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關(guān)于高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練研究的論文
１框架結(jié)構(gòu)
由需求分析可知，高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境模型包括場景模型、火災(zāi)過程仿真模型和交互控制模型。場景模型是虛擬訓(xùn)練場景的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，用于實(shí)時(shí)表示場景狀態(tài)及變化的視覺、聽覺信息，是虛擬環(huán)境的表示層。場景模型主要由三維模型和粒子系統(tǒng)模型構(gòu)成，三維模型包括建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝修和滅火工具等，粒子系統(tǒng)模型包括火焰、濃煙等。火災(zāi)過程仿真模型是虛擬環(huán)境的功能層，是利用數(shù)值模擬火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展和撲滅等過程的仿真模型，主要包括煙霧擴(kuò)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(zāi)過程模型的響應(yīng)和反饋，是虛擬環(huán)境的應(yīng)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(zāi)逃生訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)信息集合。它們通過信息交流建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖１所示。
２建模的基本思路構(gòu)建
與實(shí)際情況完全一致的虛擬環(huán)境始終是研究人員追求的目標(biāo)，但受到相關(guān)技術(shù)發(fā)展和軟、硬件條件的限制，目前根本無法實(shí)現(xiàn)。支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練的虛擬環(huán)境模型是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包含龐大的數(shù)據(jù)信息、復(fù)雜的邏輯關(guān)系和繁瑣的信息處理過程，特別是火災(zāi)過程仿真建模更是需要專業(yè)軟件和開發(fā)人員具備專業(yè)知識作為支撐。為簡化建模過程，減小模型數(shù)據(jù)量，降低建模難度，本文擬利用面向訓(xùn)練任務(wù)的建模思路，采用層次化建模方法構(gòu)建虛擬環(huán)境模型。面向訓(xùn)練任務(wù)的建模是指以訓(xùn)練任務(wù)描述文件為藍(lán)本，在模型的功能和表現(xiàn)力等方面有選擇性地進(jìn)行剪裁、弱化和強(qiáng)調(diào)，以突出相關(guān)知識和技能，刪減與任務(wù)無關(guān)數(shù)據(jù)信息為目的。層次化建模是對復(fù)雜系統(tǒng)的組成單元進(jìn)行分層分類，是解決復(fù)雜系統(tǒng)建模的基本方法。
３關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法
３．１場景模型
場景模型是虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，包括一般場景和火災(zāi)場景兩類模型。其中，火災(zāi)場景是在一般場景的基礎(chǔ)上加入粒子系統(tǒng)以表現(xiàn)濃煙、火焰、噴水、噴干粉等特殊效果。從技術(shù)層面講，場景模型是一種虛擬樣機(jī)模型，是實(shí)體對象在計(jì)算機(jī)中的映射，其映射內(nèi)容和精細(xì)程度與應(yīng)用密切相關(guān)。依據(jù)面向任務(wù)的建模思路，虛擬樣機(jī)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(gè)步驟［５］。由于高層建筑結(jié)構(gòu)和裝修復(fù)雜，內(nèi)部設(shè)備設(shè)施眾多，建筑外部環(huán)境復(fù)雜多樣，屬于復(fù)雜系統(tǒng)。因此，在場景建模時(shí)首先應(yīng)對待建模型進(jìn)行層次劃分，形成場景模型結(jié)構(gòu)樹，如圖１所示。然后，根據(jù)模型在訓(xùn)練任務(wù)中的作用規(guī)劃其建模過程，如表１所示。最后依據(jù)規(guī)劃結(jié)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(xiàn)實(shí)環(huán)境的外觀映射，包括幾何形狀、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)關(guān)系。幾何模型應(yīng)能滿足實(shí)體對象在虛擬環(huán)境中的視覺顯示，并能作為演示、操作和提取等仿真作業(yè)的對象。幾何模型還應(yīng)能表現(xiàn)常態(tài)或火災(zāi)狀態(tài)下的實(shí)體對象的外觀表現(xiàn)。虛擬場景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的幾何相似度將直接影響用戶的沉浸感、仿真的開發(fā)效率及系統(tǒng)的運(yùn)行成本，需要根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整描述精度，找到“沉浸感”與“成本”的平衡點(diǎn)。常用的方法是進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化和多粒度劃分。結(jié)構(gòu)簡化是面向訓(xùn)練過程的工程簡化，通過約減不可見部件、減少模型面片數(shù)量等方法達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的，如垂直電梯的結(jié)構(gòu)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(jù)幾何模型對訓(xùn)練的重要程度以及與用戶的交互程度來劃分其細(xì)節(jié)表現(xiàn)粒度。本文將其分為三個(gè)粒度層次：１）大粒度的環(huán)境模型，主要為增強(qiáng)虛擬環(huán)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(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行深入認(rèn)識，如門、電梯等；３）小粒度的精細(xì)模型，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的重要對象，需全面了解其性能、結(jié)構(gòu)和用途，交互過程復(fù)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(zāi)場中虛擬樣機(jī)狀態(tài)變化的描述，包括溫升、燃燒、熄滅等，是數(shù)值仿真模型，可通過參數(shù)化描述進(jìn)行簡化。３．１．３行為模型與交互特征模型虛擬樣機(jī)的行為模型包括：屬性行為和操作行為，并分別對應(yīng)交互特征模型的響應(yīng)式交互模型和操作式交互模型。火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)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(guān)行為，滅火器的操作行為。而屬性行為僅包括粒子系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和消失行為。相應(yīng)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(yīng)和反饋，和粒子系統(tǒng)對虛擬環(huán)境狀態(tài)變化的響應(yīng)。
�。常不馂�(zāi)過程仿真模型
火災(zāi)發(fā)展過程非常復(fù)雜，難以預(yù)測，因此，在一些火災(zāi)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(tǒng)的數(shù)值仿真功能進(jìn)行底層運(yùn)算，并利用數(shù)值仿真結(jié)果控制粒子系統(tǒng)各屬性變化的方法進(jìn)行火災(zāi)過程仿真［３］。顯然，使用該方法建立的火災(zāi)過程仿真模型具有仿真程度高、可靠性好、專業(yè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但也存在明顯的不足，如對開發(fā)人員的知識水平及專業(yè)技能的依賴程度過高；專業(yè)火災(zāi)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(xùn)練環(huán)境中，仿真只能在這些軟件本身的程序環(huán)境下運(yùn)行等�；馂�(zāi)逃生訓(xùn)練的首要任務(wù)是使受訓(xùn)者掌握逃生的方法和技巧，其更關(guān)注于人在受到火災(zāi)威脅時(shí)的行為及反應(yīng)，可以少考慮或不考慮火災(zāi)的發(fā)展過程。本文在高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境中引入火災(zāi)過程仿真模型的動機(jī)是為了增加虛擬環(huán)境的沉靜感，給受訓(xùn)者提供一個(gè)更加逼真的訓(xùn)練環(huán)境；同時(shí)，也是為尋找新方法進(jìn)行火災(zāi)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(tǒng)屬性參數(shù)化的火災(zāi)過程仿真建模方法，該方法的思路是回避專業(yè)的火災(zāi)數(shù)值仿真軟件，用人為干預(yù)的方式替代數(shù)值仿真。方法可表述為：在數(shù)值仿真過程中設(shè)置若干節(jié)點(diǎn)，提取節(jié)點(diǎn)參數(shù)信息，作為仿真的初始變量和終止變量，然后進(jìn)行線性處理，最終以簡單的參數(shù)線性變化替代過程復(fù)雜的數(shù)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(jìn)行反饋，是用戶在虛擬環(huán)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(huán)境之間互相作用和互相影響的信息交換方式與設(shè)備。綜合考慮開發(fā)成本、發(fā)布途徑和效率，及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)狀，本文選擇開發(fā)以鼠標(biāo)、鍵盤為外接輸入設(shè)備的桌面式虛擬訓(xùn)練環(huán)境�；谑髽�(biāo)、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(shí)現(xiàn)途徑是通過在虛擬環(huán)境中預(yù)設(shè)鼠標(biāo)和鍵盤的輸入響應(yīng)，將設(shè)備輸入信號轉(zhuǎn)換為交互信息，觸發(fā)虛擬對象的行為或狀態(tài)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(jià)等。
４實(shí)例應(yīng)用
本文以某高校辦公樓的火災(zāi)逃生虛擬訓(xùn)練為例，對研究內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。首先對訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行描述，形成任務(wù)描述文件。在此基礎(chǔ)上，采用面向訓(xùn)練任務(wù)的方法，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、模型層次劃分等工作。而后，綜合利用實(shí)體建模軟件ＣＡＸＡ和仿真建模軟件Ｃｒｅａｔｏｒ的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合構(gòu)建了該辦公樓多粒度的虛擬建筑場景的幾何模型，達(dá)到快速、方便的創(chuàng)建模型的目的。采用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ軟件作為虛擬環(huán)境開發(fā)平臺，利用其優(yōu)良的兼容性和強(qiáng)大的粒子系統(tǒng)功能，對虛擬建筑場景的幾何模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并構(gòu)建了各種粒子系統(tǒng)模型用于表現(xiàn)火焰、濃霧、噴水等特效場景。為增加沉浸感在虛擬環(huán)境中加入音響特效。綜合運(yùn)用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ軟件的行為模塊、腳本語言和開發(fā)工具構(gòu)建了虛擬場景的物理模型、行為模型、交互特征模型和火災(zāi)過程仿真模型；在腳本程序中對鼠標(biāo)、鍵盤的操作進(jìn)行了定義，構(gòu)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(zāi)逃生虛擬訓(xùn)練虛擬環(huán)境的基本構(gòu)建，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，能基本滿足虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求，支持完成高層建筑火災(zāi)發(fā)展、逃生、自救等相關(guān)知識的表達(dá)。在虛擬環(huán)境中添加虛擬人后，能完成基本的逃生訓(xùn)練，且效果良好。
５結(jié)束語
本文主要研究了構(gòu)建支持高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境的建模思路和方法，提出該虛擬環(huán)境的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，對虛擬環(huán)境模型的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法開展了討論和研究。通過實(shí)例驗(yàn)證所提出的建模方法行之有效，能基本解決高層建筑火災(zāi)逃生訓(xùn)練虛擬環(huán)境建模的問題，為開發(fā)相關(guān)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和開展建筑火災(zāi)逃生研究提供了新思路和技術(shù)支持。
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