胡 同 ，萬(wàn) 遠(yuǎn) *，賀 彪 ，楊 彪

（1.自然資源部城市國(guó)土資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034；2.湖北師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 黃石 435002；3.深圳大學(xué)智慧城市研究院，廣東 深圳 518061）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已成為虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜化、大型化，大型的公共建筑如商場(chǎng)、綜合樓、科教中心等也在急劇增加。大型公共建筑人口密集，結(jié)構(gòu)多樣，功能復(fù)雜。在發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害（如地震、煤氣泄漏等）時(shí)，由于缺乏有效的疏散指導(dǎo)和恐慌性的心理疏導(dǎo)，疏散效果不佳。一方面，大型公共建筑通常有較大的內(nèi)部面積，其通道設(shè)置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，電力超載容易造成火災(zāi)；另一方面，大型建筑中的煙火源分布范圍廣，容易在電梯井、排氣管等產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的迅速發(fā)展和在火災(zāi)疏散通道建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，將GIS 與建筑空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以為應(yīng)急人員和規(guī)劃師提供足夠的室內(nèi)信息，為消防人員提供安全、可靠的消防疏散通道減少路由不確定性和促進(jìn)室內(nèi)災(zāi)害有效規(guī)劃的環(huán)境。

1 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

為實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景搭建、基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊等功能的集成，系統(tǒng)主要采取三層架構(gòu)模式包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)、存儲(chǔ)過(guò)程和觸發(fā)器等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和維護(hù)；服務(wù)層根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯需求，供應(yīng)用層調(diào)用，實(shí)現(xiàn)專題查詢后臺(tái)服務(wù)、統(tǒng)計(jì)分析后臺(tái)服務(wù)等；應(yīng)用層根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行功能模塊的劃分和界面設(shè)計(jì)，并在調(diào)用服務(wù)層服務(wù)的基礎(chǔ)上完成各項(xiàng)前端功能的開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)樓宇應(yīng)急實(shí)際現(xiàn)狀與需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1。

其中數(shù)據(jù)支持層集成了GIS 平臺(tái)，3D 渲染接口和各類外部聲音、硬件數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)；應(yīng)用層根據(jù)應(yīng)急實(shí)際場(chǎng)景開發(fā)相應(yīng)基礎(chǔ)模塊，本系統(tǒng)應(yīng)用與三維樓宇應(yīng)急疏散環(huán)境開發(fā)具有基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、系統(tǒng)拓展相關(guān)模塊。其中應(yīng)急疏散為本系統(tǒng)核心功能。

2 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

主要有如下模塊控制：基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與管理模塊、拓展接口模塊。相關(guān)關(guān)系如圖2。

圖3 系統(tǒng)登陸界面

系統(tǒng)主要分為四大功能模塊：基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、拓展接口模塊。其中基本功能模塊包括場(chǎng)景的漫游、優(yōu)化、測(cè)量、查詢等；應(yīng)急疏散模塊是該系統(tǒng)核心模塊，主要有火災(zāi)模擬、應(yīng)急疏散、實(shí)戰(zhàn)演練、應(yīng)急救援等功能；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊主要對(duì)疏散人員的人數(shù)、時(shí)間和速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；拓展接口模塊支持外部接口的接入，集成包括火警傳感器、空氣質(zhì)量傳感器（揚(yáng)塵、有害氣體、PM2.5 等）、溫度傳感器等、便攜室內(nèi)定位數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的集成與串聯(lián)，為以后的發(fā)展規(guī)劃預(yù)留接口，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的信息化管理提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.2 系統(tǒng)登陸界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具有統(tǒng)一的用戶登陸界面，對(duì)用戶身份進(jìn)行確認(rèn)，已分配對(duì)預(yù)案和訓(xùn)練的修改、查詢。如圖3，系統(tǒng)登陸界面。

3 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)功能模塊

3.1 基本功能模塊

3.1.1 三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景漫游

系統(tǒng)可以支持以第一人稱或第三人稱在場(chǎng)景中漫游，同時(shí)模擬行人正常的行走速度和上下樓速度可在三維場(chǎng)景中展示；同時(shí)可進(jìn)行典型建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等物體的三維動(dòng)態(tài)展示，并可在該場(chǎng)景中從多角度、多方式對(duì)其進(jìn)行觀察。

3.1.2 系統(tǒng)場(chǎng)景優(yōu)化

系統(tǒng)場(chǎng)景優(yōu)化功能包含豐富的天氣展示效果、陰影效果、天際效果，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光照、延遲光照、動(dòng)態(tài)軟陰影實(shí)現(xiàn)二次光照與反射等特效；通過(guò)時(shí)間滑塊可模擬動(dòng)態(tài)光影效果，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行24 小時(shí)實(shí)時(shí)光影變換與渲染，可帶給用戶身臨其境，增加體驗(yàn)感。

為應(yīng)對(duì)三維火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬，系統(tǒng)可模擬各種粒子效果，包括煙霧、火焰、風(fēng)向、音效等，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃疏散路徑，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)模擬演練。如圖4、圖5 在火災(zāi)模擬仿真中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火焰大小，風(fēng)向等，以引導(dǎo)疏散人群的疏散方向。

3.1.3 屬性查詢

通過(guò)關(guān)鍵詞搜索或者在場(chǎng)景中點(diǎn)擊相關(guān)對(duì)象，可查看其屬性信息，通過(guò)調(diào)用基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新與應(yīng)急預(yù)案實(shí)時(shí)推演。通過(guò)在系統(tǒng)場(chǎng)景內(nèi)點(diǎn)擊相關(guān)元素，可查詢其基本信息（消防栓ID 型號(hào)、生產(chǎn)廠家等）。

3.1.4 三維實(shí)景測(cè)量

系統(tǒng)支持場(chǎng)景內(nèi)拾取點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)算，同時(shí)可根據(jù)需要選擇面積測(cè)算等；在火災(zāi)仿真模擬過(guò)程中，疏散路徑的距離不同直接影響疏散效率和人員安全，實(shí)景測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)疏散路徑的最優(yōu)規(guī)劃。

圖4 光影變化1

圖5 光影變化2

3.2 應(yīng)急模擬模塊

3.2.1 火災(zāi)模擬功能

火災(zāi)模擬只能由主機(jī)觸發(fā)。所有在網(wǎng)內(nèi)的客戶端都會(huì)接收信息，開始火災(zāi)疏散演練。會(huì)觸發(fā)所有在網(wǎng)內(nèi)的客戶端的場(chǎng)景發(fā)生火災(zāi)，繪制標(biāo)示各種出入口，樓層疏散箭頭，以及報(bào)警聲，疏散集合點(diǎn)標(biāo)記等等。火災(zāi)效果會(huì)以粒子效果在場(chǎng)景中出現(xiàn)，并產(chǎn)生煙霧粒子。

3.2.2 應(yīng)急疏散功能

通過(guò)傳感器組網(wǎng)，監(jiān)測(cè)的火源信息反饋到應(yīng)急仿真系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器返回火災(zāi)信息做出疏散計(jì)劃決策，進(jìn)行人員疏散。同時(shí)根據(jù)火災(zāi)點(diǎn)的不同和起火原因的差異性，做出不同的應(yīng)急疏散計(jì)劃，對(duì)應(yīng)在不同的區(qū)域的人員會(huì)有不同的疏散路徑的顯示。系統(tǒng)可模擬人群疏散行為進(jìn)行模擬疏散，更真實(shí)的反映疏散實(shí)際情景。

3.2.3 實(shí)戰(zhàn)演練模擬

演練創(chuàng)建出一個(gè)具體的場(chǎng)景，受訓(xùn)者選擇不同的角色進(jìn)入訓(xùn)練，包括：群眾工作人員、119 接警人員、指揮、單兵等，不同的角色具有不同的視角和任務(wù)；用于超高層建筑火災(zāi)應(yīng)急救援演練，從而提高消防信息化管理水平和消防員滅火作戰(zhàn)能力，最大限度地減少火災(zāi)造成的損失。

在正對(duì)樓宇火災(zāi)應(yīng)急演練的同時(shí)，系統(tǒng)可針對(duì)實(shí)際情況，觸發(fā)應(yīng)急救援模塊，進(jìn)行火災(zāi)應(yīng)急事件處置；在判斷火情基本情況下，具體給出解決方案并進(jìn)行可視化模擬，并且直觀展示效果。在發(fā)生火災(zāi)情況下，系統(tǒng)給出關(guān)閉閥門及電閘，減少次生災(zāi)害的指示，系統(tǒng)可進(jìn)行AI 模擬，可選擇以第一人稱或第三人稱進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行。

3.2.4 應(yīng)急資源調(diào)配

在做出應(yīng)急指示后，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況推演出相關(guān)應(yīng)急資源的分布情況并進(jìn)行可視化展示，用戶不僅僅可以查詢相關(guān)資源屬性情況，還能對(duì)其發(fā)送指令進(jìn)行任務(wù)分派，對(duì)消防栓進(jìn)行滅火指令，同時(shí)還能控制出水量，出水方向以及用水量和存儲(chǔ)水量的統(tǒng)計(jì)。同時(shí)還能進(jìn)行火災(zāi)應(yīng)急車輛的調(diào)度和部署。系統(tǒng)可根據(jù)起火點(diǎn)的具體情況，分派最近的消防車輛進(jìn)行應(yīng)急救援，對(duì)相關(guān)的消防應(yīng)急車道進(jìn)行騰空處理有利于車輛快速通行。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與管理模塊

在聯(lián)機(jī)進(jìn)行演練時(shí)，會(huì)統(tǒng)計(jì)每個(gè)演練人員疏散到達(dá)集合點(diǎn)的時(shí)間。并在列表中顯示出來(lái)。會(huì)在局域網(wǎng)中，看到每個(gè)人的疏散時(shí)間。

3.4 系統(tǒng)拓展功能

基于三維建設(shè)規(guī)劃平臺(tái)，采用經(jīng)典系統(tǒng)三層架構(gòu)模式，數(shù)據(jù)可集成到未來(lái)的三維大數(shù)據(jù)平臺(tái)中，為后續(xù)智能建筑建設(shè)、應(yīng)急管理、公共安全等信息化項(xiàng)目建設(shè)所復(fù)用，以及為后續(xù)開發(fā)提供了二次開發(fā)。有望通過(guò)GPS/GNSS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員車輛進(jìn)行三角定位分析、人型軌跡分析等。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維樓宇應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)已成功在天津樓宇應(yīng)急等領(lǐng)域投入使用，有效防止了火災(zāi)等帶來(lái)的危害，為有效地開展城市災(zāi)害事件虛擬演練和應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證和決策支持，也可為提高應(yīng)急水平提供有益的參考。