樓宇火災3D可視化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳艷軍　周勝群　王魏

摘要：虛擬現(xiàn)實技術是近年來出現(xiàn)的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。目前虛擬現(xiàn)實技術應用在消防領域還比較少，但在此方面的應用卻能產(chǎn)生重要的作用，對人民生活及財產(chǎn)安全都能啟動重要保護。本主主要闡述利用虛擬技術，把建筑的CAD圖生成建筑的3D模型，可以進行漫游，可以直觀的了解建筑的內外部結構，便于消防員在救災現(xiàn)場決策，當火災發(fā)生時，可以在系統(tǒng)里給出現(xiàn)場反饋。另外闡述了系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲設計方案及與外部系統(tǒng)銜接的頂層設計方案。結合當前的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，該文給出了基于Web的3D火災可視化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案，提出了設計的思路，并在結論中給出實現(xiàn)效果。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；火災重現(xiàn)；3D仿真；消防

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1540-04

1 項目背景

火災現(xiàn)場的虛擬現(xiàn)實技術是將建筑物的3D模型和火勢蔓延的情況以虛擬現(xiàn)實的形式表現(xiàn)出來。它可以從任意角度觀察建筑結構和火災蔓延的情況，可以把所有消火栓、消防通道、自動滅火裝置、疏散標志等位置信息都在模型中清楚地展示出來。點播出火災現(xiàn)場未失效的攝像頭實時畫面，甚至可以把逃生路線通過虛擬現(xiàn)實技術表示出來。引導火災現(xiàn)場外部人員的救災決策。

通過本技術虛擬出建筑內部結構及著火情況，可以讓消防人員及現(xiàn)場救災決策者對火災的發(fā)展勢態(tài)和內部情況進行整體把握，從而提高救災效率，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全起到重要意義。

2 技術現(xiàn)狀

目前，虛擬現(xiàn)實技術是近年來出現(xiàn)的高新技術，也稱靈境技術或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。該項技術目前已經(jīng)有比較多的研究，并且在實際中得到了廣泛的應用。但目前虛擬現(xiàn)實技術應用在消防救火現(xiàn)場還比較少。

當前3D虛擬技術比較多，技術均比較成熟，常用的技術均基于OpenGL或D3D來開發(fā)的，雖然OpenGL或DirectX3D在三維真實感圖形制作中具有許多優(yōu)秀的性能，但是在系統(tǒng)開發(fā)中直接使用它們仍存在一些缺點：

1）都是非面向對象的，設計場景和操作場景中的對象比較困難。

2）主要使用基層圖元，在顯示比較復雜的場景時編寫程序相對困難。

3）沒有與建模工具很好的結合。

4）缺乏對一些十分重要的關鍵技術如LOD（Level of Detail）、動態(tài)裁剪等的支持。

另外這種方式開發(fā)的3D引擎只能支持單機運行，即對Internet的支持不好。對于救災人員來說，希望在救災現(xiàn)場移動使用，這就要求虛擬技術的3D引擎能較好的支持WWW，可以適用救災決策者及相關人員隨時隨地的使用該系統(tǒng)。本項目采用面向Web的3D技術Flash3D。使用Flash的AS3（Action Script 3）語言開發(fā)一個具有較強交互性的3D引擎?？梢詫崟r交互顯示服務器傳輸?shù)幕饎菪畔?，虛擬逃生路線，點播火災現(xiàn)場視頻，提供強大的交互功能實現(xiàn)建筑結構的三維漫游，提高三維顯示的真實性與可觀察性。同時Flash技術是一種無插件技術，目前98%的瀏覽器均支持Flash，只要使用者能連接Internet，本系統(tǒng)即可快速實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實。

3 總體設計思路

本系統(tǒng)是為了實現(xiàn)樓宇火災蔓延的3D可視化，它能更好的監(jiān)控樓宇消防的實時情況。當發(fā)生火災時，可以通過該系統(tǒng)實時了解火災現(xiàn)場的情況，可以得到樓宇火災蔓延的趨勢，使消防指揮員快速準確地掌握火災現(xiàn)場的第一手資料。為消防指揮員提供的信息主要包括：火災樓宇的建筑結構，火災的起火點，火災發(fā)展的歷史過程，火勢蔓延方向，火勢蔓延速度，以及救援或逃生的最佳路線。

在火災的現(xiàn)場，樓宇的消防室一般就在樓宇內部，如果救災小組要進入樓宇內部查看該系統(tǒng)，對現(xiàn)場又不能很好的應變，而為了達到在火災現(xiàn)場使用該系統(tǒng)，所以提出B/S的結構，采用該架構的最大優(yōu)點就是使用任意一臺可以接入網(wǎng)絡的計算機即可登陸該系統(tǒng)，進行現(xiàn)場決策。而計算機接入網(wǎng)絡的方式現(xiàn)在非常方便，可以采用無線wifi或者3G/4G網(wǎng)。打開瀏覽器輸入該系統(tǒng)的網(wǎng)址即可完成該系統(tǒng)的使用。

3.1軟件環(huán)境圖

樓宇火災蔓延的3D可視化系統(tǒng)主要使用者為消防值班人員、系統(tǒng)管理員（創(chuàng)建樓宇的建筑信息及添加相關消防信息）、救災指揮者。而外部系統(tǒng)主要是調用消防監(jiān)控系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)。

3.2系統(tǒng)應用的網(wǎng)絡拓撲

本系統(tǒng)采用B/S結構設計，故本系統(tǒng)由web服務器、應用服務器及數(shù)據(jù)服務器組成。通過網(wǎng)絡連接視頻監(jiān)控服務器及消防監(jiān)控服務器。分布在各個樓宇的消防控制室連接本系統(tǒng)，以上這些系統(tǒng)均在單位內部網(wǎng)絡，一般單位通過出口防火墻連接到Internet。

由于系統(tǒng)與Internet連接，所以在單位外部也可是方便的使用本系統(tǒng)，例如出差在外或者在家中，都可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄到本系統(tǒng)，查看樓宇相關情況。

當單位的建筑著火時，救災指揮者可以通過單位內部的無線WiFi網(wǎng)絡接入本系統(tǒng)，如果單位不支持無線網(wǎng)絡，可以通過3G無線網(wǎng)絡或者ISP的無線WIFI接入本系統(tǒng)。提高了現(xiàn)場的機動性和靈活性，在救災第一現(xiàn)場，為救災贏得時間和效率，系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲見圖2。

3.3系統(tǒng)架構設計圖

本系統(tǒng)基于B/S設計，采用多層架構。提高了系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)集成及維護方面大大增強了效率，設計松散分布的應用模塊，同時提高了復用性，見系統(tǒng)架構圖3。

4 結束語

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