一种基于复杂地形的化学仿真环境构建方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂地形的化学仿真环境构建方法，包括以下步骤：(1)传统化学仿真环境构设；(2)地形高程修正；(3)扩散参数修正；(4)质量守恒修正；(5)专业训练与裁决。在传统的高斯模型基础上，通过地形高程修正、扩散参数修正、质量守恒修正，可以得到与复杂地形大气扩散规律比较吻合的化学仿真环境，参数获取容易，方法适用性强，计算速度较快，更符合专业训练的化学环境实际。训练的化学环境实际。训练的化学环境实际。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复杂地形的化学仿真环境构建方法


[0001]本专利技术是一种基于复杂地形的化学仿真环境构建方法，它与复杂地形的化学训练仿真环境构设有关，属于模拟仿真


技术介绍

[0002]任何训练需要在一定的环境条件展开，模拟训练更离不开环境仿真，环境仿真问题成为模拟训练建设中的最基础的技术难题。在化学环境方面，看不见、摸不着，并且随着时空进行动态扩散变化，受地形影响的同时，对人员有生命危害，对装备造成化学污染。如何把化学环境的特性及对人员、装备的影响在模拟训练系统中仿真出来，是当前面临的难题。
[0003]目前，训练过程中化学环境设置，基本上在风向稳定不变的情况下，化学云团沿风向上下摆动、向下风传播，且云团逐渐增大，通过地域为一个复杂的平面，不考虑地形影响，且风向稳定不变的条件下，用简易的方法在地理信息系统上设置上下夹角不超过40
°
的弧形区间为化学危害环境区域，如图1所示。图1为传统化学环境设置。
[0004]此化学环境设置方法存在精度过低，没有系统考虑复杂地形影响，不易动态更新，导致模拟训练时化学危害区域设置不合理，出现人员伤亡、装备受染等裁决与实际不一致等情形，影响训练效果。高逼真的化学仿真环境需要较长的模拟计算时间，不适应训练的实时环境需求。化学环境的仿真问题成为专业模拟训练的难点问题。化学环境仿真的是否科学、逼真，特别是复杂地形的化学环境设置，关系到训练导调裁评和学员的训练兴趣，直接影响到模拟训练系统的使用价值。
[0005]在这种背景下，针对化学仿真环境构设问题，为了构建科学、逼真的化学仿真环境，在经典的高斯模型基础上，通过地形高程修正、扩散参数修正、质量守恒修正，可以得到与复杂地形大气扩散规律比较吻合的化学仿真环境。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于复杂地形的化学仿真环境构建方法，它弥补了传统化学仿真环境构设存在的精度过低，没有考虑复杂地形影响，且不易动态更新等问题，利用地形高程、扩散参数、质量守恒对化学仿真环境进行修正，得到与复杂地形大气扩散规律比较吻合的化学仿真环境，提供了一种新的基于复杂地形的化学仿真环境构建方法，为专业模拟训练提供环境支持。
[0007]本专利技术一种基于复杂地形的化学仿真环境构建方法，其设计思想是：在经典的高斯模型基础上，通过地形高程修正、扩散参数修正、质量守恒修正，可以得到与复杂地形大气扩散规律比较吻合的化学仿真环境。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种复杂地形的化学仿真环境构建方法，该方法包括如下步骤：
[0010]步骤一：传统化学仿真环境构设
[0011]采用以连续点源高斯扩散模型，设置一定区域范围的化学仿真环境，高斯模型公式如下：
[0012][0013]公式(1)以化学源(地面源)为坐标原点，风向为x轴，横风为y轴，z为空间点与原点的垂直距离，单位为m；Q为化学源的施放源强，单位为g/s；u为风速，单位为m/s；σ
y
、σ
z
分别为纵向和垂直方向扩散参数，单位为m，风速数据通过气象设备获得；
[0014]步骤二：地形高程修正
[0015]化学源距地面h米高，则公式(1)变为：
[0016][0017]高程值z0直接从地形数据中读取，用下式计算高度：
[0018]z＝z0+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]将z代入公式(2)坐标进行计算，得到改进连续点源高斯扩散模型的高斯模型，
[0020][0021]引入“地形追随”坐标系，将坐标转换为笛卡尔坐标，进行地形修正，
[0022][0023]其中，h(x,y)为相对于参考水准面的地形高度，H
T
是战场空间的混合层厚度，σ的值变化范围是0≤σ≤1，σ＝0对应于混合层顶部，σ＝1对应于地表面；
[0024]求距离地面1米高度(z
‑
z0＝1m)的化学云团浓度分布，则：
[0025][0026]z＝σ(x,y)
×
z0+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]当大气稳定度为A、B、C和D时：H
T
＝a
s
U
10
/f；当大气稳定度为E和F时：其中，
[0028]a
s
、b
s
为混合层系数，不同地区取值不同，查表获得；U
10
为10m调试处平均风速，当风速大于6m/s时取6m/s；Ω为地转角速度，取为7.29
·
10
‑5rad/s；为地理纬度，deg；结合我国地理位置，混合层厚度假设为800米；
[0029]进行坐标转换后的连续点源高斯扩散方程：
[0030][0031]步骤三：扩散参数修正
[0032]扩散参数是指化学云团随浓度中心轴距离的浓度分布的均方差，表现为浓度正态分布的标准差，分为纵向和垂直方向扩散参数，用σ
y
、σ
z
表示，扩散参数σ
y
、σ
z
值根据大气稳
定度和下风位置查表或者计算，用公式表示：
[0033][0034]γ1、a1、γ2、a2为待定系数，X为下风距离(m)，根据大气垂直稳定度和扩散距离查表获取；
[0035]步骤四：质量守恒修正
[0036]复杂地形只影响化学云团的浓度分布，而对垂直于风向的横截面上的化学云团质量没有影响，化学云团总体上保持质量守恒；因此，最后计算的化学云团浓度根据高程修正后的浓度进行再次修正，保持质量不变，
[0037]对垂直于x轴线的化学云团浓度截面，对垂直于x轴线的化学云团浓度截面进行积分，通过理想地形和修正后的化学云团浓度积分进行比较，引入地效因子s：
[0038][0039]其中c0(x,y,z)是理想地形的化学云团浓度分布，而c
z
(x,y,z)是考虑高程和扩散系数修正的化学云团浓度分布，c
t
(x,y,z)为c
z
(x,y,z)经过地形效应修正后的化学云团浓度分布。于是：
[0040]∫c
t
(x,y,z)dy＝s∫c
z
(x,y,z)dy＝∫c0(x,y,z)dy
[0041]假设空间无限大，根据质量守恒，可直接简化为化学云团浓度扩散方程：
[0042]c
t
(x,y,z)＝s
·
c
z
(x,y,z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0043][0044]通过公式(12)能够计算出关注区域内任意位置的化学云团浓度，地效因子可以通过坡度计算；
[0045]步骤五：专业训练与裁决<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂地形的化学仿真环境构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：传统化学仿真环境构设采用以连续点源高斯扩散模型，设置一定区域范围的化学仿真环境，高斯模型公式如下：公式(1)以化学源(地面源)为坐标原点，风向为x轴，横风为y轴，z为空间点与原点的垂直距离，单位为m；Q为化学源的施放源强，单位为g/s；u为风速，单位为m/s；σ
y
、σ
z
分别为纵向和垂直方向扩散参数，单位为m，风速数据通过气象设备获得；步骤二：地形高程修正化学源距地面h米高，则公式(1)变为：高程值z0直接从地形数据中读取，用下式计算高度：z＝z0+h
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)将z代入公式(2)坐标进行计算，得到改进连续点源高斯扩散模型的高斯模型，引入“地形追随”坐标系，将坐标转换为笛卡尔坐标，进行地形修正，其中，h(x,y)为相对于参考水准面的地形高度，H
T
是战场空间的混合层厚度，σ的值变化范围是0≤σ≤1，σ＝0对应于混合层顶部，σ＝1对应于地表面；求距离地面1米高度(z
‑
z0＝1m)的化学云团浓度分布，则：z＝σ(x,y)
×
z0+h
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(7)当大气稳定度为A、B、C和D时：H
T
＝a
s
U
10
/f；当大气稳定度为E和F时：其中，a
s
、b
s
为混合层系数，不同地区取值不同，查表获得；U
10
为10m调试处平均风速，当风速大于6m/s时取6m/s；Ω为地转角速度，取为7.29
·
10
‑5rad/s；为地理纬度，deg；结合我国地理位置，混合层厚度假设为800米；进行坐标转换后的连续点源高斯扩散方程：步骤三：扩散参数修正
扩散参数是指化学云团随浓度中心轴距离的浓度分布的均方差，表现为浓度正态分布的标准差，分为纵向和垂直方向扩散参数，用σ
y
、σ
z
表示，扩散参数σ
y
、σ
z
值根据大气稳定度和下风位置查表或者计算，用公式表示：γ1、a1、γ2、a2为待定系数，X为下风距离(m)，根据大气垂直稳定度和扩散距离查表获取；步骤四：质量守恒修正复杂地形只影响化学云团的浓度分布，而对垂直于风向的横截面上的化学云团质量没有影响，化学云团总体上保持质量守恒；因此，最后计算的化学云团浓度根据高程修正后的浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘顺华，顾进，罗志荣，刘学程，方民，宋斌，徐权周，李慧卓，张博，闫闰，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军防化学院，
类型：发明
国别省市：