劉勇

摘要：當(dāng)前三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)已廣泛在消防工作中使用，相較于通過PPT的匯報展示，三維模擬能夠給人們更清晰的認(rèn)識和更直觀的感受。消防隊(duì)伍內(nèi)部和社會面單位一直在不斷努力與嘗試，使三維和虛擬技術(shù)更好地服務(wù)于消防滅火救援工作。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字預(yù)案;數(shù)字化;三維模型;虛幻引擎

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0041-03

2020年初，上海市消防總隊(duì)黃浦消防支隊(duì)黨委提出希望可以通過三維效果輔助戰(zhàn)評，利用桌面推演中的力量部署和建筑結(jié)構(gòu)，支隊(duì)?wèi)?zhàn)訓(xùn)處領(lǐng)受任務(wù)，并嘗試完成數(shù)起災(zāi)害處置現(xiàn)場的簡單模擬。2020年下半年支隊(duì)黨委決定，嘗試打造一支可以獨(dú)立完成三維數(shù)字預(yù)案制定的工作小組，用于服務(wù)支隊(duì)滅火救援戰(zhàn)評、消防安保工和日常桌面推演工作。2021年支隊(duì)黨委決定由工作小組獨(dú)立完成轄區(qū)內(nèi)及周邊環(huán)境的數(shù)字預(yù)案制定。

1? 數(shù)字化三維預(yù)案概述

1.1? 什么是“數(shù)字化”

數(shù)字化，就是將“現(xiàn)實(shí)世界”轉(zhuǎn)化為“數(shù)字世界”，通俗點(diǎn)理解就是把我們?nèi)粘Ｉ钪兴婕暗娜?、物以及行為轉(zhuǎn)化為“數(shù)字世界”里的數(shù)據(jù)，然后在“數(shù)字世界”里去完成原本在“現(xiàn)實(shí)世界”的事情。

1.2? 什么是“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”

“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”即通過深入挖掘“數(shù)據(jù)價值”解決現(xiàn)實(shí)中難以解決的問題。脫離現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)本身沒有價值，但通過模擬現(xiàn)實(shí)中存在的數(shù)字關(guān)系，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)的交互。

1.3? 什么是數(shù)字化三維預(yù)案

數(shù)字化三維預(yù)案是“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”在消防預(yù)案中的應(yīng)用。首先，“數(shù)字化”深入不僅僅是停留在展示端的“數(shù)據(jù)可視化”，應(yīng)該是達(dá)到數(shù)字化的內(nèi)容更接近現(xiàn)實(shí);其次，通過網(wǎng)絡(luò)資源共享和數(shù)據(jù)交互，在虛擬世界構(gòu)建完整的交互系統(tǒng);最后，智能決策化，通過前面的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，系統(tǒng)掌控著數(shù)字世界的一切，實(shí)時進(jìn)行分析、傳遞和決策。

2? 預(yù)案的分類和發(fā)展趨勢

2.1? 文本預(yù)案

以一級、二級、三級和四級預(yù)案為代表的文本預(yù)案，這類預(yù)案內(nèi)容詳實(shí)、信息充足，涵蓋目標(biāo)單位基本信息、處置力量、處置對策和參考依據(jù)。

2.2? 信息卡

以五級預(yù)案為代表的作戰(zhàn)信息卡，通常內(nèi)容精煉、制作周期短、覆蓋單位多，可裝訂在冊放入消防車內(nèi)，便于及時翻閱。優(yōu)秀的作戰(zhàn)信息卡應(yīng)簡潔而直觀，用一張圖就能清晰反饋消防車指揮員所需的必要信息。五級預(yù)案衍生出的卡片式預(yù)案更加精煉，適用性更廣。

2.3? 三維數(shù)字預(yù)案

更有體驗(yàn)感和科技感的三維數(shù)字預(yù)案，可以分層級展示建筑內(nèi)部構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)感極強(qiáng)的第一視角漫游，模擬災(zāi)情發(fā)展，進(jìn)行沙盤推演和預(yù)案力量的預(yù)部署。放入支隊(duì)指揮中心可大效率輔助滅火救援的處置決策，戰(zhàn)評中可更直觀地還原現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)，可在安保前輔助力量部署和分配，亦可在火災(zāi)調(diào)查工作中輔助工作匯報。從使用者的角度來說，三維預(yù)案有著更好的高效輔助性、多功能性和體驗(yàn)感，但同時其對制作員的要求很高、制作周期要更長[1]。

3? 制作三維數(shù)字預(yù)案的環(huán)境和準(zhǔn)備工作

3.1? 各級領(lǐng)導(dǎo)的肯定是制作預(yù)案的前提

消防三維數(shù)字預(yù)案不是必須存在的，本質(zhì)上是用于服務(wù)滅火救援工作的工具，各級領(lǐng)導(dǎo)對于三維預(yù)案的認(rèn)可度，決定了三維預(yù)案的發(fā)展方向和服務(wù)能力。無論是依托社會專業(yè)力量，還是自己建隊(duì)掌握制作主動權(quán)，都必須在各級領(lǐng)導(dǎo)的支持和肯定下，才有存在和發(fā)展的可能。

3.2? 獲取人才是制作預(yù)案的第一步

要想真正發(fā)揮消防三維預(yù)案的作用，必須要有消防人員掌握預(yù)案的使用或制作。三維預(yù)案本質(zhì)上是對現(xiàn)有軟件的使用，人才隊(duì)伍建設(shè)是第一步。消防支隊(duì)自己制作三維預(yù)案，需要做好建模和制作人才的培養(yǎng)和儲備工作。一般通過兩個途徑進(jìn)行：一是招募有制作能力的新消防員;二是自己培訓(xùn)制作員。必須尊重參訓(xùn)人員的意愿，參訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)能力要好，學(xué)成后需要保障其工作生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)實(shí)需求。學(xué)習(xí)的過程是沒辦法強(qiáng)制的，必須有內(nèi)驅(qū)力。

3.3? 硬件設(shè)備是制作預(yù)案的必備條件

制作三維數(shù)字預(yù)案對電腦要求較高，UE4最低需求處理器不低于I7、固態(tài)硬盤不低于256G、內(nèi)存不小于8G、獨(dú)顯不低于6G，如果是筆記本電腦，要求更高。

3.4? 相對集中的時間和較少的干擾是學(xué)習(xí)和制作的基本要求

如果是參加線上網(wǎng)課教育，每天4h授課時間。消化和鞏固當(dāng)日知識點(diǎn)另需兩倍以上時間，即不低于8h。培訓(xùn)周期一般不低于4個月（至少要學(xué)習(xí)CAD、3Dmax和UE4三個軟件，而且參訓(xùn)人員均為零基礎(chǔ)）。制作過程中，考慮制作員為初學(xué)者，工作效率不高。UE4藍(lán)圖部分的制作、技能掌握不熟練的制作員從構(gòu)思開始到一個新藍(lán)圖的完成，至少需要2h以上，這也是程序員為什么喜歡深夜加班到凌晨的原因，絕對的安靜下思路比較清晰，效率相對較高[2]。

4? 三維數(shù)字預(yù)案制作步驟和工具選擇

當(dāng)前可用作三維模型的制作和展示的軟件很多，在支隊(duì)的專項(xiàng)培養(yǎng)下，結(jié)合前期制作經(jīng)驗(yàn)，對預(yù)案制作步驟和工具選擇建議如下：

4.1? 第一階段，即平面制圖階段

選擇“建筑使用管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（常用名稱CAD）?，F(xiàn)實(shí)工作中我們會遇到多種情況。一是單位提供CAD。單位提供的CAD圖紙很復(fù)雜，涵蓋的信息非常多，需要制作員簡化圖紙內(nèi)容，同時分離出樓梯圖紙備用。二是有些單位只提供PDF版本的圖紙，需要轉(zhuǎn)換成CAD來使用。三是有些單位無法提供任何圖紙，需要制作員現(xiàn)場采集信息，并手繪圖紙。筆者使用的是激光測距儀。消防三維預(yù)案對建筑尺寸數(shù)值要求精度不高，無論是修圖獲取CAD還是手繪后自己畫CAD，都可以根據(jù)制作情況，做適當(dāng)修改和簡化，方便后期三維模型的制作。

4.2? 三維模型制作階段

社會上現(xiàn)有的三維模型制作軟件非常多。筆者選擇的是3Dmax和草圖大師（shetchup）。3DStudio Max，簡稱為3DMax或3DSMax。3DMax是目前市面上主流的三維設(shè)計(jì)軟件，軟件功能強(qiáng)大，掌握起來需要一定時間，建模和渲染效果非常好。軟件特點(diǎn)：（1）基于PC系統(tǒng)的低配置要求;（2）安裝插件后可實(shí)現(xiàn)很多強(qiáng)大功能，如一鍵制作樓梯、屋頂、開門、開窗;（3）強(qiáng)大的角色Character動畫制作能力;（4）可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動畫、多媒體制作、游戲、以及工程可視化等領(lǐng)域。

草圖大師簡單易用，建模效率高，適用于建筑、景觀的方案草圖三維設(shè)計(jì)，對于計(jì)算機(jī)制圖基礎(chǔ)不是很高的人也可以較快入門。草圖大師的優(yōu)點(diǎn)：（1）環(huán)境模擬，可以快速創(chuàng)建三維建筑環(huán)境模型;（2）空間分析，建模后，在虛擬場景中可以從任意角度瀏覽建筑外觀、內(nèi)部空間以及建筑細(xì)部，分析各種空間節(jié)點(diǎn);（3）形體構(gòu)思，建模操作簡單直接，易于修改;（4）可以在粗略的作圖以及精準(zhǔn)的確定尺寸兩種工作方式之間隨時切換。

4.3? 人機(jī)互動階段

制作出的模型，必須在有一個運(yùn)行的環(huán)境，可以完成展示、漫游、災(zāi)情設(shè)定、力量部署等任務(wù)。筆者選擇了入門較為簡單的UE4，即虛幻引擎（Unreal Engine）第四個版本。

虛幻引擎4從注冊和使用是免費(fèi)的。其可以完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的人機(jī)互動（消防數(shù)字三維沙盤或預(yù)案），錄制視頻（火災(zāi)現(xiàn)場還原）。支持Linux、Windows系統(tǒng)的PC，任天堂Switch，以及IOS和Android移動設(shè)備以及VR設(shè)備。

5? 消防三維數(shù)字預(yù)案制作和功能簡介

數(shù)字預(yù)案在制作前應(yīng)需準(zhǔn)備好材料，如單位信息、消防力量部署、預(yù)案所需三維模型和制作預(yù)案所需的圖片元素。并將準(zhǔn)備好的元素分類放入UE4中。創(chuàng)建UE4項(xiàng)目后至少要分以下幾個文件夾Blueprint（藍(lán)圖）、UI（控件藍(lán)圖）、Maps（關(guān)卡）、Particles（粒子特效）、Shapes

（建議根據(jù)建筑數(shù)目準(zhǔn)備不同后綴的文件夾）、Textures

（貼圖）、Materials（材質(zhì)）、vehicle（用于存放消防車輛和其他車輛）和Firemen（消防員人物動畫和骨架）。

5.1? 登陸界面

消防三維預(yù)案通常需要至少2張關(guān)卡。第一張關(guān)卡，用來制作封面，封面可以添加視頻、動畫或者圖片。其主要功能是在封面設(shè)置一個登陸界面，如果想要看具體內(nèi)容需要輸入密碼進(jìn)入第二張關(guān)卡，才能使用消防預(yù)案。制作主要內(nèi)容為登陸主界面，內(nèi)含一個文本輸入框，一個按鈕鍵和封面圖。藍(lán)圖內(nèi)容為：按下按鈕后，如輸入文本框的內(nèi)容和設(shè)定的密碼相等時，判斷為真，進(jìn)入下一個指定關(guān)卡。

5.2? 世界場景的設(shè)置

第二個關(guān)卡即消防數(shù)字預(yù)案主要內(nèi)容，需提前做好設(shè)置。先創(chuàng)建項(xiàng)目模式、項(xiàng)目玩家、項(xiàng)目HUD、項(xiàng)目控制器，因預(yù)案需要漫游體驗(yàn)另需要設(shè)項(xiàng)目漫游玩家，將以上內(nèi)容替代原關(guān)卡對應(yīng)內(nèi)容。第二張關(guān)卡里需要添加光照、天空球、TargetPoint（漫游玩家出生位置）和項(xiàng)目玩家（作用為預(yù)案沙盤視角玩家）。

5.3? UI主界面的內(nèi)容

當(dāng)事件開始時，關(guān)卡添加主界面，并將所有的樓層歸類，由玩家輸入控制器決定顯示那一層。主界面內(nèi)放入需要添加的其他UI，如樓層控制、菜單、子菜單、基本信息、單位平面圖、作戰(zhàn)部署等需要在數(shù)字預(yù)案展示的信息界面或操作按鈕顯示框。主界面上加入UI指北針，可根據(jù)角色的移動作方向參考。

5.4? 單位介紹模塊

單位介紹模塊包含單位的基本信息、建筑特點(diǎn)、周邊毗鄰、道路交通等三、四級預(yù)案應(yīng)有內(nèi)容，也可根據(jù)需要添加其他內(nèi)容。每個內(nèi)容放入獨(dú)立的UI控件藍(lán)圖中，通過菜單、子菜單內(nèi)部藍(lán)圖邏輯調(diào)取內(nèi)容。

5.5? 建筑消防模塊

主要展示建筑內(nèi)部墻式消火栓、防火卷簾門、噴淋、擋煙垂壁等固定消防設(shè)施和消防監(jiān)控室。噴淋、防火卷簾設(shè)置為無碰撞，在選擇相應(yīng)按鈕后顯示，通常情況隱藏，減少預(yù)案表面信息量，避免冗雜。噴淋在按下按鈕后，可添加操作UI控件，進(jìn)行固定消防設(shè)施的模擬。相對主體建筑不明顯的情況下，需通過材質(zhì)讓其閃爍提示。

5.6? 供水模塊

本模塊主要展示單位室外消火栓、市政消火栓、天然取水點(diǎn)和水泵接合器位置。每個模型上添加UI控件，用來標(biāo)志編號和添加箭頭（用箭頭來引導(dǎo)項(xiàng)目玩家視角位置和方向），便于消防力量部署。

5.7? 疏散模塊

主要展示單位的出入口、樓梯、電梯和電扶梯。同樣出入口應(yīng)添加相應(yīng)UI控件，功能同上。此時建筑模型應(yīng)設(shè)置為半透明。兩種途徑：一是當(dāng)選擇本模塊后建筑材質(zhì)更換為半透明，但越是復(fù)雜的建筑，工作強(qiáng)度越大;二是制作另一份模型，將模型設(shè)置為半透明，當(dāng)選擇本模塊后，建筑和周邊隱藏，僅顯示透明的模型。

5.8? 災(zāi)情模擬模塊

火情模擬部分覆蓋火災(zāi)初期、發(fā)展、猛烈、衰減階段和不同階段煙霧的模擬。車輛模擬覆蓋城市常見車輛的模型。車輛模型加上火情模擬，可模擬車輛火災(zāi);建筑加上火情模擬可模擬建筑火災(zāi)。被困人員模塊添加UI控件，可以拉近視角。另有恐怖襲擊模塊，包含可倒計(jì)時的觸發(fā)爆炸物和毒氣模擬。

5.9? 漫游模塊

進(jìn)入漫游模塊，項(xiàng)目會創(chuàng)建漫游角色，電腦從操控項(xiàng)目玩家更改為漫游玩家。通過漫游玩家的第一視角，可以模擬災(zāi)情處置消防員處置過程，如果配合VR設(shè)備，可以帶來沉浸式體驗(yàn)。漫游模塊中的戰(zhàn)斗員視角，可以操作水槍滅火。射水姿勢分站姿和蹲姿滅火。消防員漫游需要獲取消防員Mesh（UE4商城可購買）和下載可匹配的動畫。

5.10? 滅火救援模塊

模塊第一項(xiàng)內(nèi)容為該單位滅火救援處置預(yù)案，模塊第二項(xiàng)內(nèi)容為消防力量部署圖。都可通過UI控件添加到UL主界面，根據(jù)子菜單的判斷顯示或隱藏。第三項(xiàng)內(nèi)容為支隊(duì)各消防站執(zhí)勤備戰(zhàn)消防車力量和應(yīng)援消防車輛（含摩托車和排煙車）。第四項(xiàng)為各站消防員模擬。車輛和消防員模型設(shè)置唯一性，當(dāng)再次點(diǎn)擊后可收回模型，提高沙盤推演容錯性。第四項(xiàng)消防裝備，包含常見消防器材。第五項(xiàng)集結(jié)區(qū)域。第六項(xiàng)其他力量，包含單位工作人員、微站人員等。第七項(xiàng)路徑，可模擬水帶路線或進(jìn)攻撤退路線。

5.11? 聯(lián)勤聯(lián)動模塊

模塊包含公安、特警、交警、醫(yī)療、環(huán)衛(wèi)和工程搶修，預(yù)留其他選項(xiàng)備用以后添加其他聯(lián)勤聯(lián)動力量。

5.12? 其他模塊

虛擬現(xiàn)實(shí)功能的強(qiáng)大，可以真正做到虛擬現(xiàn)實(shí)，如制定一段完整的滅火救援演示?？梢酝ㄟ^“delay”命令，也可以通過“碰撞”觸發(fā)，也可以通過UI控件控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳馳，任愛珠，張新.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的建筑火災(zāi)模擬系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2007（01）：55-60.

[2]曾鈞生.消防滅火救援及搶險救援實(shí)用手冊[M].北京：中國知識出版社，2012.