三維樓宇應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)研究*

胡 同 ，萬 遠 *，賀 彪 ，楊 彪

（1.自然資源部城市國土資源監(jiān)測與仿真重點實驗室，廣東 深圳 518034；2.湖北師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 黃石 435002；3.深圳大學(xué)智慧城市研究院，廣東 深圳 518061）

隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已成為虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時現(xiàn)代建筑的設(shè)計越來越復(fù)雜化、大型化，大型的公共建筑如商場、綜合樓、科教中心等也在急劇增加。大型公共建筑人口密集，結(jié)構(gòu)多樣，功能復(fù)雜。在發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害（如地震、煤氣泄漏等）時，由于缺乏有效的疏散指導(dǎo)和恐慌性的心理疏導(dǎo)，疏散效果不佳。一方面，大型公共建筑通常有較大的內(nèi)部面積，其通道設(shè)置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，電力超載容易造成火災(zāi)；另一方面，大型建筑中的煙火源分布范圍廣，容易在電梯井、排氣管等產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的迅速發(fā)展和在火災(zāi)疏散通道建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，將GIS 與建筑空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以為應(yīng)急人員和規(guī)劃師提供足夠的室內(nèi)信息，為消防人員提供安全、可靠的消防疏散通道減少路由不確定性和促進室內(nèi)災(zāi)害有效規(guī)劃的環(huán)境。

1 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

為實現(xiàn)三維場景搭建、基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊等功能的集成，系統(tǒng)主要采取三層架構(gòu)模式包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層通過數(shù)據(jù)庫函數(shù)、存儲過程和觸發(fā)器等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的存儲和維護；服務(wù)層根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯需求，供應(yīng)用層調(diào)用，實現(xiàn)專題查詢后臺服務(wù)、統(tǒng)計分析后臺服務(wù)等；應(yīng)用層根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行功能模塊的劃分和界面設(shè)計，并在調(diào)用服務(wù)層服務(wù)的基礎(chǔ)上完成各項前端功能的開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)樓宇應(yīng)急實際現(xiàn)狀與需求設(shè)計系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1。

其中數(shù)據(jù)支持層集成了GIS 平臺，3D 渲染接口和各類外部聲音、硬件數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)；應(yīng)用層根據(jù)應(yīng)急實際場景開發(fā)相應(yīng)基礎(chǔ)模塊，本系統(tǒng)應(yīng)用與三維樓宇應(yīng)急疏散環(huán)境開發(fā)具有基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、系統(tǒng)拓展相關(guān)模塊。其中應(yīng)急疏散為本系統(tǒng)核心功能。

2 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

主要有如下模塊控制：基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理模塊、拓展接口模塊。相關(guān)關(guān)系如圖2。

圖3 系統(tǒng)登陸界面

系統(tǒng)主要分為四大功能模塊：基本功能模塊、應(yīng)急疏散模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、拓展接口模塊。其中基本功能模塊包括場景的漫游、優(yōu)化、測量、查詢等；應(yīng)急疏散模塊是該系統(tǒng)核心模塊，主要有火災(zāi)模擬、應(yīng)急疏散、實戰(zhàn)演練、應(yīng)急救援等功能；數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊主要對疏散人員的人數(shù)、時間和速度進行統(tǒng)計分析；拓展接口模塊支持外部接口的接入，集成包括火警傳感器、空氣質(zhì)量傳感器（揚塵、有害氣體、PM2.5 等）、溫度傳感器等、便攜室內(nèi)定位數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的集成與串聯(lián)，為以后的發(fā)展規(guī)劃預(yù)留接口，為未來實現(xiàn)對建筑的信息化管理提供基礎(chǔ)平臺。

2.2 系統(tǒng)登陸界面設(shè)計

系統(tǒng)具有統(tǒng)一的用戶登陸界面，對用戶身份進行確認(rèn)，已分配對預(yù)案和訓(xùn)練的修改、查詢。如圖3，系統(tǒng)登陸界面。

3 三維樓宇應(yīng)急疏散系統(tǒng)功能模塊

3.1 基本功能模塊

3.1.1 三維動態(tài)場景漫游

系統(tǒng)可以支持以第一人稱或第三人稱在場景中漫游，同時模擬行人正常的行走速度和上下樓速度可在三維場景中展示；同時可進行典型建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等物體的三維動態(tài)展示，并可在該場景中從多角度、多方式對其進行觀察。

3.1.2 系統(tǒng)場景優(yōu)化

系統(tǒng)場景優(yōu)化功能包含豐富的天氣展示效果、陰影效果、天際效果，采用實時動態(tài)光照、延遲光照、動態(tài)軟陰影實現(xiàn)二次光照與反射等特效；通過時間滑塊可模擬動態(tài)光影效果，對場景進行24 小時實時光影變換與渲染，可帶給用戶身臨其境，增加體驗感。

為應(yīng)對三維火災(zāi)應(yīng)急疏散模擬，系統(tǒng)可模擬各種粒子效果，包括煙霧、火焰、風(fēng)向、音效等，實時動態(tài)規(guī)劃疏散路徑，實現(xiàn)火災(zāi)模擬演練。如圖4、圖5 在火災(zāi)模擬仿真中，可實時監(jiān)測火焰大小，風(fēng)向等，以引導(dǎo)疏散人群的疏散方向。

3.1.3 屬性查詢

通過關(guān)鍵詞搜索或者在場景中點擊相關(guān)對象，可查看其屬性信息，通過調(diào)用基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和地理信息數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)更新與應(yīng)急預(yù)案實時推演。通過在系統(tǒng)場景內(nèi)點擊相關(guān)元素，可查詢其基本信息（消防栓ID 型號、生產(chǎn)廠家等）。

3.1.4 三維實景測量

系統(tǒng)支持場景內(nèi)拾取點進行距離測算，同時可根據(jù)需要選擇面積測算等；在火災(zāi)仿真模擬過程中，疏散路徑的距離不同直接影響疏散效率和人員安全，實景測量功能實現(xiàn)火災(zāi)疏散路徑的最優(yōu)規(guī)劃。

圖4 光影變化1

圖5 光影變化2

3.2 應(yīng)急模擬模塊

3.2.1 火災(zāi)模擬功能

火災(zāi)模擬只能由主機觸發(fā)。所有在網(wǎng)內(nèi)的客戶端都會接收信息，開始火災(zāi)疏散演練。會觸發(fā)所有在網(wǎng)內(nèi)的客戶端的場景發(fā)生火災(zāi)，繪制標(biāo)示各種出入口，樓層疏散箭頭，以及報警聲，疏散集合點標(biāo)記等等?；馂?zāi)效果會以粒子效果在場景中出現(xiàn)，并產(chǎn)生煙霧粒子。

3.2.2 應(yīng)急疏散功能

通過傳感器組網(wǎng)，監(jiān)測的火源信息反饋到應(yīng)急仿真系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)通過服務(wù)器返回火災(zāi)信息做出疏散計劃決策，進行人員疏散。同時根據(jù)火災(zāi)點的不同和起火原因的差異性，做出不同的應(yīng)急疏散計劃，對應(yīng)在不同的區(qū)域的人員會有不同的疏散路徑的顯示。系統(tǒng)可模擬人群疏散行為進行模擬疏散，更真實的反映疏散實際情景。

3.2.3 實戰(zhàn)演練模擬

演練創(chuàng)建出一個具體的場景，受訓(xùn)者選擇不同的角色進入訓(xùn)練，包括：群眾工作人員、119 接警人員、指揮、單兵等，不同的角色具有不同的視角和任務(wù)；用于超高層建筑火災(zāi)應(yīng)急救援演練，從而提高消防信息化管理水平和消防員滅火作戰(zhàn)能力，最大限度地減少火災(zāi)造成的損失。

在正對樓宇火災(zāi)應(yīng)急演練的同時，系統(tǒng)可針對實際情況，觸發(fā)應(yīng)急救援模塊，進行火災(zāi)應(yīng)急事件處置；在判斷火情基本情況下，具體給出解決方案并進行可視化模擬，并且直觀展示效果。在發(fā)生火災(zāi)情況下，系統(tǒng)給出關(guān)閉閥門及電閘，減少次生災(zāi)害的指示，系統(tǒng)可進行AI 模擬，可選擇以第一人稱或第三人稱進行任務(wù)執(zhí)行。

3.2.4 應(yīng)急資源調(diào)配

在做出應(yīng)急指示后，系統(tǒng)根據(jù)實際情況推演出相關(guān)應(yīng)急資源的分布情況并進行可視化展示，用戶不僅僅可以查詢相關(guān)資源屬性情況，還能對其發(fā)送指令進行任務(wù)分派，對消防栓進行滅火指令，同時還能控制出水量，出水方向以及用水量和存儲水量的統(tǒng)計。同時還能進行火災(zāi)應(yīng)急車輛的調(diào)度和部署。系統(tǒng)可根據(jù)起火點的具體情況，分派最近的消防車輛進行應(yīng)急救援，對相關(guān)的消防應(yīng)急車道進行騰空處理有利于車輛快速通行。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理模塊

在聯(lián)機進行演練時，會統(tǒng)計每個演練人員疏散到達集合點的時間。并在列表中顯示出來。會在局域網(wǎng)中，看到每個人的疏散時間。

3.4 系統(tǒng)拓展功能

基于三維建設(shè)規(guī)劃平臺，采用經(jīng)典系統(tǒng)三層架構(gòu)模式，數(shù)據(jù)可集成到未來的三維大數(shù)據(jù)平臺中，為后續(xù)智能建筑建設(shè)、應(yīng)急管理、公共安全等信息化項目建設(shè)所復(fù)用，以及為后續(xù)開發(fā)提供了二次開發(fā)。有望通過GPS/GNSS 技術(shù)實現(xiàn)人員車輛進行三角定位分析、人型軌跡分析等。

4 結(jié)束語

三維樓宇應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)已成功在天津樓宇應(yīng)急等領(lǐng)域投入使用，有效防止了火災(zāi)等帶來的危害，為有效地開展城市災(zāi)害事件虛擬演練和應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)驗證和決策支持，也可為提高應(yīng)急水平提供有益的參考。