動力學(xué)仿真技術(shù)在消防員火災(zāi)場景模擬訓(xùn)練中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：針對“消防員典型災(zāi)害事故虛實(shí)融合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”中災(zāi)害場景設(shè)計(jì)所面臨的問題，運(yùn)用動力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行分析解決。通過與以往汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證動力學(xué)仿真技術(shù)對于此類火災(zāi)模擬的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，將該火災(zāi)模型與實(shí)際具體場景相結(jié)合，對火災(zāi)場景下的溫度、能見度及煙氣擴(kuò)散過程進(jìn)行仿真，并以數(shù)據(jù)、圖片、視頻等形式輸出仿真結(jié)果。通過仿真結(jié)果的融合處理，對內(nèi)設(shè)火災(zāi)場景進(jìn)行構(gòu)建和優(yōu)化，使得場景中的火災(zāi)發(fā)展過程更科學(xué)、真實(shí)。

關(guān)鍵詞：場景設(shè)計(jì)；虛實(shí)融合；模擬訓(xùn)練；動力學(xué)仿真；火災(zāi)模擬

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0035-03

在國外，虛實(shí)融合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于刑偵、交通、應(yīng)急管理、醫(yī)學(xué)救護(hù)等領(lǐng)域。在以美國、英國、瑞典等為代表的災(zāi)害事故較多的發(fā)達(dá)國家中，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于消防員實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練領(lǐng)域，并成為發(fā)達(dá)國家培訓(xùn)消防員的一種重要模式。進(jìn)入本世紀(jì)以來，我國開始大力發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，一些大型高科技企業(yè)也都制定了本企業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品的相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，也涌現(xiàn)出了一大批專門致力于發(fā)展VR的創(chuàng)業(yè)公司。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，應(yīng)急管理部天津消防研究所曾將數(shù)值模擬與VR場景相結(jié)合，成功構(gòu)建了一套用于面向大眾的火災(zāi)逃生體驗(yàn)系統(tǒng)[1]。本文旨在運(yùn)用該技術(shù)將火災(zāi)撲救、應(yīng)急救援、事故處理等內(nèi)容與VR虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)相結(jié)合，形成一套針對消防救援人員的“消防員典型災(zāi)害事故虛實(shí)融合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”。系統(tǒng)中對典型災(zāi)害事故場景的構(gòu)建與動力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行融合，從而不斷優(yōu)化系統(tǒng)中虛擬環(huán)境的真實(shí)度，使得場景中的火災(zāi)發(fā)展過程更科學(xué)、真實(shí)。

1 動力學(xué)仿真技術(shù)用于火災(zāi)場景構(gòu)建過程的必要性

1.1 場景制作過程面臨的問題

虛實(shí)融合技術(shù)是人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并與之交互的一種全新方式。該技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)環(huán)境呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。消防員典型災(zāi)害事故虛實(shí)融合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路如下：基于真實(shí)典型災(zāi)害事故案例，運(yùn)用Unity3D、三維數(shù)字化軟件構(gòu)建典型災(zāi)害事故場景的空間模型及相關(guān)設(shè)施道具，完成地下建筑火災(zāi)撲救訓(xùn)練場景等系列典型災(zāi)害事故場景和三維數(shù)字化仿真模型開發(fā)制作；按照消防救援處置流程，植入人機(jī)交互程序，完成消防員與訓(xùn)練場景的交互；針對交互過程開展系統(tǒng)性訓(xùn)練與考評。

可見場景設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于典型災(zāi)害事故案例特定災(zāi)害場景資料的細(xì)致翔實(shí)，而現(xiàn)實(shí)生活中，場景資料通常來源于新聞報(bào)道或監(jiān)控錄像，僅能獲取局部場景特定時(shí)間段的火災(zāi)影像資料，并且由于煙氣的影響，影像資料清晰度不佳，無法獲得具體的溫度、煙氣濃度、可見度等具體的數(shù)據(jù)信息。雖然有些數(shù)據(jù)可以通過特定實(shí)驗(yàn)測得，但現(xiàn)實(shí)生活中，建筑結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，火災(zāi)場景各不相同，實(shí)驗(yàn)也無法完全還原所有的火災(zāi)場景。

1.2 改進(jìn)措施

鑒于上節(jié)中提到的問題，綜合考慮，需引入動力學(xué)仿真技術(shù)來解決火災(zāi)場景設(shè)計(jì)參考資料不足的問題。具體措施如下：針對特定火災(zāi)實(shí)驗(yàn)（如汽車火災(zāi)），運(yùn)用動力學(xué)仿真技術(shù)設(shè)定火源，模擬計(jì)算火災(zāi)數(shù)據(jù)，將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證動力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性。將該火源與具體火災(zāi)場景（如地下車庫場景）相結(jié)合，進(jìn)行特定場景下的火災(zāi)模擬，得到火焰形態(tài)、煙氣蔓延過程、溫度、可見度、煙氣濃度等計(jì)算結(jié)果。隨后可參考精準(zhǔn)翔實(shí)的數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用Unity3D、三維數(shù)字化軟件構(gòu)造典型災(zāi)害事故場景[2-3]。

2 動力學(xué)仿真技術(shù)可靠性驗(yàn)證

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能的逐漸強(qiáng)大，越來越多的火災(zāi)場景可通過計(jì)算機(jī)動力學(xué)仿真完成。計(jì)算機(jī)模擬節(jié)約了大量的實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間成本，由于其安全、高效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算受到廣大消防科研人員的青睞?；馂?zāi)動力學(xué)模擬器（FDS）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與芬蘭VTT技術(shù)研究中心合作，專為火災(zāi)模擬開發(fā)的計(jì)算流體動力學(xué)軟件，它能夠?qū)肫渌?D建模軟件構(gòu)建的復(fù)雜幾何模型，網(wǎng)格劃分簡單，條件設(shè)置相對容易，運(yùn)算準(zhǔn)確迅速，是研究火災(zāi)動力學(xué)最可靠的軟件之一。

為驗(yàn)證FDS軟件對汽車火災(zāi)模擬的可靠性，針對汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模和計(jì)算。汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的基本工況如下：試驗(yàn)車輛車身長4591mm、寬1770mm、高1444mm，真皮座椅，內(nèi)飾完好，汽車車門、車窗均關(guān)閉，環(huán)境溫度28℃。試驗(yàn)時(shí)，大廳門窗均關(guān)閉，排煙系統(tǒng)未啟動。此次實(shí)驗(yàn)主要模擬電氣短路引發(fā)汽車著火的情況，起火點(diǎn)位于車輛前部駕駛員座椅附近。按照現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行建模，主要從汽車火災(zāi)火焰圖像和車輛熱釋放速率數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行對比。

2.1 火焰形狀的對比

圖1中，上圖為實(shí)驗(yàn)照片，下圖為FDS模擬結(jié)果，從圖中可見，其火焰形狀和火災(zāi)發(fā)展過程極其相似。汽車火災(zāi)可以通過FDS軟件的動力學(xué)仿真進(jìn)行展現(xiàn)，火焰效果及煙氣效果基本與試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

2.2 車輛熱釋放速率的對比

對實(shí)驗(yàn)開始后40min內(nèi)的火焰熱釋放速率進(jìn)行對比，分析表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，具體數(shù)據(jù)基本吻合。2200s后，由于汽車火焰較大，測得的熱釋放速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)值波動較大，因此，主要針對前2200s的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。這個(gè)區(qū)間內(nèi)，誤差基本保持在10%以內(nèi)，個(gè)別情況下誤差會超過20%，如2100s時(shí)。綜合考慮，可以判定模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)相差不大，計(jì)算結(jié)果能夠科學(xué)反映真實(shí)火災(zāi)的發(fā)展過程。

通過對比得出以下結(jié)論：無論是從火焰形狀發(fā)展、煙氣蔓延過程，還是熱釋放速率的對比，F(xiàn)DS軟件均能較好地展現(xiàn)汽車火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，再現(xiàn)汽車火災(zāi)的發(fā)展過程。

3 動力學(xué)仿真技術(shù)用于火災(zāi)場景構(gòu)建的案例

本節(jié)將火災(zāi)模擬與地下停車場的具體場景相結(jié)合，模擬地下二層停車場汽車火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延的情況[4-6]。

3.1 建筑場景建模

地下停車場平面為方形，南北長108m，東西長108m，停車場分為地下一層、地下二層，總停車位為240個(gè)。每層面積均為11664m2，層高均為3m。兩層平面結(jié)構(gòu)相同，以地下二層為例，該層停車場均分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)區(qū)域，每部分均有一個(gè)直通地下一層的車道。

3.2 參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分

地下二層I區(qū)的停車場內(nèi)某輛小汽車發(fā)生自燃著火，小汽車著火熱釋放速率為3～5MW，因此火源按照4.4MW進(jìn)行設(shè)置。該區(qū)域內(nèi)設(shè)置四個(gè)排煙口，面積為4m2，風(fēng)速為6m/s。送風(fēng)口三個(gè)，面積為15m2，風(fēng)速為1.5m/s?；馂?zāi)發(fā)生后，防火卷簾和機(jī)械排煙設(shè)施可有效啟用，計(jì)算區(qū)域?yàn)榈叵露又疖囕v所在的防火分區(qū)及其對應(yīng)的地上一層的區(qū)域和汽車出口區(qū)域。

在確保計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，為最大限度減少機(jī)器計(jì)算量，按照火場附近采用小網(wǎng)格、其他區(qū)域采用大網(wǎng)格規(guī)則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用火源特征直徑初步確定了網(wǎng)格尺寸。通常火源特征直徑與網(wǎng)格尺寸比值控制在4～16范圍內(nèi)[7]。參照式（1），計(jì)算得到火源特征直徑為1.67m，即網(wǎng)格基本尺寸在0.1～0.4m之間為宜。地下二層網(wǎng)格大小為0.2m×0.2m×0.2m，網(wǎng)格量為69萬個(gè)。地下一層及出口網(wǎng)格大小為0.4m×0.4m×0.4m，網(wǎng)格量為10萬個(gè)，總計(jì)79萬個(gè)。

3.3 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用動力學(xué)仿真分析，模擬地下車庫內(nèi)一起汽車自燃火災(zāi)的發(fā)展過程，火災(zāi)初始階段，火勢較小，伴隨的煙氣生成量相對較少，隨著火勢加劇，火焰的熱釋放速率越來越大，火焰體Jn60fkIM653LyYuTfvvGcA==積隨之增大，煙氣生成量逐漸變多。初始階段，生成的煙氣形成頂棚射流現(xiàn)象，在車庫頂端以著火點(diǎn)為中心均勻地在頂棚向四周蔓延。隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣擴(kuò)散范圍越來越大，當(dāng)遇到墻壁等障礙物時(shí)，煙氣會沿著墻壁向下擴(kuò)散，同時(shí)煙氣層厚度越來越厚，整個(gè)火災(zāi)發(fā)展過程見圖2。

圖2 FDS建模計(jì)算的火災(zāi)場景

通過對仿真計(jì)算數(shù)據(jù)及圖片（錄像）的分析，按照計(jì)算結(jié)果構(gòu)建了災(zāi)害場景的模型及繪制，在建模過程中，設(shè)定相應(yīng)的粒子參數(shù)，確保形成合乎實(shí)際的火災(zāi)發(fā)展及煙氣蔓延場景。該場景因其高度的逼真性和還原度，廣泛應(yīng)用于消防員的模擬演練系統(tǒng)中，極大地提高使用者的沉浸感。此外，除了火焰形態(tài)與煙氣蔓延過程等直觀場景外，動力學(xué)仿真技術(shù)還能計(jì)算并展示出可見度、一氧化碳濃度等實(shí)際環(huán)境中難以直接測量的數(shù)據(jù)，這些計(jì)算結(jié)果可為消防員模擬演練技戰(zhàn)術(shù)編寫、處置預(yù)案的制訂提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

FDS在模擬汽車火災(zāi)場景時(shí)展現(xiàn)出高度的準(zhǔn)確性和可靠性。將該火災(zāi)模型應(yīng)用于地下車庫的火災(zāi)場景中，能較好展現(xiàn)場景內(nèi)的溫度、可見度及煙氣擴(kuò)散軌跡，其輸出結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖片、視頻形式呈現(xiàn)，通過與場景構(gòu)建軟件的融合，能夠較好地輔助Unity3D場景的構(gòu)建，使場景中的火災(zāi)發(fā)展過程更真實(shí)，更符合流體動力學(xué)運(yùn)動規(guī)律，對場景優(yōu)化設(shè)計(jì)具有參考意義。

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