數(shù)字轉(zhuǎn)型時代下消防三維數(shù)字滅火救援預(yù)案的制作

劉勇

摘要：當(dāng)前三維建模和虛擬現(xiàn)實已廣泛在消防工作中使用，相較于通過PPT的匯報展示，三維模擬能夠給人們更清晰的認(rèn)識和更直觀的感受。消防隊伍內(nèi)部和社會面單位一直在不斷努力與嘗試，使三維和虛擬技術(shù)更好地服務(wù)于消防滅火救援工作。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字預(yù)案;數(shù)字化;三維模型;虛幻引擎

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0041-03

2020年初，上海市消防總隊黃浦消防支隊黨委提出希望可以通過三維效果輔助戰(zhàn)評，利用桌面推演中的力量部署和建筑結(jié)構(gòu)，支隊?wèi)?zhàn)訓(xùn)處領(lǐng)受任務(wù)，并嘗試完成數(shù)起災(zāi)害處置現(xiàn)場的簡單模擬。2020年下半年支隊黨委決定，嘗試打造一支可以獨立完成三維數(shù)字預(yù)案制定的工作小組，用于服務(wù)支隊滅火救援戰(zhàn)評、消防安保工和日常桌面推演工作。2021年支隊黨委決定由工作小組獨立完成轄區(qū)內(nèi)及周邊環(huán)境的數(shù)字預(yù)案制定。

1? 數(shù)字化三維預(yù)案概述

1.1? 什么是“數(shù)字化”

數(shù)字化，就是將“現(xiàn)實世界”轉(zhuǎn)化為“數(shù)字世界”，通俗點理解就是把我們?nèi)粘Ｉ钪兴婕暗娜恕⑽镆约靶袨檗D(zhuǎn)化為“數(shù)字世界”里的數(shù)據(jù)，然后在“數(shù)字世界”里去完成原本在“現(xiàn)實世界”的事情。

1.2? 什么是“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”

“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”即通過深入挖掘“數(shù)據(jù)價值”解決現(xiàn)實中難以解決的問題。脫離現(xiàn)實中的應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)本身沒有價值，但通過模擬現(xiàn)實中存在的數(shù)字關(guān)系，實現(xiàn)虛擬與真實的交互。

1.3? 什么是數(shù)字化三維預(yù)案

數(shù)字化三維預(yù)案是“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”在消防預(yù)案中的應(yīng)用。首先，“數(shù)字化”深入不僅僅是停留在展示端的“數(shù)據(jù)可視化”，應(yīng)該是達(dá)到數(shù)字化的內(nèi)容更接近現(xiàn)實;其次，通過網(wǎng)絡(luò)資源共享和數(shù)據(jù)交互，在虛擬世界構(gòu)建完整的交互系統(tǒng);最后，智能決策化，通過前面的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，系統(tǒng)掌控著數(shù)字世界的一切，實時進(jìn)行分析、傳遞和決策。

2? 預(yù)案的分類和發(fā)展趨勢

2.1? 文本預(yù)案

以一級、二級、三級和四級預(yù)案為代表的文本預(yù)案，這類預(yù)案內(nèi)容詳實、信息充足，涵蓋目標(biāo)單位基本信息、處置力量、處置對策和參考依據(jù)。

2.2? 信息卡

以五級預(yù)案為代表的作戰(zhàn)信息卡，通常內(nèi)容精煉、制作周期短、覆蓋單位多，可裝訂在冊放入消防車內(nèi)，便于及時翻閱。優(yōu)秀的作戰(zhàn)信息卡應(yīng)簡潔而直觀，用一張圖就能清晰反饋消防車指揮員所需的必要信息。五級預(yù)案衍生出的卡片式預(yù)案更加精煉，適用性更廣。

2.3? 三維數(shù)字預(yù)案

更有體驗感和科技感的三維數(shù)字預(yù)案，可以分層級展示建筑內(nèi)部構(gòu)造，實現(xiàn)體驗感極強的第一視角漫游，模擬災(zāi)情發(fā)展，進(jìn)行沙盤推演和預(yù)案力量的預(yù)部署。放入支隊指揮中心可大效率輔助滅火救援的處置決策，戰(zhàn)評中可更直觀地還原現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)，可在安保前輔助力量部署和分配，亦可在火災(zāi)調(diào)查工作中輔助工作匯報。從使用者的角度來說，三維預(yù)案有著更好的高效輔助性、多功能性和體驗感，但同時其對制作員的要求很高、制作周期要更長[1]。

3? 制作三維數(shù)字預(yù)案的環(huán)境和準(zhǔn)備工作

3.1? 各級領(lǐng)導(dǎo)的肯定是制作預(yù)案的前提

消防三維數(shù)字預(yù)案不是必須存在的，本質(zhì)上是用于服務(wù)滅火救援工作的工具，各級領(lǐng)導(dǎo)對于三維預(yù)案的認(rèn)可度，決定了三維預(yù)案的發(fā)展方向和服務(wù)能力。無論是依托社會專業(yè)力量，還是自己建隊掌握制作主動權(quán)，都必須在各級領(lǐng)導(dǎo)的支持和肯定下，才有存在和發(fā)展的可能。

3.2? 獲取人才是制作預(yù)案的第一步

要想真正發(fā)揮消防三維預(yù)案的作用，必須要有消防人員掌握預(yù)案的使用或制作。三維預(yù)案本質(zhì)上是對現(xiàn)有軟件的使用，人才隊伍建設(shè)是第一步。消防支隊自己制作三維預(yù)案，需要做好建模和制作人才的培養(yǎng)和儲備工作。一般通過兩個途徑進(jìn)行：一是招募有制作能力的新消防員;二是自己培訓(xùn)制作員。必須尊重參訓(xùn)人員的意愿，參訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)能力要好，學(xué)成后需要保障其工作生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)實需求。學(xué)習(xí)的過程是沒辦法強制的，必須有內(nèi)驅(qū)力。

3.3? 硬件設(shè)備是制作預(yù)案的必備條件

制作三維數(shù)字預(yù)案對電腦要求較高，UE4最低需求處理器不低于I7、固態(tài)硬盤不低于256G、內(nèi)存不小于8G、獨顯不低于6G，如果是筆記本電腦，要求更高。

3.4? 相對集中的時間和較少的干擾是學(xué)習(xí)和制作的基本要求

如果是參加線上網(wǎng)課教育，每天4h授課時間。消化和鞏固當(dāng)日知識點另需兩倍以上時間，即不低于8h。培訓(xùn)周期一般不低于4個月（至少要學(xué)習(xí)CAD、3Dmax和UE4三個軟件，而且參訓(xùn)人員均為零基礎(chǔ)）。制作過程中，考慮制作員為初學(xué)者，工作效率不高。UE4藍(lán)圖部分的制作、技能掌握不熟練的制作員從構(gòu)思開始到一個新藍(lán)圖的完成，至少需要2h以上，這也是程序員為什么喜歡深夜加班到凌晨的原因，絕對的安靜下思路比較清晰，效率相對較高[2]。

4? 三維數(shù)字預(yù)案制作步驟和工具選擇

當(dāng)前可用作三維模型的制作和展示的軟件很多，在支隊的專項培養(yǎng)下，結(jié)合前期制作經(jīng)驗，對預(yù)案制作步驟和工具選擇建議如下：

4.1? 第一階段，即平面制圖階段

選擇“建筑使用管理軟件計算機輔助設(shè)計”（常用名稱CAD）。現(xiàn)實工作中我們會遇到多種情況。一是單位提供CAD。單位提供的CAD圖紙很復(fù)雜，涵蓋的信息非常多，需要制作員簡化圖紙內(nèi)容，同時分離出樓梯圖紙備用。二是有些單位只提供PDF版本的圖紙，需要轉(zhuǎn)換成CAD來使用。三是有些單位無法提供任何圖紙，需要制作員現(xiàn)場采集信息，并手繪圖紙。筆者使用的是激光測距儀。消防三維預(yù)案對建筑尺寸數(shù)值要求精度不高，無論是修圖獲取CAD還是手繪后自己畫CAD，都可以根據(jù)制作情況，做適當(dāng)修改和簡化，方便后期三維模型的制作。

4.2? 三維模型制作階段

社會上現(xiàn)有的三維模型制作軟件非常多。筆者選擇的是3Dmax和草圖大師（shetchup）。3DStudio Max，簡稱為3DMax或3DSMax。3DMax是目前市面上主流的三維設(shè)計軟件，軟件功能強大，掌握起來需要一定時間，建模和渲染效果非常好。軟件特點：（1）基于PC系統(tǒng)的低配置要求;（2）安裝插件后可實現(xiàn)很多強大功能，如一鍵制作樓梯、屋頂、開門、開窗;（3）強大的角色Character動畫制作能力;（4）可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、三維動畫、多媒體制作、游戲、以及工程可視化等領(lǐng)域。

草圖大師簡單易用，建模效率高，適用于建筑、景觀的方案草圖三維設(shè)計，對于計算機制圖基礎(chǔ)不是很高的人也可以較快入門。草圖大師的優(yōu)點：（1）環(huán)境模擬，可以快速創(chuàng)建三維建筑環(huán)境模型;（2）空間分析，建模后，在虛擬場景中可以從任意角度瀏覽建筑外觀、內(nèi)部空間以及建筑細(xì)部，分析各種空間節(jié)點;（3）形體構(gòu)思，建模操作簡單直接，易于修改;（4）可以在粗略的作圖以及精準(zhǔn)的確定尺寸兩種工作方式之間隨時切換。

4.3? 人機互動階段

制作出的模型，必須在有一個運行的環(huán)境，可以完成展示、漫游、災(zāi)情設(shè)定、力量部署等任務(wù)。筆者選擇了入門較為簡單的UE4，即虛幻引擎（Unreal Engine）第四個版本。

虛幻引擎4從注冊和使用是免費的。其可以完成虛擬與現(xiàn)實的人機互動（消防數(shù)字三維沙盤或預(yù)案），錄制視頻（火災(zāi)現(xiàn)場還原）。支持Linux、Windows系統(tǒng)的PC，任天堂Switch，以及IOS和Android移動設(shè)備以及VR設(shè)備。

5? 消防三維數(shù)字預(yù)案制作和功能簡介

數(shù)字預(yù)案在制作前應(yīng)需準(zhǔn)備好材料，如單位信息、消防力量部署、預(yù)案所需三維模型和制作預(yù)案所需的圖片元素。并將準(zhǔn)備好的元素分類放入UE4中。創(chuàng)建UE4項目后至少要分以下幾個文件夾Blueprint（藍(lán)圖）、UI（控件藍(lán)圖）、Maps（關(guān)卡）、Particles（粒子特效）、Shapes

（建議根據(jù)建筑數(shù)目準(zhǔn)備不同后綴的文件夾）、Textures

（貼圖）、Materials（材質(zhì)）、vehicle（用于存放消防車輛和其他車輛）和Firemen（消防員人物動畫和骨架）。

5.1? 登陸界面

消防三維預(yù)案通常需要至少2張關(guān)卡。第一張關(guān)卡，用來制作封面，封面可以添加視頻、動畫或者圖片。其主要功能是在封面設(shè)置一個登陸界面，如果想要看具體內(nèi)容需要輸入密碼進(jìn)入第二張關(guān)卡，才能使用消防預(yù)案。制作主要內(nèi)容為登陸主界面，內(nèi)含一個文本輸入框，一個按鈕鍵和封面圖。藍(lán)圖內(nèi)容為：按下按鈕后，如輸入文本框的內(nèi)容和設(shè)定的密碼相等時，判斷為真，進(jìn)入下一個指定關(guān)卡。

5.2? 世界場景的設(shè)置

第二個關(guān)卡即消防數(shù)字預(yù)案主要內(nèi)容，需提前做好設(shè)置。先創(chuàng)建項目模式、項目玩家、項目HUD、項目控制器，因預(yù)案需要漫游體驗另需要設(shè)項目漫游玩家，將以上內(nèi)容替代原關(guān)卡對應(yīng)內(nèi)容。第二張關(guān)卡里需要添加光照、天空球、TargetPoint（漫游玩家出生位置）和項目玩家（作用為預(yù)案沙盤視角玩家）。

5.3? UI主界面的內(nèi)容

當(dāng)事件開始時，關(guān)卡添加主界面，并將所有的樓層歸類，由玩家輸入控制器決定顯示那一層。主界面內(nèi)放入需要添加的其他UI，如樓層控制、菜單、子菜單、基本信息、單位平面圖、作戰(zhàn)部署等需要在數(shù)字預(yù)案展示的信息界面或操作按鈕顯示框。主界面上加入UI指北針，可根據(jù)角色的移動作方向參考。

5.4? 單位介紹模塊

單位介紹模塊包含單位的基本信息、建筑特點、周邊毗鄰、道路交通等三、四級預(yù)案應(yīng)有內(nèi)容，也可根據(jù)需要添加其他內(nèi)容。每個內(nèi)容放入獨立的UI控件藍(lán)圖中，通過菜單、子菜單內(nèi)部藍(lán)圖邏輯調(diào)取內(nèi)容。

5.5? 建筑消防模塊

主要展示建筑內(nèi)部墻式消火栓、防火卷簾門、噴淋、擋煙垂壁等固定消防設(shè)施和消防監(jiān)控室。噴淋、防火卷簾設(shè)置為無碰撞，在選擇相應(yīng)按鈕后顯示，通常情況隱藏，減少預(yù)案表面信息量，避免冗雜。噴淋在按下按鈕后，可添加操作UI控件，進(jìn)行固定消防設(shè)施的模擬。相對主體建筑不明顯的情況下，需通過材質(zhì)讓其閃爍提示。

5.6? 供水模塊

本模塊主要展示單位室外消火栓、市政消火栓、天然取水點和水泵接合器位置。每個模型上添加UI控件，用來標(biāo)志編號和添加箭頭（用箭頭來引導(dǎo)項目玩家視角位置和方向），便于消防力量部署。

5.7? 疏散模塊

主要展示單位的出入口、樓梯、電梯和電扶梯。同樣出入口應(yīng)添加相應(yīng)UI控件，功能同上。此時建筑模型應(yīng)設(shè)置為半透明。兩種途徑：一是當(dāng)選擇本模塊后建筑材質(zhì)更換為半透明，但越是復(fù)雜的建筑，工作強度越大;二是制作另一份模型，將模型設(shè)置為半透明，當(dāng)選擇本模塊后，建筑和周邊隱藏，僅顯示透明的模型。

5.8? 災(zāi)情模擬模塊

火情模擬部分覆蓋火災(zāi)初期、發(fā)展、猛烈、衰減階段和不同階段煙霧的模擬。車輛模擬覆蓋城市常見車輛的模型。車輛模型加上火情模擬，可模擬車輛火災(zāi);建筑加上火情模擬可模擬建筑火災(zāi)。被困人員模塊添加UI控件，可以拉近視角。另有恐怖襲擊模塊，包含可倒計時的觸發(fā)爆炸物和毒氣模擬。

5.9? 漫游模塊

進(jìn)入漫游模塊，項目會創(chuàng)建漫游角色，電腦從操控項目玩家更改為漫游玩家。通過漫游玩家的第一視角，可以模擬災(zāi)情處置消防員處置過程，如果配合VR設(shè)備，可以帶來沉浸式體驗。漫游模塊中的戰(zhàn)斗員視角，可以操作水槍滅火。射水姿勢分站姿和蹲姿滅火。消防員漫游需要獲取消防員Mesh（UE4商城可購買）和下載可匹配的動畫。

5.10? 滅火救援模塊

模塊第一項內(nèi)容為該單位滅火救援處置預(yù)案，模塊第二項內(nèi)容為消防力量部署圖。都可通過UI控件添加到UL主界面，根據(jù)子菜單的判斷顯示或隱藏。第三項內(nèi)容為支隊各消防站執(zhí)勤備戰(zhàn)消防車力量和應(yīng)援消防車輛（含摩托車和排煙車）。第四項為各站消防員模擬。車輛和消防員模型設(shè)置唯一性，當(dāng)再次點擊后可收回模型，提高沙盤推演容錯性。第四項消防裝備，包含常見消防器材。第五項集結(jié)區(qū)域。第六項其他力量，包含單位工作人員、微站人員等。第七項路徑，可模擬水帶路線或進(jìn)攻撤退路線。

5.11? 聯(lián)勤聯(lián)動模塊

模塊包含公安、特警、交警、醫(yī)療、環(huán)衛(wèi)和工程搶修，預(yù)留其他選項備用以后添加其他聯(lián)勤聯(lián)動力量。

5.12? 其他模塊

虛擬現(xiàn)實功能的強大，可以真正做到虛擬現(xiàn)實，如制定一段完整的滅火救援演示?？梢酝ㄟ^“delay”命令，也可以通過“碰撞”觸發(fā)，也可以通過UI控件控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳馳，任愛珠，張新.基于虛擬現(xiàn)實的建筑火災(zāi)模擬系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2007（01）：55-60.

[2]曾鈞生.消防滅火救援及搶險救援實用手冊[M].北京：中國知識出版社，2012.