吳鴻雁，吳 碩

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

近年來，高層建筑火災事故頻發(fā)，已造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。適時開展火災安全教育和主題活動，定期組織實地應急疏散演練是目前應對此類事故的主要手段。但受客觀條件的限制，教育活動存在覆蓋面有限、影響不深刻等缺點；而實地應急演練也因存在成本高，保障難度大，有一定安全風險等諸多不利因素而無法經(jīng)常性組織。因此，在高層建筑火災逃生訓練領域中急需引入新技術和新方法用于拓展教育訓練手段，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)實技術和計算機技術的發(fā)展，在虛擬環(huán)境中開展訓練以其成本低廉、過程安全、保障條件簡單和不易受場地及環(huán)境干擾，能充分保證訓練時間等優(yōu)點在各個領域中得到廣泛應用和普遍認同。研究人員正試圖通過模擬建筑火災場景、仿真建筑火災逃生和救援過程、開發(fā)火災逃生虛擬訓練系統(tǒng)等手段促進人們對建筑火災的認識，實現(xiàn)火災逃生和救援的虛擬訓練，并取得了一定成果［1－3］。

虛擬訓練的核心之一是建立與真實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)高層建筑火災逃生訓練需求構建和管理虛擬環(huán)境便成為必須研究和解決的問題。

1 高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境模型

1.1 需求分析

根據(jù)虛擬環(huán)境的三個基本特征［4］和高層建筑火災的特點，其逃生訓練對虛擬環(huán)境的要求可概括為對場景、火災過程和交互控制三個方面的虛擬仿真實現(xiàn)。1）場景虛擬仿真，是建筑結構、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。對場景的虛擬實現(xiàn)分為常規(guī)狀態(tài)和火災狀態(tài)，需要分別對兩種狀態(tài)下建筑的場景進行仿真。2）火災過程虛擬仿真，是一種動態(tài)的仿真，是火災發(fā)生后在無外界干擾時煙、火散布和發(fā)展的過程仿真，要求其能較為科學、準確的表現(xiàn)現(xiàn)實中火災發(fā)生、發(fā)展的過程，可以使用戶深刻認識火災的特點、加深對各種逃生方法的理解。3）交互控制虛擬仿真，是對外部操作的響應和反饋，是操作和控制虛擬環(huán)境的關鍵。要求虛擬對象能具有與實體對象一樣的交互響應和反饋能力，使用戶可通過操作外接設備達到實際訓練的效果。

1.2 框架結構

由需求分析可知，高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境模型包括場景模型、火災過程仿真模型和交互控制模型。場景模型是虛擬訓練場景的數(shù)據(jù)基礎，用于實時表示場景狀態(tài)及變化的視覺、聽覺信息，是虛擬環(huán)境的表示層。場景模型主要由三維模型和粒子系統(tǒng)模型構成，三維模型包括建筑結構、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?；馂倪^程仿真模型是虛擬環(huán)境的功能層，是利用數(shù)值模擬火災發(fā)生、發(fā)展和撲滅等過程的仿真模型，主要包括煙霧擴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，并引起場景模型、火災過程模型的響應和反饋，是虛擬環(huán)境的應用層，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逃生訓練所需的數(shù)據(jù)信息集合。它們通過信息交流建立關聯(lián)關系，構成一個有機的整體，其結構關系如圖1所示。

2 建模的基本思路

圖1 高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境框架結構

構建與實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，但受到相關技術發(fā)展和軟、硬件條件的限制，目前根本無法實現(xiàn)。支持高層建筑火災逃生訓練的虛擬環(huán)境模型是一個復雜系統(tǒng)，包含龐大的數(shù)據(jù)信息、復雜的邏輯關系和繁瑣的信息處理過程，特別是火災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)知識作為支撐。為簡化建模過程，減小模型數(shù)據(jù)量，降低建模難度，本文擬利用面向訓練任務的建模思路，采用層次化建模方法構建虛擬環(huán)境模型。面向訓練任務的建模是指以訓練任務描述文件為藍本，在模型的功能和表現(xiàn)力等方面有選擇性地進行剪裁、弱化和強調(diào)，以突出相關知識和技能，刪減與任務無關數(shù)據(jù)信息為目的。層次化建模是對復雜系統(tǒng)的組成單元進行分層分類，是解決復雜系統(tǒng)建模的基本方法。

3 關鍵技術與實現(xiàn)方法

3.1 場景模型

場景模型是虛擬環(huán)境的基礎，包括一般場景和火災場景兩類模型。其中，火災場景是在一般場景的基礎上加入粒子系統(tǒng)以表現(xiàn)濃煙、火焰、噴水、噴干粉等特殊效果。從技術層面講，場景模型是一種虛擬樣機模型，是實體對象在計算機中的映射，其映射內(nèi)容和精細程度與應用密切相關。依據(jù)面向任務的建模思路，虛擬樣機建模包括幾何建模、物理建模、行為建模和交互特征建模四個步驟［5］。

由于高層建筑結構和裝修復雜，內(nèi)部設備設施眾多，建筑外部環(huán)境復雜多樣，屬于復雜系統(tǒng)。因此，在場景建模時首先應對待建模型進行層次劃分，形成場景模型結構樹，如圖1所示。然后，根據(jù)模型在訓練任務中的作用規(guī)劃其建模過程，如表1所示。最后依據(jù)規(guī)劃結果完成建模的全過程。

表1 場景模型建模過程規(guī)劃

3.1.1 幾何建模

虛擬場景的幾何模型是現(xiàn)實環(huán)境的外觀映射，包括幾何形狀、材質(zhì)和結構關系。幾何模型應能滿足實體對象在虛擬環(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)的對象。幾何模型還應能表現(xiàn)常態(tài)或火災狀態(tài)下的實體對象的外觀表現(xiàn)。虛擬場景與現(xiàn)實環(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)的運行成本，需要根據(jù)具體應用調(diào)整描述精度，找到“沉浸感”與“成本”的平衡點。常用的方法是進行結構簡化和多粒度劃分。結構簡化是面向訓練過程的工程簡化，通過約減不可見部件、減少模型面片數(shù)量等方法達到減少數(shù)據(jù)量的目的，如垂直電梯的結構可約減為電梯門、轎廂、控制面板等幾組可見部件。多粒度劃分是根據(jù)幾何模型對訓練的重要程度以及與用戶的交互程度來劃分其細節(jié)表現(xiàn)粒度。本文將其分為三個粒度層次：1）大粒度的環(huán)境模型，主要為增強虛擬環(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，但無需對其結構和工作原理進行深入認識，如門、電梯等；3）小粒度的精細模型，學習和訓練的重要對象，需全面了解其性能、結構和用途，交互過程復雜，如：滅火器、逃生工具等。

3.1.2 物理模型

虛擬場景的物理模型是對火災場中虛擬樣機狀態(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)化描述進行簡化。如可將窗簾的物理模型簡化為下列的形式化描述過程：

＝｛OPC，OPB，OPS，｝ ，其中為窗簾在火災發(fā)生T時刻的物理模型。OPC為窗簾的輸出狀態(tài)集，可將其設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發(fā)生時間的比值，即：

窗簾的狀態(tài)變化設計為燃燒剩余高度H的線性變化，可表示為：

火焰的位置設置在窗簾的底邊，隨H向上運動，OPB＝｛0，opb1｝ ；發(fā)煙的位置設置在窗簾上部，隨燃燒時間向周圍散布，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

虛擬樣機的行為模型包括：屬性行為和操作行為，并分別對應交互特征模型的響應式交互模型和操作式交互模型?；馂奶由柧毺摂M環(huán)境中虛擬對象的行為主要是操作行為，且較為簡單，主要有門、窗的開關行為，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。相應的交互特征模型也很簡單，主要包括對門、窗、滅火器、電梯等外部交互動作的信息響應和反饋，和粒子系統(tǒng)對虛擬環(huán)境狀態(tài)變化的響應。

3.2 火災過程仿真模型

火災發(fā)展過程非常復雜，難以預測，因此，在一些火災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)值仿真功能進行底層運算，并利用數(shù)值仿真結果控制粒子系統(tǒng)各屬性變化的方法進行火災過程仿真［3］。顯然，使用該方法建立的火災過程仿真模型具有仿真程度高、可靠性好、專業(yè)性強等優(yōu)點。但也存在明顯的不足，如對開發(fā)人員的知識水平及專業(yè)技能的依賴程度過高；專業(yè)火災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練環(huán)境中，仿真只能在這些軟件本身的程序環(huán)境下運行等。

火災逃生訓練的首要任務是使受訓者掌握逃生的方法和技巧，其更關注于人在受到火災威脅時的行為及反應，可以少考慮或不考慮火災的發(fā)展過程。本文在高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境中引入火災過程仿真模型的動機是為了增加虛擬環(huán)境的沉靜感，給受訓者提供一個更加逼真的訓練環(huán)境；同時，也是為尋找新方法進行火災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)化的火災過程仿真建模方法，該方法的思路是回避專業(yè)的火災數(shù)值仿真軟件，用人為干預的方式替代數(shù)值仿真。方法可表述為：在數(shù)值仿真過程中設置若干節(jié)點，提取節(jié)點參數(shù)信息，作為仿真的初始變量和終止變量，然后進行線性處理，最終以簡單的參數(shù)線性變化替代過程復雜的數(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、聽覺的形式進行反饋，是用戶在虛擬環(huán)境中操作各種虛擬對象、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備。綜合考慮開發(fā)成本、發(fā)布途徑和效率，及虛擬現(xiàn)實技術現(xiàn)狀，本文選擇開發(fā)以鼠標、鍵盤為外接輸入設備的桌面式虛擬訓練環(huán)境。

基于鼠標、鍵盤的交互控制模型主要包括：視景漫游控制模型、虛擬對象提取模型、操作模型和信息處理模型。前三種模型的實現(xiàn)途徑是通過在虛擬環(huán)境中預設鼠標和鍵盤的輸入響應，將設備輸入信號轉換為交互信息，觸發(fā)虛擬對象的行為或狀態(tài)變化。而信息處理模型則用于對交互信息的后臺處理，包括：判斷、記錄和評價等。

4 實例應用

本文以某高校辦公樓的火災逃生虛擬訓練為例，對研究內(nèi)容進行驗證。首先對訓練任務進行描述，形成任務描述文件。在此基礎上，采用面向訓練任務的方法，進行任務規(guī)劃、模型層次劃分等工作。而后，綜合利用實體建模軟件CAXA和仿真建模軟件Creator的優(yōu)點，聯(lián)合構建了該辦公樓多粒度的虛擬建筑場景的幾何模型，達到快速、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，利用其優(yōu)良的兼容性和強大的粒子系統(tǒng)功能，對虛擬建筑場景的幾何模型進行優(yōu)化處理，并構建了各種粒子系統(tǒng)模型用于表現(xiàn)火焰、濃霧、噴水等特效場景。為增加沉浸感在虛擬環(huán)境中加入音響特效。綜合運用Virtools軟件的行為模塊、腳本語言和開發(fā)工具構建了虛擬場景的物理模型、行為模型、交互特征模型和火災過程仿真模型；在腳本程序中對鼠標、鍵盤的操作進行了定義，構建了交互控制模型。

通過以上工作，完成了對某高校辦公樓的火災逃生虛擬訓練虛擬環(huán)境的基本構建，經(jīng)實踐驗證，能基本滿足虛擬訓練系統(tǒng)的需求，支持完成高層建筑火災發(fā)展、逃生、自救等相關知識的表達。在虛擬環(huán)境中添加虛擬人后，能完成基本的逃生訓練，且效果良好。

5 結束語

本文主要研究了構建支持高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境的建模思路和方法，提出該虛擬環(huán)境的層次結構關系，對虛擬環(huán)境模型的關鍵技術和實現(xiàn)方法開展了討論和研究。通過實例驗證所提出的建模方法行之有效，能基本解決高層建筑火災逃生訓練虛擬環(huán)境建模的問題，為開發(fā)相關虛擬訓練系統(tǒng)和開展建筑火災逃生研究提供了新思路和技術支持。

［1］許鎮(zhèn)，唐方勤，等.計算機技術在建筑火災安全上的綜合應用［J］.災害學，201025（增刊）：309－313.

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［4］程成.虛擬壞境人機交互技術研究 ［D］.北京：中國科學院軟件研究所，2002.

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