支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練的虛擬環(huán)境模型研究

吳鴻雁，吳 碩

（1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230061；2.合肥師范學(xué)院 后勤處，安徽 合肥230061；3.陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥230031）

近年來，高層建筑火災(zāi)事故頻發(fā)，已造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。適時(shí)開展火災(zāi)安全教育和主題活動(dòng)，定期組織實(shí)地應(yīng)急疏散演練是目前應(yīng)對(duì)此類事故的主要手段。但受客觀條件的限制，教育活動(dòng)存在覆蓋面有限、影響不深刻等缺點(diǎn)；而實(shí)地應(yīng)急演練也因存在成本高，保障難度大，有一定安全風(fēng)險(xiǎn)等諸多不利因素而無法經(jīng)常性組織。因此，在高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練領(lǐng)域中急需引入新技術(shù)和新方法用于拓展教育訓(xùn)練手段，才能更好地保證公共安全，減小事故帶來的損失。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在虛擬環(huán)境中開展訓(xùn)練以其成本低廉、過程安全、保障條件簡(jiǎn)單和不易受場(chǎng)地及環(huán)境干擾，能充分保證訓(xùn)練時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用和普遍認(rèn)同。研究人員正試圖通過模擬建筑火災(zāi)場(chǎng)景、仿真建筑火災(zāi)逃生和救援過程、開發(fā)火災(zāi)逃生虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)等手段促進(jìn)人們對(duì)建筑火災(zāi)的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)逃生和救援的虛擬訓(xùn)練，并取得了一定成果［1－3］。

虛擬訓(xùn)練的核心之一是建立與真實(shí)世界具有一定相似性的虛擬環(huán)境，支持用戶使用各種特殊裝置將自己“映射”到這個(gè)環(huán)境中去操作、控制環(huán)境。因此，如何根據(jù)高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練需求構(gòu)建和管理虛擬環(huán)境便成為必須研究和解決的問題。

1 高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境模型

1.1 需求分析

根據(jù)虛擬環(huán)境的三個(gè)基本特征［4］和高層建筑火災(zāi)的特點(diǎn)，其逃生訓(xùn)練對(duì)虛擬環(huán)境的要求可概括為對(duì)場(chǎng)景、火災(zāi)過程和交互控制三個(gè)方面的虛擬仿真實(shí)現(xiàn)。1）場(chǎng)景虛擬仿真，是建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外裝修、建筑內(nèi)物品和煙、火等的視覺和聽覺仿真，是一種靜態(tài)的仿真，是虛擬環(huán)境的最基本要求。對(duì)場(chǎng)景的虛擬實(shí)現(xiàn)分為常規(guī)狀態(tài)和火災(zāi)狀態(tài)，需要分別對(duì)兩種狀態(tài)下建筑的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。2）火災(zāi)過程虛擬仿真，是一種動(dòng)態(tài)的仿真，是火災(zāi)發(fā)生后在無外界干擾時(shí)煙、火散布和發(fā)展的過程仿真，要求其能較為科學(xué)、準(zhǔn)確的表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的過程，可以使用戶深刻認(rèn)識(shí)火災(zāi)的特點(diǎn)、加深對(duì)各種逃生方法的理解。3）交互控制虛擬仿真，是對(duì)外部操作的響應(yīng)和反饋，是操作和控制虛擬環(huán)境的關(guān)鍵。要求虛擬對(duì)象能具有與實(shí)體對(duì)象一樣的交互響應(yīng)和反饋能力，使用戶可通過操作外接設(shè)備達(dá)到實(shí)際訓(xùn)練的效果。

1.2 框架結(jié)構(gòu)

由需求分析可知，高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境模型包括場(chǎng)景模型、火災(zāi)過程仿真模型和交互控制模型。場(chǎng)景模型是虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用于實(shí)時(shí)表示場(chǎng)景狀態(tài)及變化的視覺、聽覺信息，是虛擬環(huán)境的表示層。場(chǎng)景模型主要由三維模型和粒子系統(tǒng)模型構(gòu)成，三維模型包括建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修和滅火工具等，粒子系統(tǒng)模型包括火焰、濃煙等?；馂?zāi)過程仿真模型是虛擬環(huán)境的功能層，是利用數(shù)值模擬火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和撲滅等過程的仿真模型，主要包括煙霧擴(kuò)散模型和溫度輻射模型。交互控制模型用于處理外部操作信息，并引起場(chǎng)景模型、火災(zāi)過程模型的響應(yīng)和反饋，是虛擬環(huán)境的應(yīng)用層，包括漫游、提取、操作和信息處理。

三種模型雖然概念和功能各不相同，但各模型均為描述高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)信息集合。它們通過信息交流建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

2 建模的基本思路

圖1 高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境框架結(jié)構(gòu)

構(gòu)建與實(shí)際情況完全一致的虛擬環(huán)境始終是研究人員追求的目標(biāo)，但受到相關(guān)技術(shù)發(fā)展和軟、硬件條件的限制，目前根本無法實(shí)現(xiàn)。支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練的虛擬環(huán)境模型是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包含龐大的數(shù)據(jù)信息、復(fù)雜的邏輯關(guān)系和繁瑣的信息處理過程，特別是火災(zāi)過程仿真建模更是需要專業(yè)軟件和開發(fā)人員具備專業(yè)知識(shí)作為支撐。為簡(jiǎn)化建模過程，減小模型數(shù)據(jù)量，降低建模難度，本文擬利用面向訓(xùn)練任務(wù)的建模思路，采用層次化建模方法構(gòu)建虛擬環(huán)境模型。面向訓(xùn)練任務(wù)的建模是指以訓(xùn)練任務(wù)描述文件為藍(lán)本，在模型的功能和表現(xiàn)力等方面有選擇性地進(jìn)行剪裁、弱化和強(qiáng)調(diào)，以突出相關(guān)知識(shí)和技能，刪減與任務(wù)無關(guān)數(shù)據(jù)信息為目的。層次化建模是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的組成單元進(jìn)行分層分類，是解決復(fù)雜系統(tǒng)建模的基本方法。

3 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1 場(chǎng)景模型

場(chǎng)景模型是虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，包括一般場(chǎng)景和火災(zāi)場(chǎng)景兩類模型。其中，火災(zāi)場(chǎng)景是在一般場(chǎng)景的基礎(chǔ)上加入粒子系統(tǒng)以表現(xiàn)濃煙、火焰、噴水、噴干粉等特殊效果。從技術(shù)層面講，場(chǎng)景模型是一種虛擬樣機(jī)模型，是實(shí)體對(duì)象在計(jì)算機(jī)中的映射，其映射內(nèi)容和精細(xì)程度與應(yīng)用密切相關(guān)。依據(jù)面向任務(wù)的建模思路，虛擬樣機(jī)建模包括幾何建模、物理建模、行為建模和交互特征建模四個(gè)步驟［5］。

由于高層建筑結(jié)構(gòu)和裝修復(fù)雜，內(nèi)部設(shè)備設(shè)施眾多，建筑外部環(huán)境復(fù)雜多樣，屬于復(fù)雜系統(tǒng)。因此，在場(chǎng)景建模時(shí)首先應(yīng)對(duì)待建模型進(jìn)行層次劃分，形成場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)樹，如圖1所示。然后，根據(jù)模型在訓(xùn)練任務(wù)中的作用規(guī)劃其建模過程，如表1所示。最后依據(jù)規(guī)劃結(jié)果完成建模的全過程。

表1 場(chǎng)景模型建模過程規(guī)劃

3.1.1 幾何建模

虛擬場(chǎng)景的幾何模型是現(xiàn)實(shí)環(huán)境的外觀映射，包括幾何形狀、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)關(guān)系。幾何模型應(yīng)能滿足實(shí)體對(duì)象在虛擬環(huán)境中的視覺顯示，并能作為演示、操作和提取等仿真作業(yè)的對(duì)象。幾何模型還應(yīng)能表現(xiàn)常態(tài)或火災(zāi)狀態(tài)下的實(shí)體對(duì)象的外觀表現(xiàn)。虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的幾何相似度將直接影響用戶的沉浸感、仿真的開發(fā)效率及系統(tǒng)的運(yùn)行成本，需要根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整描述精度，找到“沉浸感”與“成本”的平衡點(diǎn)。常用的方法是進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和多粒度劃分。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化是面向訓(xùn)練過程的工程簡(jiǎn)化，通過約減不可見部件、減少模型面片數(shù)量等方法達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的，如垂直電梯的結(jié)構(gòu)可約減為電梯門、轎廂、控制面板等幾組可見部件。多粒度劃分是根據(jù)幾何模型對(duì)訓(xùn)練的重要程度以及與用戶的交互程度來劃分其細(xì)節(jié)表現(xiàn)粒度。本文將其分為三個(gè)粒度層次：1）大粒度的環(huán)境模型，主要為增強(qiáng)虛擬環(huán)境的逼真性或作為背景而存在，不參與任何交互控制，如天空、墻壁等；2）中粒度的外形特征模型，參與交互控制，但無需對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)，如門、電梯等；3）小粒度的精細(xì)模型，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的重要對(duì)象，需全面了解其性能、結(jié)構(gòu)和用途，交互過程復(fù)雜，如：滅火器、逃生工具等。

3.1.2 物理模型

虛擬場(chǎng)景的物理模型是對(duì)火災(zāi)場(chǎng)中虛擬樣機(jī)狀態(tài)變化的描述，包括溫升、燃燒、熄滅等，是數(shù)值仿真模型，可通過參數(shù)化描述進(jìn)行簡(jiǎn)化。如可將窗簾的物理模型簡(jiǎn)化為下列的形式化描述過程：

＝｛OPC，OPB，OPS，｝ ，其中為窗簾在火災(zāi)發(fā)生T時(shí)刻的物理模型。OPC為窗簾的輸出狀態(tài)集，可將其設(shè)定為完好和燃燒兩種狀態(tài)。OPB為窗簾燃燒過程中，火焰的輸出狀態(tài)集，OPS為燃燒發(fā)出濃煙的輸出狀態(tài)集。為窗簾燃燒的條件判斷函數(shù)，將其描述為窗簾至火源的距離與火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的比值，即：

窗簾的狀態(tài)變化設(shè)計(jì)為燃燒剩余高度H的線性變化，可表示為：

火焰的位置設(shè)置在窗簾的底邊，隨H向上運(yùn)動(dòng)，OPB＝｛0，opb1｝ ；發(fā)煙的位置設(shè)置在窗簾上部，隨燃燒時(shí)間向周圍散布，OPS＝｛0，ops1ops2…｝，濃煙散步采用粒子系統(tǒng)的范圍控制，且呈線性變化。

3.1.3 行為模型與交互特征模型

虛擬樣機(jī)的行為模型包括：屬性行為和操作行為，并分別對(duì)應(yīng)交互特征模型的響應(yīng)式交互模型和操作式交互模型?；馂?zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境中虛擬對(duì)象的行為主要是操作行為，且較為簡(jiǎn)單，主要有門、窗的開關(guān)行為，滅火器的操作行為。而屬性行為僅包括粒子系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和消失行為。相應(yīng)的交互特征模型也很簡(jiǎn)單，主要包括對(duì)門、窗、滅火器、電梯等外部交互動(dòng)作的信息響應(yīng)和反饋，和粒子系統(tǒng)對(duì)虛擬環(huán)境狀態(tài)變化的響應(yīng)。

3.2 火災(zāi)過程仿真模型

火災(zāi)發(fā)展過程非常復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)，因此，在一些火災(zāi)仿真和人員疏散模擬的研究中，回避了該問題，而另外一些則利用FRV系統(tǒng)的數(shù)值仿真功能進(jìn)行底層運(yùn)算，并利用數(shù)值仿真結(jié)果控制粒子系統(tǒng)各屬性變化的方法進(jìn)行火災(zāi)過程仿真［3］。顯然，使用該方法建立的火災(zāi)過程仿真模型具有仿真程度高、可靠性好、專業(yè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但也存在明顯的不足，如對(duì)開發(fā)人員的知識(shí)水平及專業(yè)技能的依賴程度過高；專業(yè)火災(zāi)仿真軟件都不具有開放性，可移植性差，不能直接嵌入到虛擬訓(xùn)練環(huán)境中，仿真只能在這些軟件本身的程序環(huán)境下運(yùn)行等。

火災(zāi)逃生訓(xùn)練的首要任務(wù)是使受訓(xùn)者掌握逃生的方法和技巧，其更關(guān)注于人在受到火災(zāi)威脅時(shí)的行為及反應(yīng)，可以少考慮或不考慮火災(zāi)的發(fā)展過程。本文在高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境中引入火災(zāi)過程仿真模型的動(dòng)機(jī)是為了增加虛擬環(huán)境的沉靜感，給受訓(xùn)者提供一個(gè)更加逼真的訓(xùn)練環(huán)境；同時(shí)，也是為尋找新方法進(jìn)行火災(zāi)仿真和人員疏散模型研究開展的探索工作。本文提出了基于粒子系統(tǒng)屬性參數(shù)化的火災(zāi)過程仿真建模方法，該方法的思路是回避專業(yè)的火災(zāi)數(shù)值仿真軟件，用人為干預(yù)的方式替代數(shù)值仿真。方法可表述為：在數(shù)值仿真過程中設(shè)置若干節(jié)點(diǎn)，提取節(jié)點(diǎn)參數(shù)信息，作為仿真的初始變量和終止變量，然后進(jìn)行線性處理，最終以簡(jiǎn)單的參數(shù)線性變化替代過程復(fù)雜的數(shù)值仿真。

3.3 交互控制模型

交互控制模型用于處理用戶的輸入，并以視覺、聽覺的形式進(jìn)行反饋，是用戶在虛擬環(huán)境中操作各種虛擬對(duì)象、獲得逼真感知的必要條件，主要涉及人與虛擬環(huán)境之間互相作用和互相影響的信息交換方式與設(shè)備。綜合考慮開發(fā)成本、發(fā)布途徑和效率，及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)狀，本文選擇開發(fā)以鼠標(biāo)、鍵盤為外接輸入設(shè)備的桌面式虛擬訓(xùn)練環(huán)境。

基于鼠標(biāo)、鍵盤的交互控制模型主要包括：視景漫游控制模型、虛擬對(duì)象提取模型、操作模型和信息處理模型。前三種模型的實(shí)現(xiàn)途徑是通過在虛擬環(huán)境中預(yù)設(shè)鼠標(biāo)和鍵盤的輸入響應(yīng)，將設(shè)備輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為交互信息，觸發(fā)虛擬對(duì)象的行為或狀態(tài)變化。而信息處理模型則用于對(duì)交互信息的后臺(tái)處理，包括：判斷、記錄和評(píng)價(jià)等。

4 實(shí)例應(yīng)用

本文以某高校辦公樓的火災(zāi)逃生虛擬訓(xùn)練為例，對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行描述，形成任務(wù)描述文件。在此基礎(chǔ)上，采用面向訓(xùn)練任務(wù)的方法，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、模型層次劃分等工作。而后，綜合利用實(shí)體建模軟件CAXA和仿真建模軟件Creator的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合構(gòu)建了該辦公樓多粒度的虛擬建筑場(chǎng)景的幾何模型，達(dá)到快速、方便的創(chuàng)建模型的目的。

采用Virtools軟件作為虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)，利用其優(yōu)良的兼容性和強(qiáng)大的粒子系統(tǒng)功能，對(duì)虛擬建筑場(chǎng)景的幾何模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并構(gòu)建了各種粒子系統(tǒng)模型用于表現(xiàn)火焰、濃霧、噴水等特效場(chǎng)景。為增加沉浸感在虛擬環(huán)境中加入音響特效。綜合運(yùn)用Virtools軟件的行為模塊、腳本語言和開發(fā)工具構(gòu)建了虛擬場(chǎng)景的物理模型、行為模型、交互特征模型和火災(zāi)過程仿真模型；在腳本程序中對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤的操作進(jìn)行了定義，構(gòu)建了交互控制模型。

通過以上工作，完成了對(duì)某高校辦公樓的火災(zāi)逃生虛擬訓(xùn)練虛擬環(huán)境的基本構(gòu)建，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，能基本滿足虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求，支持完成高層建筑火災(zāi)發(fā)展、逃生、自救等相關(guān)知識(shí)的表達(dá)。在虛擬環(huán)境中添加虛擬人后，能完成基本的逃生訓(xùn)練，且效果良好。

5 結(jié)束語

本文主要研究了構(gòu)建支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境的建模思路和方法，提出該虛擬環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)虛擬環(huán)境模型的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法開展了討論和研究。通過實(shí)例驗(yàn)證所提出的建模方法行之有效，能基本解決高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境建模的問題，為開發(fā)相關(guān)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和開展建筑火災(zāi)逃生研究提供了新思路和技術(shù)支持。

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