要的化工安全知识。在今后的发展中，将积极地把目光面向于多场景、多类型的开发，不断地提升场景的沉浸感和交互性。

参　考　文　献

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南京理工大学，２００６．

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Ｍａｘ在虚拟场景建模中的应用［Ｊ］．智能计算机与应用，２０１２，２（４）：７５－７７．［３］韩伟基．球罐事故与设计质量控制［Ｊ］．石油化工设备技术，

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武汉：武汉理工大学，２００４．

［５］吴卫华，夏斌，张美英，等．基于ＳＷＯＴ分析的惠州市土地资

源可持续利用战略研究［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９（２９）：１９２－１９３．［６］刘柱，刘瑾．虚拟校园的设计和实现［Ｃ］

／／中国高等教育学会教育信息化分会第十二次学术年会论文集，中国高等教育学会教育信息化分会，２０１４．

［７］Ｕｎｉｔｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｕｎｉｔｙ　

５．Ｘ从入门到精通［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０１６．

［８］陈桂园．基于虚拟交互的化工安全培训系统研究［Ｄ］．

沈阳：沈阳航空航天大学，２０１６．

（责任编辑　姜丰辉）

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