基于物理过程的山地原油泄漏模拟方法

论文题目：基于物理过程的山地原油泄漏模拟方法

录用期刊/会议：计算机辅助设计与图形学学报（EI中文期刊）

作者列表：

连远锋 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机系 （通讯作者）

许振林 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机系 研19级

李光洋 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机系 研21级

纪连恩 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机系

董绍华 中国石油大学（北京） 安全与海洋工程学院 安全工程系

山地输油管道泄漏事故发生后,模拟计算污染扩散范围对应急抢险方案制定具有重要意义.针对现有的山区原油泄漏模拟方法无法呈现符合物理过程的泄漏油品扩散效果以及模拟速度过慢问题,研究了结合油品地表扩散Fay模型的泄漏模拟方法.首先,基于空间语义约束提出一种融合Fay流体扩散模型和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法的计算模型Fay-SPH,在满足原油泄漏物理过程属性的同时,利用SPH来展示流体运动细节.其次,为了使模拟结果能够快速呈现,提出一种基于Fay约束的连续卷积网络FayNet来加速模拟,通过轻量级注意力模块FGAB和三重注意力模块FTAB来增强网络提取粒子特征信息能力.最后,分别对原油泄漏物理过程、不同地形油品泄漏扩散形态进行分析.实验结果表明,文中方法实现了原油泄漏的高效模拟.

设计与实现:

如图1所示,FayNet网络通过CConv模块对粒子特征进行提取;然后结合自注意力、通道和空间的注意力来增强粒子特征的表达能力并抑制无关特征的干扰;引入Fay边界监督信号,使网络能够有效地监督FayNet模型对油粒子扩散的物理过程学习,并进行多阶段并行融合.

图1系统整体流程图

实验结果及分析:

图2 本文三维重建效果与3D-LMNet、Occupancy networks、DISN、PSGN对比图

图2和出了六种SPH光滑粒子方法与Fay模型结合模拟原油分子流动的对比实验.从上至下依次为WCSPH、PCISPH、PFSPH、IISPH、PBFSPH和DFSPH算法.实验中设定粒子泄漏时长为10s,总计使用27680个粒子模拟原油从泄漏位置流向地面.从实验结果可以看出,未结合Fay模型的SPH算法在模拟原油扩散的边界上,存在不同程度的油滴相互之间不聚集且较为发散等现象,这不符合原油扩散的实际物理状态.使用结合Fay模型的WCSPH、PBFSPH和PFSPH在模拟原油扩散时,泄漏体的边界上存在少量油滴;而PCISPH、IISPH和DFSPH等模型在结合Fay模型时模拟出的原油扩散边界上无分散油滴,原油泄漏体在流动过程中较为聚集,提高了SPH算法模拟扩散的精度.

图3给出了使用FayNet模拟原油扩散不同阶段的流动效果.在第30帧时原油自泄漏位置流出并开始接触地面;第50帧时,泄漏体开始沿着山坡地形向下流动;在第70帧时,泄漏体已逐渐流至山谷底部;第90帧时,在惯性和冲力的作用下,原油沿着山坡地形开始向上蔓延;第110帧时,由于重力和地形的影响,泄漏体在坡上的速度逐渐减慢并扩散至最高点;在第130帧时,原油在重力作用下沿着山坡向下回流,再次接触山谷底部后逐渐向前流动

图3 原油扩散不同阶段FayNet模拟结果

作者简介:

连远锋，博士

现任中国石油大学（北京）副教授、硕士生导师。科研工作涉及图像处理与虚拟现实、机器视觉与机器人、深度学习与数字几何。同时从事遥感影像处理、数字孪生与智能机器人巡检、基于粒子的泄漏模拟与可视化等技术开发与工程应用工作。