第21卷增刊1 系
统 仿 真 学 报? Vol. 21 Suppl. 1
2009年10月 Journal of System Simulation Oct., 2009
基于火灾模型的消防虚拟现实体系结构
徐守祥，梁永生，刘晓东
（深圳信息职业技术学院，深圳 518029）
摘 要：以火灾软件模型和数字城市为基础，针对消防演练和火灾科学研究的虚拟现实应用，提出了基于3D 网络游戏引擎的消防虚拟现实体系结构。采用有限状态机(FSM)控制的动态循环结构，给出了一个火灾发展、人员伤害、火灾疏散与扑救相互作用的仿真平台结构。 关键词：火灾模型；游戏引擎；虚拟现实；有限状态机
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) S1-0255-04
Fire prevention virtual reality architecture based on fire model
XU Shou-xiang, LIANG Yong-sheng, LIU Xiao-dong
(Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518029, China)
Abstract: Based on the fire software model and the digital city, it aims at applying virtual reality to fire prevention and fire scientific research. It proposed fire prevention virtual reality architecture based on the 3D network game engine . The architecture uses the finite state machine (FSM) to control the dynamic loop structure . It gave a simulation platform structure that the fire developing, the personnel injuring and the crowd dispersing affects each other. Key words ：fire model; game engine; virtual reality; finite state machine
引 言在经济高速发展的现代社会，火灾的科学防治已经成为社会安全保障的重要组成部分，随着迅速崛起的燃烧理论、科学计算技术、非线性动力学理论、系统安全原理、宏观与小尺度动态测量技术、以及信息技术等，为系统地针对火灾复杂性问题进行科学攻关提供了充分的理论支持和技术手段，从而为火灾安全科学的发展创造了良好的契机。火灾安全科学以其鲜明的前沿性、交叉性和挑战性，已经逐步发展成为一个特色鲜明、充满生机和活力的工程科学领域[1]
。
火灾的复杂性表现在火灾动力学系统的复杂性和火灾的随机性，火灾的规律既有确定性的一面，又有随机性的一面，例如：给定环境和火源条件的室内火灾烟气的运动规律是确定的，这个规律可以通过模拟研究逐步认识，但是在实际的火灾过程中，众多因素(如风向与风速等环境因素)常常变化，而且这种变化往往带有随机性，从而导致了实际火灾发展过程的随机性[2]
。火灾的不可重复性，起火时间的未知性导致了人们难以得到实际火灾的全部样本，从而给火灾安全科学的研究带来了极大的困难。基于火灾模型和虚拟现实技术，建立以3D 游戏引擎为基础的消防模拟演练平台的体系结构，将具有确定性的火灾动力学系统产生的火灾模型和
收稿日期
：2009-06-18 修回日期：2009-08-06 基金项目：国家自然科学基金 (60772163)
作者简介：徐守祥(1962-)，男，天津市，硕士，副研究员，研究方向为软件体系结构、3D 网络游戏；梁永生(1971-)，男，黑龙江，博士，教授，研究方向为计算机网络与数据通信、信号处理与模式识别；刘晓东(1973-)，男，博士，副教授，研究方向为数据挖掘和机器学习。
随机性的火灾发展过程有机结合，以现代计算机科学的技术手段，为火灾安全科学的研究提供了可视化、可重复、可调控的火灾样本模型，是对火灾安全科学研究和消防部队灭火演练提供有力支持。
1 消防虚拟现实的目标
消防虚拟现实技术是火灾安全科学研究、城市应急系统、消防演练等领域的数字化仿真新方法，是将虚拟现实技术与流体动力学、社会心理学等多学科科研成果综合应用于消防安全领域的火灾预防和救助支持系统的技术核心，目标是实现火灾发展过程的仿真、准确分析火灾过程中人员的伤害、给出最佳的扑救方案。为此，首先要有科学精确的火灾模型，然后还需要在此基础上，将火势、扑救和环境等因素的相互作用动态地表现出来。本文使用美国国家标准技术研究所（NIST ：National Institute of Standards and Technology ）提供的火灾动态模拟器FDS （Fire Dynamics Simulator ）创建火灾模型[3]；
以有限状态机FSM(Finite State Machine)控制的动态循环结构为核心，以3D 网络游戏引擎为平台，使用粒子系统、触发器、人工智能、碰撞检测、天空盒等仿真技术，建立了一个火势、环境和扑救循环作用的消防虚拟现实体系结构。
1.1 技术进展和趋势
消防虚拟现实核心技术的研究涉及灾害科学、地理信息系统等多种学科技术，要通过综合考虑各种环境因素进行城市火灾危险性分析、火灾蔓延分析的可视化模拟，直观地预
2009年10月系统仿真学报 Oct., 2009
测火灾影响区域，并以此为基础进行消防应急扑救的决策支持。要完成这些任务，必须要建立一个能够综合利用相关技术的应用平台，即给出一个消防虚拟现实的体系结构。
火灾动态模拟器FDS（Fire Dynamics Simulator）是美国国家标准技术研究所（NIST：National Institute of Standards and Technology）建筑火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件[3]。该软件采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的NS方程（粘性流体NavisStokes），重点计算火灾中的烟气和热传递过程。由于FDS是开放源码的，所以得到了使用者持续不断的完善，在火灾科学领域得到了广泛应用。国内使用FDS的队伍也在不断壮大，包括清华大学、中国科技大学、上海交通大学、消防研究所等。清华大学的史建勇等[4]以有限元分析软件ANSYS和火灾模拟软件FDS为基础，针对2008年北京奥运会体育场馆火灾安全分析开发了一套建筑火灾模拟和结构安全综合分析系统[5]。
本课题选择火灾动态模拟器FDS给出的火灾模型，为应用平台建立火灾发展过程的虚拟环境，在3D网络游戏引擎的支撑下，产生火灾安全科学研究需要的火灾样本，或消防演练需要的火灾场景。应用平台的另一问题是模拟火灾发展过程中火势、扑救和环境之间的相互作用。
虚拟现实技术简称VR技术，是当今计算机科学发展的前沿领域之一[6]。在虚拟训练系统中，受训者戴上视觉头盔和数据手套，穿上数据衣，在伴有虚拟的声音和触觉条件下，便会进入到一种逼真的、为某种训练而设置的虚拟环境中，这种虚拟环境不但能使受训者产生身临其境般的沉浸感和投入感，而且还有参与、操作等交互功能，具有全方位的逼真感觉，可满足各种战术与技术训练的需要[7]。
北京工业大学的“基于三维实时渲染技术的虚拟火灾训练系统”[8]，提出了采用虚拟现实来创建火灾和逃生救援的软件系统的设计方案。并且提出了一种使用VRML构建三维虚拟建筑模型作为消防系统监控软件界面的设计思路[9]。福建大学和浙江大学在林火蔓延模型及三维可视化研究中采用Rothermel 模型，利用Huygen 原理，并以改进的粒子系统方法，三维模拟在不同的风速、坡度下林火在火场不同位置的扩散行为[10]。
然而这些虚拟现实的应用上普遍存在综合应用弱、规模性小和交互性差的问题，其关键原因在于，火灾模型的仿真性和火灾环境的随机性之间的矛盾，同时传统虚拟现实平台的交互性比较弱，从而限制了当前消防虚拟现实的发展。英国杜伦大学（Durham University）率先提出了使用计算机游戏开发工具建立虚拟环境快速原型的思想[11]，并以此建立了火灾撤离训练演示系统，提出第一人称射击类游戏（First person shooting - FPS）非常适合建立这样的系统[12]。
3D网络游戏是近年来得到众多关注和发展较快的VR 应用技术之一。2003年国家科技部首次将网络游戏技术纳入国家“863”科技发展计划[13]。
1.2 技术创新
本文提出的基于火灾模型的消防虚拟现实体系结构，在综合运用现代科学技术的最新成果上有两方面的创新。
1）多平台动态数据共享架构
使用FDS创建火灾模型需要虚拟环境的气象条件、建筑模型、扑救等动态变化的输入信息；而FDS的火灾模型数据又是应用平台火势发展的主要输入条件。因此必然涉及数字城市，FDS火灾模型，游戏引擎，数据挖掘，VR接口等多种处理平台。因此，选择以互联网络技术平台为基础，以3D网络游戏引擎为核心，实现多种处理平台的数据共享，既发挥了火灾模型的仿真性又模拟了火灾发生条件的真实性，并且实现了高沉浸感的虚拟现实交互方式。
2）有限状态机控制的动态循环结构
以FDS为基础实现高仿真的火灾发展模型、人员伤害模型、火灾扑救模型。其各处理组件是相互作用的，FDS 火灾模型是演练的前提，火灾发展过程的仿真是其他仿真的基础，根据火灾发生时的条件，动态获得虚拟火灾环境的变化，通过FDS得出火灾产生、燃烧、蔓延、过火和熄灭过程的动态数据，然后将这些动态数据提交给火灾发展仿真组件，由该组件得到火灾发展的3D动态仿真数据，从而驱动3D网络游戏引擎产生实际火势发展和蔓延的仿真模型，整个结构根据火灾发展的状态建立有限状态机模型(FSM)，控制系统的运行。
2 消防虚拟现实的体系结构
消防虚拟现实的体系结构是消防演练应用平台的系统结构，中心是解决以下问题：
1）根据建筑信息模型（BIM Building Information Modeling）和虚拟动态环境形成FDS的输入文件，由FDS 给出火灾模型的输出文件，根据该输出文件，形成虚拟的火灾仿真。在这个过程中有两方面的问题要解决，一是解决虚拟火灾条件的动态获取，并形成FDS的输入格式，要研究数据动态获取和格式转化的方法；二是要解决将FDS的火灾模型数据，动态调整虚拟火灾的发展趋势，要研究火灾数据驱动虚拟火灾发展仿真的方法，解决多处理组件间数据的共享问题，解决火灾发展FSM建模的问题。
2）虚拟火灾中的人员具有多种角色，除了参与演练的人员化身角色外，还需要通过人工智能（AI）技术产生各种大众电脑角色（NPC），甚至包括破坏消防规章的角色，这样形成火灾逃生、自救的大型演练场面，在这样的大型虚拟火灾状况下，要模拟不同人员遇到火灾时的处理方法，同时确定整个火灾扑救过程中的人员伤害状况。解决这些问题，要研究两方面的算法，一是驱动不同电脑角色（NPC）进行逃生的仿真算法，二是根据人员逃生的过程得出人员伤害的算法，要解决人员伤害FSM建模的问题。
2009年10月徐守祥, 等：基于火灾模型的消防虚拟现实体系结构Oct., 2009
3）火灾的人员疏散和扑救过程决定火灾处理的有效性，通过各种虚拟火灾的不同状况模拟不同的处理方法，形成火灾处理的分析报告，要解决火灾扑救FSM建模的问题，同时，由于要考虑对FDS的反馈，所以要解决整个体系结构的处理循环问题。
2.1 关键技术
实现火灾及其扑救的仿真是消防演练应用平台的核心内容，包括火灾发展仿真、人员伤害仿真、火灾扑救仿真，其中火灾发展仿真是基础，是正确实现人员伤害数据和合理的疏散、扑救方法的保证。图1给出了体系结构研究中涉及到的主要技术和理论，箭头表示各技术和理论在研究过程中的条件依赖关系。
虚拟世界的建立也就是火灾环境的建立，需要建筑模型，更重要的是要根据建筑模型得到FDS的输入参数，需要由BIM到FDS参数的转换研究。考虑到火灾发展过程的复杂性和阶段性，通过有限状态机模型(FSM)控制整个火灾的发展过程，火和烟的实现是由粒子系统来完成的，表示为FSM1(粒子系统)，如图1所示。而火灾动态模型则是它建立的主要依据。
对于扑救过程同样需要一个有限状态机模型(FSM)来协调消防员的事件、状态和动作，扑救过程中的路径选择需要路径规划的算法支持，例如启发式搜索算法A*，扑救行动是对火灾的一种阻隔，因此这一过程表示为FSM2(A*, 阻隔)，如图1所示。
人员伤害过程的研究要依赖人在火灾各阶段的时间长短等因素，同时在群体演练中需要大量的电脑角色(NPC)，这些角色的活动需要人工智能(AI)的支持，其活动过程也直接影响着人员的伤害。研究资料表明，一个健康的人，3分钟不呼吸就会窒息死亡，如果再吸入一定数量的毒气，死亡仅需要1分钟[14]。NPC的火场活动控制FSM表示为FSM3 (NPC)，如图1所示。
最后是消防过程的评估要借助数据库管理系统的支持(DBMS)，这些数据的获得要依赖人员的伤害情况和扑救过程，如图1所示。
消防虚拟现实体系结构的研究主要是在这些技术和理论的基础上进行的，在此基础上，充分利用3D网络游戏引擎的特性，从而实现消防虚拟现实的体系结构。
2.2 总体架构
本文研究的消防虚拟现实系统，是网络环境下的群体消防演练平台，图2给出了消防虚拟现实系统体系结构，整个系统需要一个多服务器、多平台的网络环境，集成了数字城市、网络游戏和数据挖掘等多种信息科学技术。
图中的虚线矩形框表示系统中的主要算法，其中灰色框是控制该结构的核心算法，实线矩形框表示系统的处理组件，多波浪矩形框表示系统预处理及输入数据文件，单波浪矩形框表示系统后处理及输出数据文档，圆柱体表示系统的数据库，分别负责存放和管理虚拟世界与消防有关的信息以及消防演练过程的信息，箭头表示数据的流向。
体系结构的实现可以分为四个方面的技术路线：
1）建立虚拟世界
在建筑信息模型(BIM)方面，目前国家的“十一五”攻关项目，正在参照国际标准，工业基础类(IFC-Industry Foundation Classes)定义国家的模型建立标准。如果所有的BIM均按照标准形式来建立，在数字城市的建设上将有很大
图1 主要技术和理论的应用
图2 消防虚拟现实系统体系结构
的进步。那样的话，可以针对标准的BIM建立通用的数据和模型的转换算法。目前基本以此为指导思想，针对规范的BIM建立较通用的处理组件。然后在游戏引擎的支持下建立虚拟世界，同时将消防信息记录到数据库中。
2）研究核心算法
消防虚拟现实核心算法的作用是实现虚拟世界环境到虚拟消防过程的仿真，基础是火灾发展过程的仿真算法，如图2所示，火灾发展过程是一个动态的模拟过程，是虚拟世界、FDS火灾模型和消防过程的循环处理过程，这一过程涉及到虚拟世界的自然气象、生活环境、建筑结构、人员活动、消防扑救等多种变化因素，因此需要多个FSM的循环结构来支持，重点解决火灾影响因素数据的规范性和场景模型数据应用的实时性问题，从而保证平台间的数据共享和仿真结果的真实感。
在火灾仿真的技术上，以粒子系统、触发器、天空盒、碰撞检测等技术进行火、烟及其发展的模拟，采用有限状态机模型( FSM)对火灾变化建模，以此进行火灾发展仿真和事件的处理，火灾发展仿真算法使用的主要状态有：(1)点燃；
(2)成长；(3)爆发；(4)完全发展 (5)衰减；(6)熄灭；(7)状态修改；(8)复位。状态的转换依赖于FDS的火灾模型和自然环境条件以及人员干预事件，在这些状态和事件的驱动下触发火场绘制粒子系统的参数变化。
人员伤害算法要在群体行动的基础上产生，因为火灾伤害不仅依赖火灾发展，同时也依赖群体的活动，因此，要实现AI控制的NPC角色的火灾处理算法，同时需要协调NPC 活动的FSM。火灾的不同阶段对人员的伤害是不同的，参照火灾伤害知识库和火灾模型，借助火灾发展的FSM，将各种伤害因素加以综合，得出火灾对消防员和逃生者生命的影响，从而获得火灾中人员的伤害。
火灾疏散扑救过程是和火灾发展、人员伤害紧密相关的，其控制算法涉及因素最多，因此首先要使用有限状态机模型(FSM)进行消防员的事件和状态及动作进行关联，并同火灾发展仿真的(FSM)发生相应的联系，进行人员活动的总体控制。然后，给出逃生、自救、扑救路径的选择算法，由于路径的开销除了距离还有路径的危险系数等其他条件，所以采用比较灵活的A*算法。
3）分析演练数据
依据消防信息数据库，进行消防演练分析、火灾扑救评估，得到人员伤害和火灾扑救的分析报告，为消防安全的应急处理提供依据。评估参数包括演练人员的能量值和生命值；逃生、扑救的时间长短；结合最佳逃生或救援路线得出综合评价结果。
4）实现虚拟现实
实现三维场景信号输出、立体眼镜接口、定位头盔接口和力反馈手柄的接口。3 实验系统设计
消防虚拟现实体系结构的目标是实现消防演练的虚拟现实应用平台，依照该体系结构的总体设计如图2所示，需要搭建群体消防演练虚拟现实系统。该系统针对大型建筑群和大型活动，建立虚拟现实的消防演练平台，系统的模块结
实验系统的设计目标主要包括四个方面：
1）验证虚拟世界的正确性验证由BIM通过数据和模型的转换算法得到的虚拟世界的正确性，数据格式满足FDS 火灾模拟软件的要求。
2）验证核心算法的正确性和时效性消防虚拟现实的基础是火灾模型，核心算法就是通过该模型实现火灾发展过程、人员伤害和疏散扑救的仿真，在虚拟现实的消防演练中，沉浸感和实时性是决定算法是否满足要求的关键技术指标。
3）分析算法执行的有效性虚拟演练结果的正确性是核心算法有效性的保证，这里重点通过人员伤害与扑救效果的分析验证核心算法的有效性。
4）验证体系结构的适应性虚拟现实系统最终要通过头盔显示器、位置跟踪器和数据手套等实现高沉浸感，所以通过与这些设备的联机实验，验证体系结构对这些设备的适应性。
实验系统组成
联想服务器2台，一台作为3D网络游戏服务器，另一台作为系统模型转换和消防分析评估服务器；电脑40台，主要用于消防演练的客户端；局域网环境、数据传输系统、音响设备、显示设备；最终的实验环境选在国内开放的虚拟现实实验室进行，主要的配置是头盔显示器、位置跟踪器和数据手套。
4 结论
以火灾软件模型和数字城市为基础，采用虚拟现实技术，本文提出了一个基于3D网络游戏引擎的消防虚拟现实体系结构，给出了一个火灾发展、人员伤害、火灾疏散与扑救相互作用仿真的解决方案；该体系结构采用有限状态机(FSM)控制的动态循环结构，利用游戏引擎的粒子系统、触
图3 实验系统的模块结构
3.4 铁旗杆特征信息比较
据调研，已破损的铁旗杆和尚保存完整的铁旗杆在未受地震破坏时在外形上基本相同，因此，在修复保护工作中两旗杆可相互参照。现根据已构建的铁旗杆三维模型，对保存完好和破损的铁旗杆取 5 个部分进行数据的分析比较，其中保存完好的铁旗杆取东面、西面、南面不同 5 部分的数据，破损的铁旗杆取与之相对应部位的数据，两者进行比较，见表1。
表1 铁旗杆特征信息对照表
标注保存完整铁旗杆破损铁旗杆
1 0.14350.1432
20.4889遗失
30.14810.1434
40.5492遗失
50.20230.2222
60.6511遗失
70.21370.1862
80.25290.2586
90.25290.2586
1013.842613.2526注：距离取自立面图,(1)至(8)为铁旗杆各部分宽度尺寸，(9)为铁
旗杆高度(单位：m)
由表1可见：(1)保存完整的铁旗杆各部分的宽度与破损铁旗杆的宽度基本上一致，证实了两旗杆在未受损时外形基本相同，在修复破损铁旗杆的过程中可用保存完整的铁旗杆作为参照；(2)保存完整的铁旗杆高约13.843m，而破损铁旗杆的高度约13.253m，相差多达0.59m，可见铁旗杆的破损程度比较严重。
4 结论
通过三维扫描测绘，已破损的铁旗杆和尚保存完整的铁旗杆都建立了可永久保存的铁旗杆信息数据库，为其保护修复与展示等工作奠定了基础。在此基础上，对临时支护的完整铁旗杆进行基于三维实测空间的稳定性力学分析，提供科学保护决策等均具有重要意义。
下一步的工作：建立力学模型，对尚保存完整的铁旗杆进行稳定性分析。
参考文献：
[1] 王晏民, 郭明, 等. 利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图（A）
[J]. 北京建筑工程学院学报，2006, 22(4): 225-231.
[2] Sternberg H. Deformation measurements at historical buildings with
terrestrial laserscanners [C]// IAPRS, vol. XXXVI (Part 5), Dresden,
25–27 September 2006.
[3] Marek Franaszek, Geraldine S.Cheok, Christoph Witzgall. Fast
automatic registration of range images from 3D imaging systems
using sphere targets[J]. Automation in Construction，2009，18：
265–274.
[4] Shannon P McPherron, Tim Gernat, Jean-Jacques Hublin. Structured
light scanning for high-resolution documentation of in situarchaeological finds[J]. Journal of Archaeological Science, 2009,
18: 19–24.
(上接第258页)
发器、人工智能、碰撞检测、天空盒等仿真技术，实现火势、环境和扑救的循环作用。
该消防虚拟现实体系结构，是城市应急系统、消防演练、火灾安全科学研究等领域虚拟现实应用的基础，能够为火灾安全科学的研究提供可视化、可重现、可调控的样本模型，能够广泛应用于各类火灾的消防员训练、普通人逃生训练、灾后原因分析、军事、危险工作模拟等领域，从而降低演练的危险性和成本，具有显著的社会和经济价值。目前基于该体系结构的实验系统已经完成基本原型，近一步的完善和研发工作正在进行中，重点关注火灾发展的仿真优化和人群逃生心理的模拟。
参考文献：
[1] 范维澄, 刘乃安. 火灾安全科学—一个新兴交叉的工程科学领域
[J]. 中国工程科学, 2001, 3(1): 6-14.
[2] 甄军涛, 尹金玉, 王广生. 虚拟现实技术在消防系统中的应用[J].
微计算机信息, 2004, 20(10): 107-108.
[3] 李萍. 火灾动态模拟器FDS软件介绍[J]. 高性能计算发展与应用,
2009, (1).
[4] 史健勇, 任爱珠. 火灾下奥运场馆防火性能的计算机模拟与分析
[C]// 第一届抗震减灾学术会议论文集. 云南大学出版社. 2004.
[5] 邹亮, 史文中, 任爱珠. 用GIS与虚拟现实技术模拟火灾过程—应
用和展望[J]. 自然灾害学报, 2005, 14(3): 83-88.
[6] 李华忠, 梁永生, 洪炳熔. 基于虚拟现实的无时延感空间机器人遥
控操作研究[J]. 计算机应用研究, 2008, (11).
[7] 丛北华, 廖光煌, 韦亚星. 计算机模拟在火灾科学与工程研究中的
应用[J]. 防灾减灾工程学报, 2003, 23(2): 63-69.
[8] 刘昆, 王广生. 基于三维实时渲染技术的虚拟火灾训练系统设计
[J]. 计算机应用, 2005, 25(8): 1962-1964.
[9] 周书民, 徐洪珍, 孙亚民. 基于VRML 的消防预案系统[J]. 计算
机工程, 2005, 31(13): 181-182.
[10] 李建微, 陈崇成, 於其之, 潘志庚. 虚拟森林景观中林火蔓延模型
及三维可视化表达[J]. 应用生态学报, 2005, 16(5): 838-842.
[11] S P Smith, D Trenholme. Rapid prototyping a virtual fire drill
environment using computer game technology [C]// Fire Safety Journal (Forthcoming 2009). Elsevier. 2009.
[12] D Trenholme, S P Smith. Computer game engines for developing
first-person virtual environments [C]// Virtual Reality 12, 2008: 181-187.
[13] 杨德仁, 顾君忠. 网络游戏体系结构的研究与应用综述[J]. 计算机
应用与软件, 2007, 24(3): 113-116.
[14] 王小合. 火灾伤害的防制策略研究[J]. 疾病控制杂志, 2004, 8(6):
546-548.