一套網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實高層建筑火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)

閆豐亭,張 謙

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院, 上海 201620)

0 引言

自新冠疫情以來,為應(yīng)對當(dāng)前形勢下的新挑戰(zhàn),網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實教學(xué)[1]、網(wǎng)絡(luò)虛擬人機交互、網(wǎng)絡(luò)跨空間交流[2]的研究與應(yīng)用,成為了新的研究方向。在各類型的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實情景中,針對模擬訓(xùn)練類型情景的研究成為了該方向的熱點之一。文獻[3]進行的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛機裝配仿真研究,通過對需要多人分工協(xié)作完成任務(wù)的情況進行分析,配合虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng),能夠有效地快速提高飛機裝配訓(xùn)練效果與效率。文獻[4]則將虛擬現(xiàn)實技術(shù)推廣到臨床溝通領(lǐng)域,通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬分娩情景,讓參與實驗人員進行臨床角色扮演,以此提高參與者在與患者互動時的正確性共情反應(yīng)。文獻[5]通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)重現(xiàn)了1976年的泰頓大壩災(zāi)難情景,通過虛擬現(xiàn)實耳機上的虛擬現(xiàn)實環(huán)境管線,使用戶能夠沉浸式地體驗這場災(zāi)難性洪水事件,通過情景交互的形式讓人們能夠體驗到水壩失事的危險性,并促使人們在未來的工作中提高危險意識。文獻[6]在消防培訓(xùn)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),為消防員提供技能培訓(xùn),在虛擬火災(zāi)環(huán)境中為用戶提供沉浸式的培訓(xùn)情境。

2013年,在俄羅斯發(fā)生了一起特大型地鐵火災(zāi),由于俄羅斯政府積極開展的地鐵逃生訓(xùn)練,在這場突發(fā)的地鐵火災(zāi)當(dāng)中,5 000名乘客均安全撤離,僅11人輕傷[7]?；馂?zāi)作為日常生活過程中存在且危險的一種突發(fā)事件,突發(fā)的險情往往造成了人們心理的恐慌,導(dǎo)致人們做出不合理的決策,造成不同程度的損失。雖然火災(zāi)避險逃生訓(xùn)練具有一定的必要性,但是在實際生活中,時間和空間條件的嚴(yán)格要求限制了其普及。為解決這一問題,將火災(zāi)避險逃生訓(xùn)練與網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合,研究了一套火災(zāi)應(yīng)急避險訓(xùn)練系統(tǒng),為虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練情景模擬研究提供可行性實例。

火災(zāi)應(yīng)急自救行為的主要目的是使逃生人員能夠在面對突發(fā)火災(zāi)情景時,快速安全地逃離火災(zāi)區(qū)域,因此,如何準(zhǔn)確高效地規(guī)劃疏散路徑成了至關(guān)重要的問題。針對火災(zāi)應(yīng)急自救行為的火災(zāi)安全評估是以火災(zāi)對人類的危害分析作為基礎(chǔ),結(jié)合特定方法評估行為的安全等級,通過安全等級與指標(biāo)描述來解釋火災(zāi)應(yīng)急自救行為的安全水平。當(dāng)前階段的火災(zāi)安全評估研究方向集中于建筑物或特殊環(huán)境的安全水平,針對應(yīng)對火災(zāi)情景中的應(yīng)急自救行為的火災(zāi)安全評估方式研究寥寥無幾。

與常規(guī)路徑規(guī)劃不同,火災(zāi)避險路徑的規(guī)劃需要考慮火災(zāi)現(xiàn)場的情況。文獻[8]利用場模型獲取火災(zāi)仿真數(shù)據(jù),通過構(gòu)建動態(tài)的導(dǎo)航網(wǎng)格,再基于導(dǎo)航網(wǎng)格的拐角點算法使人員能夠在室內(nèi)環(huán)境下進行動態(tài)的火災(zāi)避險路徑規(guī)劃。文獻[9]采用引入1個可以連接所有出口的虛擬節(jié)點作為源點的方式改變了原始靜態(tài)網(wǎng)格的結(jié)構(gòu),以這個虛擬節(jié)點為源點采用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法來搜索源點到各個出口的最優(yōu)路徑。文獻[10]則將分階段避險算法引入到室內(nèi)空間范疇之中,在多層多空間的室內(nèi)空間網(wǎng)格中,通過將避險位置進行分組區(qū)分,采用Dijkstra算法來計算最優(yōu)路徑,并且估計避險過程中的平均速度,以此為依據(jù)進行避險計劃的設(shè)計。文獻[11]則通過將蟻群算法進行組合優(yōu)化,實現(xiàn)多起點與多終點的組合式路徑規(guī)劃,解決多出口避險的路徑規(guī)劃問題。

本文以當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(web virtual reality,WebVR)技術(shù)以及屬性數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),以上海工程技術(shù)大學(xué)行政樓為例,研究高層建筑物室內(nèi)火災(zāi)情景下的應(yīng)急避險訓(xùn)練系統(tǒng)與評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。結(jié)合漸進式加載與輕量化模型處理技術(shù),搭建以高層建筑物內(nèi)部場景為基礎(chǔ)的三維情景交互系統(tǒng)。以屬性數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),結(jié)合火災(zāi)避險逃生實際情況,設(shè)計一套火災(zāi)避險逃生訓(xùn)練指標(biāo),將其運用在火災(zāi)情景模擬系統(tǒng)中以獲取評估結(jié)果的反饋。探討火災(zāi)情景的仿真模擬方法,著重對火災(zāi)情景中的火焰、煙氣等進行模擬,考慮用戶在火災(zāi)中的避險原則,對避險路徑模擬進行設(shè)計與實現(xiàn)。將上述研究應(yīng)用于WebVR平臺,研究了一個移動平臺上的虛擬現(xiàn)實火災(zāi)避險逃生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 基于WebVR的高層建筑虛擬環(huán)境

WebVR場景構(gòu)建是火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ),大規(guī)模高層建筑場景數(shù)據(jù)量大,渲染計算量大。本文在真實源數(shù)據(jù)獲取與處理的基礎(chǔ)上,對三維虛擬場景進行搭建與輕量化處理,以物理渲染技術(shù)來優(yōu)化材質(zhì)貼圖,以提升場景的真實性;然后進一步對場景模型進行規(guī)則挖掘,并將模型進行打包入庫處理,以實現(xiàn)場景的適時動態(tài)加載與卸載;最終結(jié)合三維引擎對場景可視化渲染做出優(yōu)化處理。

本系統(tǒng)主要以建筑物室內(nèi)空間為研究場景,但建筑物外部輪廓決定了建筑物的模型框架,依舊需要對其進行構(gòu)建。同時,出于對后續(xù)系統(tǒng)運行性能的考量,在建模過程的最后階段,對整個建筑物模型進行減面處理,以減少模型點面數(shù)的方式來降低模型的數(shù)據(jù)量,從而達到輕量化的結(jié)果。模型構(gòu)建過程分為4個步驟：第1步是基于結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的構(gòu)件化模型搭建,諸如門、窗、玻璃幕墻等較復(fù)雜的三維模型,同時結(jié)合空間位置數(shù)據(jù),對樓層進行分割,制作各樓層的墻體結(jié)構(gòu)模型;第2步是將第1步中的構(gòu)件化模型依據(jù)建筑空間幾何數(shù)據(jù)進行裝配式拼裝,使每一層樓的模型更加完整,能夠真實地呈現(xiàn)出每一層樓的空間結(jié)構(gòu);第3步則是對模型進行輕量化處理,以減少模型的數(shù)據(jù)量;第4步是將模型導(dǎo)入三維引擎當(dāng)中,完成三維建筑物的整體結(jié)構(gòu)拼裝,通過基于物理的渲染(physically based rendering, PBR)技術(shù)為模型添加紋理,以此賦予模型表面光學(xué)特性,并結(jié)合模擬天空以及光影效果烘焙等方式增強虛擬環(huán)境的真實性。

本系統(tǒng)基于對上海工程技術(shù)大學(xué)行政樓真實數(shù)據(jù)的分析,依據(jù)虛擬場景建模特性與建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),采用漸變式構(gòu)建流程,僅在拓撲結(jié)構(gòu)相似的基礎(chǔ)上進行差異化改造,再進行減面優(yōu)化以完成輕量化建模。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于上海工程技術(shù)大學(xué)行政樓施工圖紙的真實數(shù)據(jù),提取了全部的真實建筑源數(shù)據(jù)。圖1和圖2是部分模型圖。

圖1 第2層模型圖

圖2 第3層模型圖

2 火災(zāi)避險模擬

在以三維虛擬模型為基礎(chǔ)的高層建筑虛擬場景構(gòu)建好后,需要為場景添加相對應(yīng)的情景交互功能,以滿足火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)的需求。其中包括基于粒子系統(tǒng)的火災(zāi)可視化功能與火災(zāi)避險路徑規(guī)劃功能。

2.1 火災(zāi)可視化

建筑物內(nèi)部的火災(zāi)可視化方法主要有2種,一種是著重于數(shù)值模擬的火災(zāi)物理真實感模擬,另一種是著重于表現(xiàn)效果的火災(zāi)可視化效果真實感模擬。由于火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)的應(yīng)用場景更加注重視覺表現(xiàn)力,本文選用第2種火災(zāi)可視化方法,這種方法主要是將火災(zāi)作為一種表現(xiàn)形式,并不能提供火災(zāi)現(xiàn)象中的各種模擬數(shù)值,而是注重于火災(zāi)的可視化表現(xiàn)效果,并主要基于粒子系統(tǒng)火焰與煙氣進行模擬。

粒子系統(tǒng)在建立過程中設(shè)定了與過去傳統(tǒng)系統(tǒng)差異化的方式來構(gòu)造與繪制圖像,其方式主要是通過將多種不規(guī)則、隨機分布的粒子進行組合,根據(jù)需求為不同粒子設(shè)置相對應(yīng)的生命周期,使其在生命周期內(nèi)根據(jù)設(shè)置的特性不斷改變自身狀態(tài),在完整的生命周期中經(jīng)過出生、運動、死亡這一循環(huán)過程。為使粒子系統(tǒng)構(gòu)造與繪制的各類粒子圖像具有合理的隨機性,粒子的基本屬性也能在生命周期中受到隨機變化的影響[12]。在通常狀態(tài)下,使用粒子系統(tǒng)對物體進行描述,主要需要以下步驟：首先,分析模擬物體的初始狀態(tài),構(gòu)建初始化的粒子屬性;然后,分析模擬物體的后續(xù)生命運動狀態(tài),設(shè)計粒子屬性的動態(tài)變化規(guī)律;其次,設(shè)置粒子數(shù)量,并對不同種類的粒子進行差異化賦值,使其擁有相對應(yīng)的粒子屬性;接著,設(shè)置粒子的生命周期,并在運行中刪除已經(jīng)“死亡”的粒子;再次,根據(jù)粒子屬性的動態(tài)變化規(guī)律,對粒子屬性進行更新;最后,在系統(tǒng)開始運行后,繪制出粒子的可視化圖像[13-15]。

火災(zāi)的可視化模擬以火焰和煙氣的可視化為主,為使可視化效果在網(wǎng)絡(luò)(Web)平臺上有更好的展示效果,與模型表面材質(zhì)相似,先制作出火焰與煙氣的相關(guān)紋理貼圖,保存其相關(guān)數(shù)據(jù),再通過設(shè)置后續(xù)系統(tǒng)運行過程中粒子屬性的動態(tài)變化規(guī)律,繪制出粒子的可視化效果。然后再使用公告牌技術(shù)使紋理圖形始終朝向用戶攝像機,使用戶能夠在任意視點的任意角度都有著良好的可視化顯示效果?；馂?zāi)可視化紋理貼圖如圖3所示。

(a) 火焰表面顏色貼圖

圖3a為火焰表面顏色貼圖,保存了火焰的燃燒形態(tài)過程,在粒子系統(tǒng)運行過程中,會按照一定規(guī)格被分割成若干圖形,并以一定順序進行顯示,實現(xiàn)動態(tài)效果;圖3b為火焰自發(fā)光貼圖,保存了火焰在生命周期中的動態(tài)自發(fā)光信息,可以使火焰在生命周期中向周圍散發(fā)正常的光照信息,增強火焰的真實感效果;圖3c為煙氣表面顏色貼圖,與圖3a種類相同,保存了煙氣的擴散形態(tài)過程;圖3d為煙氣法線貼圖,可以使煙氣粒子產(chǎn)生一定體積效果,使煙氣看上去具有物理體積,既可以減少性能效果,又可以提升煙氣的真實感效果。火焰與煙氣的可視化效果如圖4所示。

圖4 火焰與煙氣的可視化效果圖

2.2 火災(zāi)避險路徑規(guī)劃

為更好地實現(xiàn)火災(zāi)避險路徑規(guī)劃功能,本文采用導(dǎo)航網(wǎng)格(NavMesh)作為智能導(dǎo)航的基礎(chǔ)。A*算法在尋徑地圖上依賴于可遍歷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),需要在平面地圖上設(shè)置多個路徑節(jié)點,為更好地滿足大規(guī)模場景的需求,通常需要散布大量的路徑點來實現(xiàn)更加豐富的尋徑效果[16]。與傳統(tǒng)A*算法相比,基于導(dǎo)航網(wǎng)格的拐角點算法擁有更高的效率,能夠真實地模擬實際場景和地形,動態(tài)規(guī)避障礙,能夠更加便捷地進行動態(tài)更新,是實現(xiàn)場景中快速路徑規(guī)劃的選擇之一[17]。場景內(nèi)部分導(dǎo)航網(wǎng)格如圖5所示,圖5中藍色區(qū)域為烘焙生成的導(dǎo)航網(wǎng)格,其余空白部分則是場景中被定為“障礙物”的模型產(chǎn)生的不可通行域。具體步驟如下：首先根據(jù)虛擬場景的區(qū)域連通性進行劃分,構(gòu)建初始導(dǎo)航網(wǎng)格;然后根據(jù)初始導(dǎo)航網(wǎng)格,尋找可通行域,在網(wǎng)格上生成節(jié)點,并連接成可通行路線;之后基于火災(zāi)情景中各類動態(tài)信息,諸如煙霧、火焰等動態(tài)障礙物,動態(tài)調(diào)整導(dǎo)航網(wǎng)格,并重新規(guī)劃可通行路線;重復(fù)上述過程,直到用戶到達安全區(qū)域。

圖5 場景內(nèi)部分導(dǎo)航網(wǎng)格

本節(jié)實現(xiàn)的火災(zāi)避險路徑規(guī)劃在導(dǎo)航網(wǎng)格的基礎(chǔ)上,將拐角點算法用于路徑規(guī)劃,該算法簡單、高效、結(jié)果較優(yōu),與沃羅諾伊(Voronoi)圖、柵格法等同樣基于圖的搜索算法相比,有著明顯的優(yōu)勢。同時,又由于其采用凸多邊形來描述空間維度,對于三維空間的描述更加真實與高效,相較于傳統(tǒng)需要依賴節(jié)點的拓撲模型結(jié)構(gòu)圖,其規(guī)劃的路徑具有高可靠、短路徑、便捷修正的特點,更加適合處理復(fù)雜三維環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題。基于圖的路徑規(guī)劃算法的性能對比如表1所示。

表1 基于圖的路徑規(guī)劃算法性能對比

在進行火災(zāi)避險路徑規(guī)劃的過程中,除去考慮墻體、門窗等障礙物,還需要考慮火災(zāi)中存在的擴散因素與多終點的火災(zāi)避險方式結(jié)構(gòu),多終點的避險路徑規(guī)劃根據(jù)用戶最終到達的避險終點進行動態(tài)更新,在記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下進行處理,以確保選擇的路徑是當(dāng)前避險終點的最優(yōu)避險路徑。與傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃策略相比,本文方法的創(chuàng)新點在于將預(yù)處理的靜態(tài)信息與實時處理的動態(tài)信息相結(jié)合,作為最優(yōu)路徑的規(guī)劃依據(jù),在優(yōu)先保證避險路徑的真實性后,再確保路徑的最優(yōu)化。

3 基于屬性數(shù)學(xué)的安全評估

3.1 屬性數(shù)學(xué)原理

屬性數(shù)學(xué)是程乾生在1994年提出的[18]。屬性數(shù)學(xué)被廣泛運用于人工智能,如聚類分析、決策系統(tǒng)、質(zhì)量評價等方面,為人們提供了全新的、著眼于理論與應(yīng)用的綜合方法。屬性數(shù)學(xué)[19]是通過測量事物屬性,研究事物屬性間的關(guān)系,并進一步度量關(guān)系強度的理論方法。事物屬性的測量可以劃分為可直接測量與可間接測量兩種。可直接測量的屬性,是通過對客觀物理屬性的直接測量所獲得,例如樹的高度、火的溫度、人的體質(zhì)量等,都可以使用儀器或者實驗來獲取定性的具體屬性數(shù)據(jù)?？砷g接測量的屬性,是針對人們主觀思維屬性的間接測量,例如學(xué)習(xí)的好壞、行為的對錯、面容的美丑等,這些無法直接用具體數(shù)字來進行定量的屬性,只能通過間接測量的手段來進行測量。

屬性數(shù)學(xué)中包含屬性集合與屬性測度集合。首先,將所有的研究對象記作U,將其稱之為研究對象空間[20]。在火災(zāi)安全評估研究中,U={突發(fā)火災(zāi)情景下的各種危險因素},U中的元素u表示各個危險因素。針對U中的任意元素進行特定性質(zhì)的評價,形成火災(zāi)安全評估的屬性空間,記作P。在突發(fā)火災(zāi)情景下,通過智能計算規(guī)劃避險路徑,需要對路徑的安全程度進行評價,則可以設(shè)定P={安全程度}。每個屬性元素值都是屬性空間中的一種情況,根據(jù)規(guī)劃的路徑的安全程度,劃分了P的等級,A={非常安全},B={安全},C={一般安全},D={不安全},則A、B、C、D皆為屬性空間P={安全程度}的一種等級,即A、B、C、D都是屬性集,且都是屬性空間P的子集。

根據(jù)屬性數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)計算原理,針對火災(zāi)避險訓(xùn)練需求,安全評估系統(tǒng)的評估過程可以劃分為3個步驟：

(1)進行單指標(biāo)屬性測度分析。依托火災(zāi)評價集與安全指標(biāo)值的大小構(gòu)建性能函數(shù),進行屬性測度分形,根據(jù)火災(zāi)安全系統(tǒng)打分或者用戶打分得到安全性能函數(shù)值。

(2)進行多指標(biāo)綜合屬性測度分析。對步驟(1)得到的所有單指標(biāo)安全性能函數(shù)進行處理,得到該對象的整體安全性能函數(shù)分析。

(3)進行安全因素屬性識別分析?；诓襟E(2)得到的運算結(jié)果,依照設(shè)定好的置信度識別準(zhǔn)則,得出兩種避險模式的安全等級的評估。

3.2 火災(zāi)評估指標(biāo)設(shè)計

火災(zāi)安全評估標(biāo)準(zhǔn)是火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)訓(xùn)練反饋的基礎(chǔ)。在用戶完成訓(xùn)練之后,需要一定的正負反饋讓用戶通過訓(xùn)練獲得直觀的感受,而有標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)才能夠在系統(tǒng)中設(shè)計并實現(xiàn)對指標(biāo)參數(shù)的記錄,并用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。本文根據(jù)火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)的情景需求將安全評估標(biāo)準(zhǔn)的著眼點放在了用戶上,將用戶的訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為客觀測量值,將用戶的自我評價作為主觀測量值,先將各測量值按照屬性測度分析法計算出單指標(biāo)安全等級,再進行多指標(biāo)綜合屬性測度,最后依照安全因素屬性識別給出最終安全評估等級作為系統(tǒng)評估結(jié)果,通過信息窗口讓用戶在系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)上的正負反饋,以此提升用戶在模擬訓(xùn)練后對自己行為的具體認知,增強用戶對模擬訓(xùn)練的反饋效果。

為更好地進行避險訓(xùn)練的安全指標(biāo)設(shè)計,火災(zāi)情景將以較為寬敞的虛擬高層建筑第3層進行設(shè)計,通過設(shè)置可視化的火焰與煙氣來模擬火災(zāi)情景,并在多個能夠逃離當(dāng)前樓層的地方設(shè)置終點作為模擬的結(jié)束標(biāo)記,例如可以作為臨時避險點的衛(wèi)生間、可以安全逃生的防火間樓梯、作為錯誤范例的電梯等。

首先,考慮到避險的緊急性,路徑的最優(yōu)化選擇是必然的,但是人們在面對緊急情況的時候,往往來不及去思考最優(yōu)解,而是尋找最直觀的解,為滿足用戶在這一情況下的不同反應(yīng),避險路徑不以固定的最優(yōu)解路線作為參考標(biāo)準(zhǔn),而是根據(jù)用戶最終到達的終點來確定路徑參考值,之后將該參考值與用戶行進距離差值的絕對值作為指標(biāo)參數(shù)參與評估分析,即路線偏移量?？紤]到實際的行進路線與模擬路線必定存在誤差,分別以5 m、10 m、15 m、30 m作為等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

其次,考慮用戶面對火災(zāi)情況所做應(yīng)對方法的正確性,在系統(tǒng)中使用遞減形式記錄,先設(shè)置基礎(chǔ)分,在用戶做出某些應(yīng)對火災(zāi)情況的錯誤行為時進行扣分,例如在通過煙氣時沒有以低姿態(tài)前進、選擇乘坐電梯等,該指標(biāo)參數(shù)即行為正確度。其中,以5為基礎(chǔ)分,每減1分降低1個等級。

再次,考慮火災(zāi)中致人死亡的主要原因有缺氧、吸入有毒氣體、吸入熱氣與燒傷[21]。據(jù)統(tǒng)計,在火災(zāi)中有80%以上的死亡是由于煙氣窒息與有毒熱氣,避開煙氣是在火災(zāi)中保證安全的重要事項,但是由于煙氣的擴散性與擴散速度,人們往往無法完全避開煙氣的影響,考慮到人在煙氣中的最佳逃亡時間為30～60 s,以最小值為參考基準(zhǔn),計算用戶在煙氣范圍內(nèi)的持續(xù)停留時間,該指標(biāo)即煙氣內(nèi)停留時間。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定以30 s為限,分別以1 s、3 s、5 s、10 s作為等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

最后,作為對比項目,在測試結(jié)束后讓用戶自我打分,讓用戶根據(jù)自我認知對自己在訓(xùn)練過程中的行為進行評分,即用戶自我評估,將該項目具體分為路徑最優(yōu)評分和行為正確評分,前者為用戶對自己所選路徑的自我評估,后者為用戶對自己在訓(xùn)練過程中的行為正確度的評分。作為評分,這兩項評分以10分為滿分,10～9為第1等級,前4等級分別減1作為等級劃分范圍,第5等級采取6～0作為等級范圍。

5項指標(biāo)的等級劃分表如表2所示,因為屬性數(shù)學(xué)的計算存在數(shù)值邊界,故在測量數(shù)據(jù)的過程中若是存在超越邊界的數(shù)據(jù)值,則將按照越界的最大值或者最小值來記錄。

表2 用戶操作模式指標(biāo)等級劃分表

在完成火災(zāi)避險模擬訓(xùn)練后,通過腳本計算分析各項安全評估指標(biāo),其主要算法流程如算法1所示。

算法1：火災(zāi)安全評估算法流程。

輸入：火災(zāi)安全評估指標(biāo)等級劃分參數(shù),測定指標(biāo)參數(shù)、置信度;

輸出：火災(zāi)安全評估等級;

1.begin;

2.for火災(zāi)安全評估的各項指標(biāo)do;

3.根據(jù)測定指標(biāo)參數(shù)與火災(zāi)安全評估指標(biāo)等級劃分參數(shù)計算屬性測度;

4.根據(jù)屬性識別方法與置信度計算單指標(biāo)的安全評估等級;

5.end for;

6.根據(jù)權(quán)重對所有指標(biāo)計算多指標(biāo)屬性測度;

7.根據(jù)屬性識別方法與置信度計算火災(zāi)安全評估等級;

8.End。

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

本文的火災(zāi)避險模擬系統(tǒng)是讓用戶在火災(zāi)情景中以第一視角在場景中進行應(yīng)急避險訓(xùn)練,在用戶完成模擬后將用戶在模擬過程中的各項指標(biāo)記錄下來的數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)得出結(jié)論給予用戶適當(dāng)?shù)脑u級,以此使用戶獲得避險訓(xùn)練的正負反饋,加強訓(xùn)練記憶。本章節(jié)對本文系統(tǒng)進行應(yīng)用測試,測試試驗具體流程如下：

(1)主界面選擇建筑火災(zāi)情景下拉菜單中的用戶操作模式,切換場景,進入虛擬建筑物內(nèi)部場景。

(2)進入火災(zāi)模擬情景,可通過鼠標(biāo)移動旋轉(zhuǎn)觀察角度,以及鍵盤輸入W/A/S/D或方向鍵來實現(xiàn)視角的移動,按住Ctrl鍵可以以低姿態(tài)前進,按住Shift鍵可以加速運動模擬跑步。

(3)移動到可以離開火災(zāi)樓層的安全通道或者避險點之后完成模擬,系統(tǒng)會根據(jù)模擬過程中記錄的數(shù)據(jù)開始分析數(shù)據(jù)。

(4)出現(xiàn)分析信息窗口,窗口標(biāo)識等級與指標(biāo),根據(jù)計算結(jié)果將指標(biāo)相對應(yīng)的等級指示標(biāo)記為紅色,如圖6所示。

圖6 分析結(jié)果

(5)結(jié)束測試,測試完畢,用鍵盤鍵入Esc鍵,選擇“退回主菜單”按鈕,回到模式選擇主界面。

對按上述流程進行的測試結(jié)果分析,結(jié)果如表3所示。表3中,21次測試為隨機挑選的20名用戶獨立進行的,其中20次成功完成測試流程,并獲得評分;1次未完成測試流程,在測試過程中,用戶與場景產(chǎn)生了物理碰撞模擬錯誤,攝像機停留在墻壁模型中無法進行運動,系統(tǒng)重啟后,用戶再次進行并完成了測試。20次成功獲得評分的測試,其測試結(jié)果與理論計算結(jié)果相同,正確率為100%。測試結(jié)束后,讓用戶對系統(tǒng)整體進行評級,其中12人認為系統(tǒng)較為“優(yōu)秀”,8人認為系統(tǒng)較為“合格”但是還有待改善。根據(jù)結(jié)果分析,本文系統(tǒng)雖然存在缺陷,但是整體測試有效率較好,結(jié)果分析正確,用戶評價尚可,說明系統(tǒng)具有一定的可行性和實際性。

表3 測試結(jié)果分析

5 結(jié)束語

本文開發(fā)了一個Web平臺上的虛擬現(xiàn)實火災(zāi)避險逃生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究了通過結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維場景可視化技術(shù)、PBR技術(shù)等技術(shù)實現(xiàn)的建筑物室內(nèi)虛擬情景交互系統(tǒng)構(gòu)建的原理與步驟。以屬性數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),結(jié)合火災(zāi)避險逃生實際情況,設(shè)計了一套火災(zāi)避險逃生訓(xùn)練指標(biāo)。探討火災(zāi)情景的仿真模擬,對用戶在火災(zāi)情景中所需應(yīng)對的突發(fā)險情進行仿真與實現(xiàn)。實驗測試表明該系統(tǒng)雖然存在一些瑕疵,但依舊為解決高層建筑火災(zāi)應(yīng)急情景下避險模擬提供了一個可行性方案。