基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统

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摘 要：火灾造成的严重后果是任何人都不想承受的，而基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统可以快速高效地做出消防预案，方便地进行消防演习和人员疏散等。文章分析了此种系统设计的重要性，并具体分析FVR系统的构成和各功能模块的运行原理。

关键词：虚拟现实；建筑火灾；消防

中图分类号：TP391.9

随着社会的不断进步，家用电器在日常生活中变得越来越重要，人们对电器的依赖程度不断增加。然而如果电器使用不当，就会很容易发生火灾，给人们的生命和财产带来严重威胁。在城市现代化建设的过程中，人口不断增加，建筑物也变得越来越密集，这样导致的火灾隐患越来越严重。每一次火灾的发生都将会伴随了财产的重大损失，甚至造成人员伤亡。火灾之所以会造成如此严重的后果，主要是因为火灾发生后火势不能得到有效控制或熄灭，火灾现场人员不能及时离开。所以，发生火灾以后如何能及时制定合理的方案和采取有效的措施来扑灭建筑内的火势，如何及时并安全的让现场人员撤离，是建筑设计者、消防人员需要严肃对待的问题。

1 基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统设计的重要性

合理的消防预案能够帮助在火灾发生后及时并迅速地制定相应的解救方案。而传统预案的设计制作主要依靠纸质档案或者电子档案，当火灾发生时，消防部门或现场解救人员从制定好的消防预案中了解建筑布局、内部结构、安全通道以及消防设备的安置等等信息，并从中估测可能的起火位置、火势蔓延形式以及需要的灭火方案，从而使消防人员作出正确的解救措施，提高现场指挥能力。但是，传统的消防预案主要通过文字或者二维图等形式来说明建筑物的相关信息，而如果是一些布局较复杂的建筑，文字和二维图就难以清晰直观地表达出建筑内部的结构特点，也不能表现出火势和烟雾的可能走向。而且，传统的消防预案难以对消防设施的使用情况进行实时分析和查询，不能及时正确地预测出建筑内部火势和烟雾对搜救行动的影响。如果为了让消防人员能够及时了解消防预案而举行消防演习，会消耗大量的人力物力和财力，甚至有一定的危险性，而且可重复性差，演习难以模拟出真正火灾那种复杂的环境。

随着现代计算机技术的发展，利用计算机虚拟现实技术，可以建立虚拟的建筑物火灾发生的场景，可以通过模拟现场的疏散救援行动来判断受灾人员是否能安全离开，从而评估出最安全和有效的救援和疏散方案。通过虚拟现实的模拟系统，可以形象逼真地展现出灾害发生的场景，这种方法安全、成本低而且重复性好，所以能在消防安全工程中能够得到广泛的应用。本文介绍了一种基于模拟现实的建筑火灾模拟系统原型系统FVR，这种系统结合了建筑的三维模拟模型和较精确的火势蔓延形式，这样就可以为使用者特别是消防人员提供真实体验的火灾场景，并且可以为消防人员提供和建立基于三维模型的消防预案，还能提供查询和分析等功能，能够为火灾现场提供良好的指挥参考。

2 FVR系统总体框架

FVR系统包括了以下几个主要功能模块：用户界面、火灾模拟模块、信息管理模块、火灾模拟模块、人员疏散模拟模块、灭火作战模拟模块等。每个模块都有相应的数据库，如信息管理模块可以让用户查询和分析建筑物内的结构信息、设备布置位置、火势情况以及现场的疏散情况；用户界面可以让使用者进行相应的操作，并显示出用户需要的数据；火灾模拟模块主要是模拟火灾现场的具体场景和火势蔓延情况，为灭火工作提供相应的参考；灭火作战模拟模块可以为消防员灭火作战提供对应性训练和演练，这个模块还能模拟现场灭火设备的拾取和相应控制和操作，并且根据操作者的灭火行为可以控制火灾中火势的变化；人员疏散模拟模块可以评估火灾人员疏散情况，也可以用于疏散演习，这个模块可以记录用户在虚拟建筑空间中的疏散路线和疏散时间。FVR系统中火灾模拟信息、建筑信息、人员疏散信息和消防设施信息分属于不同的数据库中。火灾模拟信息的数据库中主要包括有火灾现场的温度和烟雾浓度等，这些数据主要通过模拟现场得到；建筑信息数据库里有建筑的所有信息，包括位置、空间结构、平面结构以及它们的特性等，这些数据来源于建筑设计规划的图纸和说明文档；人员疏散信息通过模拟疏散演习而获取疏散的路径和消耗的时间等信息；消防设施信息数据库中则含有建筑物中各消防设备的数量、种类、安放位置和使用情况等信息。

FVR系统以微软的XP操作系统为运行平台，以C++.Net为基本平台并结合专业的实时视景仿真开发工具Vega来模拟仿真，利用Muitgen Creator建立三维模型，使用FDS（Fire Dynamics Simulator）软件来模拟火灾情景，并用Microsoft Access来处理数据。Muitgen Creator三维建模软件与Vega开发工具的兼容性非常好，可以建立出十分形象逼真的建筑模型，并很好被Vega识别和读取。Vega开发工具具有良好的视景仿真模拟功能，图形界面十分人性化，易操作，而且使用C语言接口API也十分方便。Vega开发工具包含有多种库函数以及各种特殊功能模块，可以实现不同类型的仿真。

3 火灾蔓延的模拟方法

火灾的蔓延是一个十分复杂且不易预测的过程，所以以前的一些模拟虚拟现实的系统在模拟火灾和人员疏散时，常常将火灾当作一个不变量来处理，即火灾是固定不变，不会发展和蔓延的。这难以与实际情况想吻合。为了能尽可能符合现实情况，提高系统实用性和疏散效率，需要考虑火势蔓延和烟雾的扩散，并且这种蔓延和扩散速度需要尽可能与真实火灾相一致。FVR系统综合了火灾的可视化和火灾的数据模拟两大数据库，利用数据模拟来预测火灾可能蔓延的方向和速度，然后将火灾场景模拟出来，从而尽可能使系统中火灾场景尽可能符合现实。

FVR系统中使用FDS来模拟并预测火灾场景。FDS是一款美国国家标准技术局建筑火灾实验室研发的软件，结合了流体力学、燃烧学和热力学等多学科知识，模拟精度较高。火灾的模拟过程需要是一个计算非常复杂的过程，消耗大量的时间。FDS使用的方法是：在已有的条件下计算并预测出多种可能的发展情形，并且将一些用户可能需要的数据（例如烟雾浓度及扩散速度、现场温度、热量增加速度等）存储在数据库中，以便用户查询。

4 火灾场景可视化方法

虚拟现实最重要的让用户在虚拟环境中能真实地感受现场的场景，所以火灾模拟中火势大小和烟雾程度需要有十分逼真的效果。FVR系统可以利用粒子系统和纹理贴图来实现火势和烟雾的可视化。粒子系统可以模拟出烟雾效果，粒子系统是一些可以旋转的粒子群，可以模拟出不断变化的烟雾的形状，并产生视觉效果。FVR系统根据FDS模拟工具产生的结果，以得到的烟雾分布和变化规律为基础，来控制粒子的大小、数量、存在时间、活动范围等参数来模拟烟雾的分布和蔓延扩散。纹理贴图可以模拟出火势大小的效果。利用已有的火场视频提取出多帧静态的火灾图片，然后使用图像处理软件保留火焰部分，利用静态的火焰图片在虚拟场景中进行循环渲染，这样就可以模拟出火灾中的动态场景。

5 人员疏散的模拟

传统的模拟系统中常常利用数值模拟的方法来得到人员疏散，利用三维图、网格等描绘出建筑内的空间结构，然后建立人在火灾中的行动规则，利用计算和模拟得出疏散路径和时间。这种数值模拟的方法虽然具有明确的评判标准并且易于编程，但是难以模拟出复杂建筑中人员的疏散情况，而且没有考虑到火势对疏散的影响。例如，烟雾或火焰可能堵住安全通道，造成疏散人员的慌乱和紧张等，都会直接影响到疏散的时间和实际效果。FVR系统可以结合火灾的实际情况来模拟人员的疏散情况。利用头盔，用户可以感受到火灾现场的场景，根据所处的环境来选择疏散路径，并记录时间，从而达到疏散模拟和演练的效果。

6 结束语

基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统的开发对于火灾搜救和疏散具有十分重要的意义，通过演练使用户得到实际的逃生生存训练，并且对提高指挥效率也有积极作用。FVR系统可以提供与现场火灾高度一致的场景，对于建立消防预案、进行消防演练、人员疏散演习都有十分良好的效果。

参考文献：

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[3]王庆娇，方正，张铮.虚拟现实技术在火灾人员疏散行为调查中的应用[J].测绘信息与工程，2003（04）：45-47.

作者单位：漳州市消防支队特勤中队，福建漳州 363000