粒子系統(tǒng)在飛機(jī)火災(zāi)消防視景仿真中的應(yīng)用研究

摘要：本文通過(guò)概述粒子系統(tǒng)原理，基于Vega特效技術(shù)中的粒子特效模擬消防車(chē)滅火劑與火焰煙氣，設(shè)置控制算法以計(jì)算滅火器與煙氣噴射參數(shù)，并計(jì)算出粒子源位置、粒子初始速度向量，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)火災(zāi)滅火過(guò)程與操縱的實(shí)時(shí)模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，此技術(shù)能夠突出飛機(jī)火災(zāi)消防模擬的實(shí)時(shí)性與逼真性，為減少今后飛機(jī)火災(zāi)事故的發(fā)生率提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：粒子系統(tǒng);消防視景仿真;飛機(jī)火災(zāi)

1引言

視景系統(tǒng)是指應(yīng)用三維計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可視化虛擬仿真模式，被廣泛應(yīng)用到民用或軍用領(lǐng)域，在視覺(jué)上具有真實(shí)感與渲染效果。當(dāng)前機(jī)場(chǎng)事故中91%來(lái)源于火災(zāi)，利用高效、簡(jiǎn)便的方式消滅火災(zāi)對(duì)于保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。因此借助Vega特效技術(shù)構(gòu)建飛機(jī)火災(zāi)與滅火劑粒子系統(tǒng)的虛擬模型，結(jié)合控制算法可以實(shí)現(xiàn)消防滅火的場(chǎng)景仿真設(shè)計(jì)。

2粒子系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

圖元是粒子系統(tǒng)的主要組成部分，據(jù)查閱資料得知，粒子的屬性大致相同，其屬性與項(xiàng)目應(yīng)用領(lǐng)域息息相關(guān)。基本粒子由粒子源產(chǎn)生，換言之，粒子源就是基本粒子的母親，但粒子在產(chǎn)生時(shí)也存在隨機(jī)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程指的是在粒子系統(tǒng)模型之中融合物體的行為。

隨機(jī)性是粒子系統(tǒng)在進(jìn)行對(duì)象表示過(guò)程中的突出特征，因此，粒子隨機(jī)過(guò)程能夠控制管控粒子參數(shù)，在粒子從出現(xiàn)到消失的全過(guò)程中，時(shí)間函數(shù)是其主要的屬性，這表明隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性是粒子產(chǎn)生的特點(diǎn)。

粒子系統(tǒng)由兩部分組成，第一個(gè)組成部分為獨(dú)立粒子系統(tǒng)，這一部分對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了揭示，系統(tǒng)之中的粒子呈現(xiàn)出獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，通常情況下，不會(huì)影響彼此的運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)組成部分是渦合粒子系統(tǒng)，這一部分與粒子結(jié)構(gòu)存在密切的關(guān)聯(lián)，與粒子系統(tǒng)的聯(lián)系并未切斷，這樣一來(lái)，就使仿真效果更具真實(shí)性。全體粒子會(huì)將一定的規(guī)定作為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)整體，簡(jiǎn)言之，就是完成對(duì)模擬對(duì)象的模擬。與針對(duì)表面模擬這種傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比而言，粒子系統(tǒng)在模擬時(shí)，可以取得更加顯著的效果。究其原因，主要是粒子屬于原子單位，擁有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，故在相同的幀循環(huán)內(nèi)，通過(guò)粒子進(jìn)行系統(tǒng)建模，可以處理海量的單元，從而獲得復(fù)雜程度更高的圖像。此外，工作人員還可以調(diào)節(jié)粒子系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，以滿足多元化的建模需求。

3粒子系統(tǒng)在飛機(jī)火災(zāi)消防視景仿真中的應(yīng)用

3.1消防視景仿真總體方案

飛機(jī)火災(zāi)消防視景仿真的實(shí)現(xiàn)軟件為Vega，該軟件自帶特效模塊，可模擬創(chuàng)建火災(zāi)中的煙霧、火焰等元素，共包含13種特效，如Explosion、Custom等。除Custom外，其他特效均可通過(guò)參數(shù)調(diào)整來(lái)顯示出不同的效果。而Custom為自定義特效模塊，其以粒子系統(tǒng)為基礎(chǔ)。飛機(jī)火災(zāi)消防場(chǎng)景中，火焰元素可通過(guò)Flame進(jìn)行設(shè)構(gòu)建，煙霧元素可通過(guò)Smoke進(jìn)行構(gòu)建，以上模塊均具備單獨(dú)的開(kāi)閉、調(diào)整功能，對(duì)元素進(jìn)行精準(zhǔn)控制。消防車(chē)輛、滅火器等景象的動(dòng)態(tài)化程度較高，一般使用Custom模塊實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)粒子速度適量對(duì)滅火劑的流量進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)方向與速度相同，并將重力矢量設(shè)置為G（0，0，1）時(shí)，粒子呈現(xiàn)為向下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，觀察其狀態(tài)可獲取粒子流體的大致運(yùn)動(dòng)軌跡，過(guò)程中，重力加速度由Z值決定。調(diào)整粒子隨時(shí)間的變化程度及隨機(jī)速度，即可使粒子流體更加貼合滅火劑軌跡的真實(shí)狀態(tài)。

3.2消防視景仿真控制算法

飛機(jī)消防視景仿真涉及4個(gè)坐標(biāo)系，分別為地面坐標(biāo)系、車(chē)體坐標(biāo)系、消防炮基座坐標(biāo)系和消防炮朝向坐標(biāo)系，可將消防系統(tǒng)中各模塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以坐標(biāo)值的方式表示。

消防炮運(yùn)行時(shí)，將泡沫粒子的起始點(diǎn)設(shè)置在炮口處，粒子起始點(diǎn)隨車(chē)輛及消防炮運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變動(dòng)而更新。泡沫噴射帶有既定初始速度，在粒子系統(tǒng)中，以速度向量的方式表示，當(dāng)消防車(chē)的位置、姿態(tài)、速度及消防炮的仰角、位置等發(fā)生變化時(shí)，坐標(biāo)系中呈現(xiàn)的初始速度向量也不斷發(fā)生變化，觀察消防視景系統(tǒng)速度向量，即可獲取消防車(chē)輛運(yùn)動(dòng)及消防炮朝向與泡沫粒子噴射速度間的影響關(guān)系。

泡沫是否能順利被噴射至飛機(jī)起火點(diǎn)，需通過(guò)碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。Vega軟件帶有碰撞檢驗(yàn)及交叉測(cè)試兩個(gè)功能模塊，設(shè)置飛機(jī)起火點(diǎn)的Isector及Volume、泡沫的Isector CIass后，起火點(diǎn)的Isector即可自動(dòng)檢測(cè)泡沫粒子，以完成泡沫滅火檢測(cè)。消防視景仿真系統(tǒng)結(jié)合飛機(jī)火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn)及規(guī)律，可依照時(shí)間維度調(diào)整煙氣狀態(tài)。例如，當(dāng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)因壓縮機(jī)葉片漏油而導(dǎo)致起火時(shí)，若消防救援不及時(shí)，會(huì)進(jìn)一步引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪尾部起火，隨著火勢(shì)的蔓延，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部其他零件及外殼均會(huì)發(fā)展為火區(qū)，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。在視景仿真系統(tǒng)中，需在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)位置設(shè)置火災(zāi)煙氣特效發(fā)射源，利用程序控制不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)射源的狀態(tài)，以對(duì)煙氣進(jìn)行模擬。在進(jìn)行滅火時(shí)，根據(jù)泡沫噴射時(shí)間可大致計(jì)算噴射量，進(jìn)而確定火災(zāi)是否被撲滅。機(jī)場(chǎng)消防車(chē)消防炮的噴射速度較高，一般情況下3min之內(nèi)即可將全部泡沫噴射完畢。設(shè)消防車(chē)全部泡沫噴射完畢的時(shí)間為T(mén)p，泡沫接觸起火點(diǎn)至火災(zāi)熄滅的時(shí)間為T(mén)m，給出如下控制算法：首先，依照飛機(jī)火災(zāi)模擬情況，驅(qū)動(dòng)煙火特效發(fā)展過(guò)程，以此模擬飛機(jī)火災(zāi)發(fā)生狀況及其發(fā)展過(guò)程。其次，若消防車(chē)消防炮泡沫噴射的控制變量無(wú)效，則重復(fù)上一步驟，否則，計(jì)算泡沫粒子系統(tǒng)中發(fā)射源的位置和速度向量，完成泡沫粒子系統(tǒng)發(fā)射源位置及速度向量設(shè)置。若消防炮泡沫粒子系統(tǒng)未開(kāi)啟，則設(shè)置噴射時(shí)間為T(mén)p，同時(shí)開(kāi)啟泡沫粒子系統(tǒng)。再次，若在點(diǎn)火處的碰撞檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)泡沫粒子，則將煙火持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)為泡沫滅火時(shí)間，為T(mén)m。最后，若泡沫粒子系統(tǒng)關(guān)閉后，起火點(diǎn)煙火仍處于開(kāi)啟狀態(tài)，則依照火災(zāi)發(fā)生過(guò)程對(duì)煙火持續(xù)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

3.3消防視景仿真系統(tǒng)驗(yàn)證

利用以上設(shè)計(jì)方案配合Veqa軟件對(duì)飛機(jī)火災(zāi)進(jìn)行消防滅火實(shí)景模擬。茌系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)火焰粒子源及煙氣粒子源，以更加貼近飛機(jī)火災(zāi)的真實(shí)情況及發(fā)展過(guò)程。從消防炮泡沫噴射場(chǎng)景圖判斷，泡沫粒子參數(shù)設(shè)置適當(dāng)，最終的仿真場(chǎng)景逼真程度較高。計(jì)算泡沫粒子源的位置，可得到較準(zhǔn)確的滅火劑發(fā)射點(diǎn)信息，基本滿足機(jī)場(chǎng)消防車(chē)輛模擬駕駛訓(xùn)練要求。

經(jīng)驗(yàn)證，該模擬系統(tǒng)飛機(jī)火災(zāi)消防視景仿真效果優(yōu)良，控制算法運(yùn)行順暢、可靠，可被應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)消防車(chē)輛駕駛訓(xùn)練、消防模擬演練等領(lǐng)域。

4結(jié)語(yǔ)

粒子系統(tǒng)對(duì)于模擬自然場(chǎng)景具有顯著優(yōu)勢(shì)，借助粒子系統(tǒng)可以完成對(duì)飛機(jī)滅火器噴射及火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)消防車(chē)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)相關(guān)向量計(jì)算公式，整合應(yīng)用需求設(shè)計(jì)消防場(chǎng)景控制算法。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，此系統(tǒng)能夠真實(shí)地模擬飛機(jī)火災(zāi)與滅火的情境，突出了控制算法的實(shí)時(shí)性與可靠性，為機(jī)場(chǎng)消防車(chē)中駕駛訓(xùn)練模擬器提供了廣闊的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

陳木靈，女，漢族，海南文昌人，本科在讀于吉林動(dòng)畫(huà)學(xué)院，研究方向?yàn)橛螒蛱匦А?/p>