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關于高層建筑火災逃生訓練研究的論文
１框架結構
由需求分析可知，高層建筑火災逃生訓練虛擬環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據基礎，用于實時表示場景狀態及變化的視覺、聽覺信息，是虛擬環境的表示層。場景模型主要由三維模型和粒子系統模型構成，三維模型包括建筑結構、室內裝修和滅火工具等，粒子系統模型包括火焰、濃煙等。火災過程仿真模型是虛擬環境的功能層，是利用數值模擬火災發生、發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據信息集合。它們通過信息交流建立關聯關系，構成一個有機的整體，其結構關系如圖１所示。
２建模的基本思路構建
與實際情況完全一致的虛擬環境始終是研究人員追求的目標，但受到相關技術發展和軟、硬件條件的限制，目前根本無法實現。支持高層建筑火災逃生訓練的虛擬環境模型是一個復雜系統，包含龐大的數據信息、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軟件和開發人員具備專業知識作為支撐。為簡化建模過程，減小模型數據量，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力等方面有選擇性地進行剪裁、弱化和強調，以突出相關知識和技能，刪減與任務無關數據信息為目的。層次化建模是對復雜系統的組成單元進行分層分類，是解決復雜系統建模的基本方法。
３關鍵技術與實現方法
３．１場景模型
場景模型是虛擬環境的基礎，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以表現濃煙、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，其映射內容和精細程度與應用密切相關。依據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，內部設備設施眾多，建筑外部環境復雜多樣，屬于復雜系統。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，根據模型在訓練任務中的作用規劃其建模過程，如表１所示。最后依據規劃結果完成建模的全過程。３．１．１幾何建模虛擬場景的幾何模型是現實環境的外觀映射，包括幾何形狀、材質和結構關系。幾何模型應能滿足實體對象在虛擬環境中的視覺顯示，并能作為演示、操作和提取等仿真作業的對象。幾何模型還應能表現常態或火災狀態下的實體對象的外觀表現。虛擬場景與現實環境的幾何相似度將直接影響用戶的沉浸感、仿真的開發效率及系統的運行成本，需要根據具體應用調整描述精度，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、減少模型面片數量等方法達到減少數據量的目的，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表現粒度。本文將其分為三個粒度層次：１）大粒度的環境模型，主要為增強虛擬環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變化的描述，包括溫升、燃燒、熄滅等，是數值仿真模型，可通過參數化描述進行簡化。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。火災逃生訓練虛擬環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的發生、發展和消失行為。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，和粒子系統對虛擬環境狀態變化的響應。
３．２火災過程仿真模型
火災發展過程非常復雜，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系統的數值仿真功能進行底層運算，并利用數值仿真結果控制粒子系統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、專業性強等優點。但也存在明顯的不足，如對開發人員的知識水平及專業技能的依賴程度過高；專業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境中，仿真只能在這些軟件本身的程序環境下運行等。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展過程。本文在高層建筑火災逃生訓練虛擬環境中引入火災過程仿真模型的動機是為了增加虛擬環境的沉靜感，給受訓者提供一個更加逼真的訓練環境；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屬性參數化的火災過程仿真建模方法，該方法的思路是回避專業的火災數值仿真軟件，用人為干預的方式替代數值仿真。方法可表述為：在數值仿真過程中設置若干節點，提取節點參數信息，作為仿真的初始變量和終止變量，然后進行線性處理，最終以簡單的參數線性變化替代過程復雜的數值仿真。
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。綜合考慮開發成本、發布途徑和效率，及虛擬現實技術現狀，本文選擇開發以鼠標、鍵盤為外接輸入設備的桌面式虛擬訓練環境。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。前三種模型的實現途徑是通過在虛擬環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，觸發虛擬對象的行為或狀態變化。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的優點，聯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、方便的創建模型的目的。采用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ軟件作為虛擬環境開發平臺，利用其優良的兼容性和強大的粒子系統功能，對虛擬建筑場景的幾何模型進行優化處理，并構建了各種粒子系統模型用于表現火焰、濃霧、噴水等特效場景。為增加沉浸感在虛擬環境中加入音響特效。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境的基本構建，經實踐驗證，能基本滿足虛擬訓練系統的需求，支持完成高層建筑火災發展、逃生、自救等相關知識的表達。在虛擬環境中添加虛擬人后，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境的建模思路和方法，提出該虛擬環境的層次結構關系，對虛擬環境模型的關鍵技術和實現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境建模的問題，為開發相關虛擬訓練系統和開展建筑火災逃生研究提供了新思路和技術支持。
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