基于UE4引擎的校園火災模擬系統(tǒng)研究與設計

摘? 要：近年來疫情封校原因，學生無法外出，校園安全問題日益嚴峻。在校園內(nèi)，學生食堂、宿舍等區(qū)域，一旦發(fā)生火災，后果不堪設想。無論學生緊急疏散慌張導致的踩踏事件，還是火勢過猛引起學生無法逃離現(xiàn)場的情況，都是需要解決的問題。所以必須加強學生的消防安全意識，此系統(tǒng)旨在讓學生在虛擬引擎中體驗真實的火災模擬系統(tǒng)，如何逃生，如何規(guī)范地破滅火災，都可以在此系統(tǒng)中進行演練，幫助學生學習消防知識，又能夠提高學生遇到實際火災問題保證自身安全的能力。

關鍵詞：校園管理；火災模擬系統(tǒng)；UE4引擎；消防安全

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）13-0018-04

Research and Design of Campus Fire Simulation System Based on the UE4 Engine

SONG Xue

（Guiyang Institute of Humanities and Technology， Guiyang? 550025， China）

Abstract： In recent years， students cannot go out due to the epidemic situation and school closure， and campus safety problems have become increasingly serious. On campus， student cafeterias， dormitories and other areas， once a fire occurs， the consequences are unimaginable. Whether it is a stampede caused by panic of students' emergency evacuation， or the situation where students cannot flee the scene due to excessive fire， it is a problem that needs to be solved. Therefore， it is necessary to strengthen students' fire safety awareness. This system is designed to allow students to experience the real fire simulation system in the virtual engine. How to escape， how to standardize to put out the fire， can be practiced in this system. It helps students learn fire protection knowledge， and can improve the ability of students to ensure their own safety when encounter actual fire problems.

Keywords： campus management; fire simulation system; UE4 engine; fire safety

0? 引? 言

高等院校是學生居住時間較多的地方，有著宿舍多、占地面積大、樓層高等特點，學生也居住密集，在上課期間，全校師生的消防安全問題是非常需要關注的。學校校園內(nèi)，有實驗室、宿舍樓、食堂、檔案館和圖書館等重點需要消防安全的場所，一旦發(fā)生火災，校園內(nèi)工作人員、教師和學生的人身安全和財產(chǎn)安全都會受到威脅[1]?，F(xiàn)在很多學校也很重視消防安全，安裝一些預防校園火災的有線或無線的火災防范系統(tǒng)，這些系統(tǒng)會有效地在火災發(fā)生時及時預警，以便于盡快控制火勢的發(fā)展。但當火災發(fā)生時，并非所有人員或財產(chǎn)傷亡情況都由火災引起，當學生沒有足夠的消防經(jīng)驗時，慌張的飛奔下樓造成樓梯擁擠的踩踏事件數(shù)不勝數(shù)。不知道如何控制火勢使之變大的情況也比比皆是。為有效預防這種情況，本文重點使用3DMax和UE4引擎為工具來構建校園虛擬場景，讓學生能夠體驗遇到火情時如何有效地控制火情或是井然有序的離開火災現(xiàn)場，保護自身安全和財產(chǎn)安全[2]。本文重點闡述如何使用3DMax搭建校園模型，使用UE4引擎實現(xiàn)實時渲染，對校園標志性建筑物進行1比1還原仿真，讓學生了解學校細節(jié)方位，有效地滿足實時預覽和高效、深度沉浸階段的需求，提高學生用戶與系統(tǒng)設計的沉浸交流體驗。

1? 軟件功能與框架

1.1? 建模軟件

3D建模軟件有很多，目前主流的高模建模軟件有：Maya、3DMax、Zbrush。其中3DMax以基于PC系統(tǒng)的配置要求低；安裝插件可以提供3DMax沒有的功能進行增強；強大的角色動畫制作能力；可堆疊建模步驟，使制作模型有非常大的彈性；制作流程十分簡潔高效，適合初學者等優(yōu)點使之廣泛應用。本文也將使用3DMax進行建立學校模型[3]。

1.2? 渲染軟件

目前，三維實時渲染的軟件有Unity3D和UE4。UE4在畫面中表現(xiàn)十分突出，可以直接導入3DMax的高模，默認渲染管線也是可以真實地模擬實際材質(zhì)，節(jié)點化的變成系統(tǒng)使用更加便捷，對學生學習設計非常友好[3]。在項目開發(fā)過程中，分批將藍圖中計算負荷重、耗時長的部分轉(zhuǎn)換為C++代碼供藍圖調(diào)用，可以實現(xiàn)快速原型開發(fā)和產(chǎn)品高效運行的統(tǒng)一[4]?；赨E4軟件以上的優(yōu)勢，本系統(tǒng)設計使用UE4作為實時渲染引擎，并在此基礎上開發(fā)沉浸式互動等各項功能。

2? 校園火災模擬系統(tǒng)總體設計

2.1? 系統(tǒng)總體設計

本軟件在PC端進行開發(fā)，通過Blueprint（藍圖節(jié)點）連接，實時對模型場景進行調(diào)整，使得設計者在設計時對場景把控更為簡單。為設計合適的虛擬模型場景，本系統(tǒng)在UE4的Gameplay框架基礎上，根據(jù)火災系統(tǒng)的需求設計了如圖1所示的架構。該框架中Game Mode、Game Instance、Player Controller、For loop等組件節(jié)點，均繼承UE4默認父類基礎，根據(jù)火災系統(tǒng)進行擴展適配，實現(xiàn)內(nèi)容搭建。針對內(nèi)容需求，分成兩個模塊：第一，實現(xiàn)火災系統(tǒng)模型建設及材質(zhì)貼圖建設，為使用者感官更為真實；第二，設計隨機著火點，使用者控制人物角色模擬真實火災進行交互，實現(xiàn)模擬演練的功能。

在交互中，將用戶接入Gameplay框架，分別響應不同功能，搭配Gameplay框架使用提供的通道射線追蹤、碰撞檢測等算法，提升Blueprint代碼質(zhì)量。

根據(jù)實驗系統(tǒng)的內(nèi)容和結構，系統(tǒng)分為登錄模塊、選擇角色模塊、選項模塊、實驗模塊和控制模塊。實驗模塊中的內(nèi)容根據(jù)學校范圍分成各個子模塊，每一個子模塊代表一塊區(qū)域，例：實驗一，食堂區(qū)域。各實驗模塊可以設立成獨立關卡，可以以闖關的形式判定用戶得分情況，關卡通過選項切換，通過Blueprint變成實現(xiàn)設計功能。如圖2所示。

登錄系統(tǒng)首先會進入登錄界面，在登錄界面中輸入賬號和密碼進行登錄，登錄成功后進行角色選擇模塊判定，選擇角色有教師、學生、工作人員，當選擇教師后，會進入到教師的初始實驗場景，實驗室起火點，由于是第一個實驗，會將實驗難度降低，主要用于了解如何使用消防器材；當選擇角色為學生后，會進入到學生的初始實驗場景，會隨機選擇走廊失火或宿舍失火地點，主要讓學生掌握如何使用消防器材；如選擇角色為工作人員，會將初始實驗場景設置在食堂，讓工作人員掌握如何使用消防器材。通過第一個實驗后，后續(xù)實驗會根據(jù)角色身份，進行下一次實驗判定，通關后會有綜合評分，方便各種角色體驗學習。取代平面圖形，以三維建模技術建立實際模型，通過UE4引擎、Ps等軟件快速還原真實地形加載，并對其畫面進行優(yōu)化，提高模擬訓練的真實性。如圖3日光教室效果、圖4燈光教室效果所示。

針對上述內(nèi)容進行具體分析，需要完成設計的對象有：光源、食堂、教室、辦公室、宿舍樓和得分物、角色、玩家控制器、用戶界面等。相關對象均以類的方式進行封裝，并按實際情況在實驗場景中生成多個案例，這里選取最主要的4類對象進行說明。

2.1.1? 光源

設置合適的光源，保證用戶在夜間也有真實的視野。配合天空光線晝夜交替的條件下，減少一些陰影渲染錯誤，解決用戶在夜間有真實視野效果，將天空的太陽高度和天空光源照射角度綁定，實現(xiàn)晝夜交替效果。為讓感受變得更真實，將角色相機的自動曝光的最大值、最小值設定為15和-15，在這個區(qū)間內(nèi)可以保證不出現(xiàn)曝光不足的情況或者是過度曝光的情況。

2.1.2? 食堂

食堂就是實驗中的一個關卡，是一個封閉的空間，可以向樓上延伸?？臻g內(nèi)的物體是不可以被銷毀，但是能夠觸碰的。食堂內(nèi)應設置販賣食物的商店，可以正常仿真的買賣食物。后廚內(nèi)明火和暗火也應該與真實事務一致，可以模擬各種情況的場合。將食堂封裝成為一個單獨的藍圖類“Food_B”，類中除地板“Floor”以外，其他位置都可能有任何情況燃燒的邏輯、并為食堂內(nèi)部標點，形成坐標“Left”“Right”“Middle”，當著火點發(fā)出信號，角色可以選擇逃離或是拿起消防用品施救。行為正確加分，行為錯誤減分。

2.1.3? 角色

角色將會封裝成名為“Hero_B”的藍圖類中，將建立三個角色，通過系統(tǒng)登錄界面選擇，其中相機和角色相連，而光源則在天空中，跟隨角色的動作而移動。用戶操控角色時應有相關聯(lián)的邏輯。例如，行走在食堂內(nèi)部或在宿舍躺或坐，遇到桌子、障礙物等物品時應是離開，要建立角色的坐標位置變換。為了將角色和NPC區(qū)分，為角色封裝一個單獨的藍圖類“User”，類中包含觸碰、拿起、扔掉等各種行為。角色可以拿起消防栓，可以對消防栓實施打開、關閉等行為，可以通過聲音提醒其他NPC逃生路線，觸碰人物。

2.1.4? 得分物的設置

當角色遇到火情時，角色可以控制整個位置空間，可以通過選擇如何做獲得分數(shù)。在相同的骨骼與網(wǎng)格體的情況下，需要加入Select節(jié)點，將不同的選擇結果放入Option引腳中，最后將Index引腳與Intensifier相連后設置好增值數(shù)值，可實現(xiàn)選擇后加分內(nèi)容。

2.2? 虛擬互動過程設計

本系統(tǒng)是在火災系統(tǒng)內(nèi)容設計的交互式模擬訓練系統(tǒng)，用戶可自行進入系統(tǒng)進行學習，實現(xiàn)用戶自主學習，實現(xiàn)系統(tǒng)認知，如何安全防范火災，遇到火災如何處理等不同層面的實踐訓練[5]。本系統(tǒng)大概可以分為三個步驟，首先學生登錄系統(tǒng)選擇角色，然后從第一個基礎實驗開始訓練（起初火災點發(fā)生在走廊窗戶的窗簾，此刻環(huán)境處于剛剛點燃的狀態(tài)，手邊就是三個類型的滅火器，如何選擇和操作是用戶首先需要了解的），最后通過用戶的選擇及使用判定結果和分數(shù)。每個實驗都有不同的場景及交互效果。

2.3? 具體虛擬系統(tǒng)實驗功能

本次模擬系統(tǒng)互動如下：

1）用戶輸入統(tǒng)一賬號登錄系統(tǒng)，可選擇角色。

2）通過“WSAD”實現(xiàn)鏡頭移動和角色移動。

3）通過控制鼠標實現(xiàn)場景視口的移動，通過鼠標滾輪實現(xiàn)視口的放大與縮小。

4）使用鼠標點擊相關滅火器或其他道具，可實現(xiàn)交互作用。

5）使用結束后，可觀看正確做法，系統(tǒng)判定分數(shù)。

3? 虛擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了完成高沉浸感、可靠真實度的虛擬訓練，代替真實火災訓練的人物，系統(tǒng)應能夠?qū)崿F(xiàn)模擬訓練功能。角色能夠以第一視角在任何場景中對火情的發(fā)生進行相關的操作，可以實際拿起消防栓、滅火器等相關器件，可以通過鼠標進行交互，可以實時觀察到火情變化。還原真實地形。在后期的研究中，可以讓VR視角下虛擬模型能夠清晰還原。確保在VR頭顯下有真實體驗，畫面清晰，食堂等環(huán)境內(nèi)部文字信息清晰，畫面可以跟隨頭部移動視角，觸感清晰并可以通過體感手套拿起虛擬模型進行操作，減少與真實事件的差異。目前系統(tǒng)分為以下四個模塊。

3.1? 界面登錄模塊

添加Blueprint節(jié)點創(chuàng)建UI界面。在UI界面中添加canvas panel（畫布節(jié)點），為其命名為登錄界面。拖入相關子節(jié)點輸入。添加判斷事件節(jié)點，判定是否將用戶名和密碼配對成功，配對成功會登錄成功。部分程序如圖5所示。

3.2 選項模塊

選項模塊的功能是用于系統(tǒng)中實驗之間的轉(zhuǎn)換，實驗內(nèi)容有十幾項，包括食堂煙道，食堂內(nèi)部，走廊，墻邊，宿舍各種火災情況的緊急處理預案。

進入Blueprint界面添加Uniform Grid Panel網(wǎng)格，修改成合適的尺寸。在網(wǎng)格中添加Button按鈕，并填充至整個網(wǎng)格，在按鈕上添加文字，完成一個選項的繪制。

3.3? 選擇角色模塊

角色有多種，校園模擬系統(tǒng)有教師、學生及工作人員，設定初始場景并不一致，會先從當前角色更適合的方向進行模擬，例如學生初始場景在教室走廊或宿舍，以最簡單的小火和滅火器的使用方法入手；如果是教師應為實驗室或辦公室；工作人員會從食堂等方面做初始場景[6]。設計布局做好三個按鈕，分別鏈接不同的實驗即可完成此模塊的設計。部分程序如圖6所示。

3.4? 實驗模塊

實驗模塊目前設計有24種，其中有3種分別是不同角色的初始場景，這些場景不可以相互替換，是通過不同角色得到的真實體驗，主要是為了相關用戶能夠首先體驗到最為熟悉的場景使用，其次有21種實驗依次遞進，一點一點增加難度，讓不同角色的人了解校園內(nèi)各個場景部分，并且有效傳導防火措施，如火災火勢過大，除了學生可以自覺疏散以外，還需要學生自覺撥打校消防及119火警報警電話。這些不同的實驗場景，都可以讓用戶先體驗一遍火情后，通過自己的選擇來了解自己的消防知識是否正確，結尾后的正確展示也會讓用戶加深火災防范意識和行為。

4? 結? 論

本文針對現(xiàn)有校園火災防范系統(tǒng)的不足，提出使用3DMax建模軟件和UE4引擎虛擬軟件制作了模擬校園火災系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以使用戶擁有真實體驗，針對不同選擇看到選擇后的結果，并通過結果知道自己在哪里的預備不足。如果發(fā)生火災不需要緊張，如火勢較小，應正確應對；如火勢過大，應用濕毛巾掩住口鼻，井然有序的離開火災點，去往安全的地方。本系統(tǒng)目前可以在PC端使用鼠標進行互動，后期可以通過接口接入頭盔等設備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術效果。

參考文獻：

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[3] 李浩銘，付戰(zhàn)平，王志樂，等.基于UE4引擎的虛擬訓練系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J].信息技術，2022（1）：84-89.

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[5] 熊琰.基于ZigBee的校園火災防范系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（12）：168-171+176.

[6] 薛瑩瑩，姚銘.UE4引擎的虛擬角色交互設計探析 [J].景德鎮(zhèn)學院學報，2021，36（6）：97-100.

作者簡介：宋雪（1994.02—），女，漢族，吉林白城人，助教，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。

收稿日期：2023-03-14