高层建筑火灾逃生训练研究

１框架结构

由需求分析可知，高层建筑火灾逃生训练虚拟环境模型包括场景模型、火灾过程仿真模型和交互控制模型。场景模型是虚拟训练场景的数据基础，用于实时表示场景状态及变化的视觉、听觉信息，是虚拟环境的表示层。场景模型主要由三维模型和粒子系统模型构成，三维模型包括建筑结构、室内装修和灭火工具等，粒子系统模型包括火焰、浓烟等。

火灾过程仿真模型是虚拟环境的功能层，是利用数值模拟火灾发生、发展和扑灭等过程的仿真模型，主要包括烟雾扩散模型和温度辐射模型。交互控制模型用于处理外部操作信息，并引起场景模型、火灾过程模型的响应和反馈，是虚拟环境的应用层，包括漫游、提取、操作和信息处理。三种模型虽然概念和功能各不相同，但各模型均为描述高层建筑火灾逃生训练所需的数据信息集合。它们通过信息交流建立关联关系，构成一个有机的整体，其结构关系如图１所示。

２建模的基本思路构建

与实际情况完全一致的虚拟环境始终是研究人员追求的目标，但受到相关技术发展和软、硬件条件的限制，目前根本无法实现。支持高层建筑火灾逃生训练的虚拟环境模型是一个复杂系统，包含庞大的数据信息、复杂的逻辑关系和繁琐的信息处理过程，特别是火灾过程仿真建模更是需要专业软件和开发人员具备专业知识作为支撑。为简化建模过程，减小模型数据量，降低建模难度，本文拟利用面向训练任务的建模思路，采用层次化建模方法构建虚拟环境模型。面向训练任务的建模是指以训练任务描述文件为蓝本，在模型的功能和表现力等方面有选择性地进行剪裁、弱化和强调，以突出相关知识和技能，删减与任务无关数据信息为目的。层次化建模是对复杂系统的组成单元进行分层分类，是解决复杂系统建模的基本方法。

３关键技术与实现方法

３．１场景模型

场景模型是虚拟环境的基础，包括一般场景和火灾场景两类模型。其中，火灾场景是在一般场景的基础上加入粒子系统以表现浓烟、火焰、喷水、喷干粉等特殊效果。从技术层面讲，场景模型是一种虚拟样机模型，是实体对象在计算机中的映射，其映射内容和精细程度与应用密切相关。依据面向任务的建模思路，虚拟样机建模包括几何建模、物理建模、行为建模和交互特征建模四个步骤［５］。

由于高层建筑结构和装修复杂，内部设备设施众多，建筑外部环境复杂多样，属于复杂系统。因此，在场景建模时首先应对待建模型进行层次划分，形成场景模型结构树，如图１所示。然后，根据模型在训练任务中的作用规划其建模过程，如表１所示。最后依据规划结果完成建模的全过程。

３．１．１几何建模虚拟场景的几何模型是现实环境的外观映射，包括几何形状、材质和结构关系。几何模型应能满足实体对象在虚拟环境中的视觉显示，并能作为演示、操作和提取等仿真作业的对象。几何模型还应能表现常态或火灾状态下的实体对象的外观表现。虚拟场景与现实环境的几何相似度将直接影响用户的沉浸感、仿真的开发效率及系统的运行成本，需要根据具体应用调整描述精度，找到“沉浸感”与“成本”的平衡点。常用的方法是进行结构简化和多粒度划分。

结构简化是面向训练过程的工程简化，通过约减不可见部件、减少模型面片数量等方法达到减少数据量的目的，如垂直电梯的结构可约减为电梯门、轿厢、控制面板等几组可见部件。多粒度划分是根据几何模型对训练的重要程度以及与用户的交互程度来划分其细节表现粒度。本文将其分为三个粒度层次：１）大粒度的环境模型，主要为增强虚拟环境的逼真性或作为背景而存在，不参与任何交互控制，如天空、墙壁等；２）中粒度的外形特征模型，参与交互控制，但无需对其结构和工作原理进行深入认识，如门、电梯等；３）小粒度的精细模型，学习和训练的重要对象，需全面了解其性能、结构和用途，交互过程复杂，如：、逃生工具等。

３．１．２物理模型虚拟场景的物理模型是对火灾场中虚拟样机状态变化的描述，包括温升、燃烧、熄灭等，是数值仿真模型，可通过参数化描述进行简化。

３．１．３行为模型与交互特征模型虚拟样机的行为模型包括：属性行为和操作行为，并分别对应交互特征模型的响应式交互模型和操作式交互模型。火灾逃生训练虚拟环境中虚拟对象的行为主要是操作行为，且较为简单，主要有门、窗的开关行为，的操作行为。而属性行为仅包括粒子系统的发生、发展和消失行为。相应的交互特征模型也很简单，主要包括对门、窗、、电梯等外部交互动作的信息响应和反馈，和粒子系统对虚拟环境状态变化的响应。

３．２火灾过程仿真模型

火灾发展过程非常复杂，难以预测，因此，在一些火灾仿真和人员疏散模拟的研究中，回避了该问题，而另外一些则利用ＦＲＶ系统的数值仿真功能进行底层运算，并利用数值仿真结果控制粒子系统各属性变化的方法进行火灾过程仿真［３］。显然，使用该方法建立的火灾过程仿真模型具有仿真程度高、可靠性好、专业性强等优点。但也存在明显的不足，如对开发人员的知识水平及专业技能的依赖程度过高；专业火灾仿真软件都不具有开放性，可移植性差，不能直接嵌入到虚拟训练环境中，仿真只能在这些软件本身的程序环境下运行等。火灾逃生训练的首要任务是使受训者掌握逃生的方法和技巧，其更关注于人在受到火灾威胁时的行为及反应，可以少考虑或不考虑火灾的发展过程。本文在高层建筑火灾逃生训练虚拟环境中引入火灾过程仿真模型的动机是为了增加虚拟环境的沉静感，给受训者提供一个更加逼真的训练环境；同时，也是为寻找新方法进行火灾仿真和人员疏散模型研究开展的探索工作。本文提出了基于粒子系统属性参数化的火灾过程仿真建模方法，该方法的思路是回避专业的火灾数值仿真软件，用人为干预的方式替代数值仿真。方法可表述为：在数值仿真过程中设置若干节点，提取节点参数信息，作为仿真的初始变量和终止变量，然后进行线性处理，最终以简单的参数线性变化替代过程复杂的数值仿真。

３．３交互控制模型

交互控制模型用于处理用户的输入，并以视觉、听觉的形式进行反馈，是用户在虚拟环境中操作各种虚拟对象、获得逼真感知的必要条件，主要涉及人与虚拟环境之间互相作用和互相影响的信息交换方式与设备。综合考虑开发成本、发布途径和效率，及虚拟现实技术现状，本文选择开发以鼠标、键盘为外接输入设备的桌面式虚拟训练环境。基于鼠标、键盘的交互控制模型主要包括：视景漫游控制模型、虚拟对象提取模型、操作模型和信息处理模型。前三种模型的实现途径是通过在虚拟环境中预设鼠标和键盘的输入响应，将设备输入信号转换为交互信息，触发虚拟对象的行为或状态变化。而信息处理模型则用于对交互信息的后台处理，包括：判断、记录和评价等。

４实例应用

本文以某高校办公楼的火灾逃生虚拟训练为例，对研究内容进行验证。首先对训练任务进行描述，形成任务描述文件。在此基础上，采用面向训练任务的方法，进行任务规划、模型层次划分等工作。而后，综合利用实体建模软件ＣＡＸＡ和仿真建模软件Ｃｒｅａｔｏｒ的优点，联合构建了该办公楼多粒度的虚拟建筑场景的几何模型，达到快速、方便的创建模型的目的。采用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ软件作为虚拟环境开发平台，利用其优良的兼容性和强大的粒子系统功能，对虚拟建筑场景的几何模型进行优化处理，并构建了各种粒子系统模型用于表现火焰、浓雾、喷水等特效场景。为增加沉浸感在虚拟环境中加入音响特效。综合运用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ软件的行为模块、脚本语言和开发工具构建了虚拟场景的物理模型、行为模型、交互特征模型和火灾过程仿真模型；在脚本程序中对鼠标、键盘的操作进行了定义，构建了交互控制模型。通过以上工作，完成了对某高校办公楼的火灾逃生虚拟训练虚拟环境的基本构建，经实践验证，能基本满足虚拟训练系统的需求，支持完成高层建筑火灾发展、逃生、自救等相关知识的表达。在虚拟环境中添加虚拟人后，能完成基本的逃生训练，且效果良好。

５结束语

本文主要研究了构建支持高层建筑火灾逃生训练虚拟环境的建模思路和方法，提出该虚拟环境的层次结构关系，对虚拟环境模型的关键技术和实现方法开展了讨论和研究。通过实例验证所提出的建模方法行之有效，能基本解决高层建筑火灾逃生训练虚拟环境建模的问题，为开发相关虚拟训练系统和开展建筑火灾逃生研究提供了新思路和技术支持。