基于虛擬現實消防應急系統的研究

宋開功，馬利英，張榮芳，盧壽麗（山東協和學院 機電工程學院，山東 濟南　250107）

基于虛擬現實消防應急系統的研究

宋開功，馬利英，張榮芳，盧壽麗
（山東協和學院 機電工程學院，山東 濟南250107）

借助動漫和虛擬現實技術，針對與消防應急預案相關的全過程展開研究，為應急預案的制定、管理、災情重現、逃生演習、救災訓練、救護設備的性能等各個方面，提供基于實際三維場景的、3D建模等完整的計算機輔助支持手段。

虛擬現實；消防應急；3D建模

0　引言

火災是現代社會中發生頻率較高、災害損失較大的一種災害，救災過程牽扯面廣、救災設備種類多、操作復雜，是突發災害的典型代表，也是城市安全和企業安全生產中的防范重點。本系統將以火災的應急預案為重點，選擇有代表性的消防重點單位，采用虛擬現實技術，將消防重點單位的建筑及內部結構、周邊環境、設施、道路等完整、真實的構建出來，并實現三維場景與使用者之間的互動；結合動漫技術，建立各種人物角色、消防設備、消防圖標、典型建筑及消防設施、火苗火勢等三維模型庫；結合數據庫技術，建立消防重點單位的信息庫、消防隊信息庫（包括人員組成、分工，消防設備的種類、數量、性能及使用和維護信息，不同危險源的特點、危害及特定滅火規范等）；系統還提供基于網絡的信息檢索、分類和收集功能。

1　系統整體方案

以Windows XP操作系統為運行平臺，基于 Visual C++平臺和專業實時視景仿真開發工具Virtools開發實現。采用客戶機/服務器（Client/Server）總體框架。其中，服務器負責管理和維護場景的一致性、用戶的注冊，同時監聽客戶端的連接請求和響應連接。客戶端負責場景的顯示和更新，客戶端和服務器端的連接由通信部件來實現。服務器通過基于TCP/IP協議的 WinSocket機制與每個客戶機相連結。

本系統由10個模塊組成，如圖1所示，其中包括8個主要功能模塊和2個輔助功能模塊。8個主要功能模塊為：三維模型庫、環境仿真模塊、預案模擬與決策指揮模塊、信息庫、監控系統集成模塊、消防器材教學模擬模塊、消防知識普及及教育模塊及綜合查詢模塊；2個輔助功能模塊為系統維護模塊、幫助模塊。

圖1　系統框架圖Fig.1 System frame diagram

2　系統實現

（1）整個系統的數據、信息流通過程，如圖2所示。

（2）通信實現過程。系統采用了客戶機/服務器（Client/Server）的總體框架。服務器通過基于TCP/IP協議的 WinSocket機制與每個客戶機相連接。同時采用激光傳感器模擬煙霧傳感器，傳感器通過串口通信將著火信息傳遞給服務器，服務器接收到信息后，又將著火信息分別傳遞給客戶端。客戶端接收到命令后，由總指揮下達預案模擬方案，各個角色開始按照預案模擬方案進行滅火、搜救等。同時，多人在線聊天功能是通過客戶端將聊天內容傳遞給服務器，由服務器傳遞給其他的各個客戶端的方式完成的。

圖2　數據、信息流通過程Fig.2 The process of data and information circulation

總指揮角色的客戶端還配備視頻監控設備。根據傳感器監測到的著火位置，將其對應的視頻監控畫面顯示在總指揮客戶機屏幕的右上角，監控畫面可以通過鼠標左鍵點擊監控圖標進行顯示或隱藏。服務器可以查詢數據庫，負責管理和維護場景的一致性，用戶的注冊等；每個客戶端可以查詢數據庫和模型庫，進行信息查詢與模型調用。

（3）接口。LoadVTWindow（）和VT_ObjectLoader（CKSTRING fname，CKSTRING mastername，CK_CLASSID cid =CKCID_CHARACTER）是模型的加載調用過程中用到的最主要的兩個函數；傳感器監控設備主要通過RS232串口，實現與軟件系統的通信。

通過調用Virtools的VideoPlayer BB行為交互模塊，實現對視頻監控設備的開啟、關閉以及對著火現場的實時監控。

（4）交互技術。系統主要應用Virtools軟件完成模型的交互。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件，可以制作出許多不同用途的3D產品，如網際網絡、計算機游戲、多媒體、教育訓練、仿真與產品展示等 。Virtools可以利用拖放的方式，將行為交互模塊（Building Blocks簡稱BB）賦予在適當的Object（對象）或是Character（虛擬角色）上，以流程圖的方式，決定BB行為交互模塊的前后處理順序，從而實現可視化的交互腳本設計，逐漸編輯成一個完整的交互式虛擬世界。Virtools擁有超過450個以上的BB行為交互模塊可供應用，經編輯后的互動模塊組合使用，可以組成一個具有解決某項功能或者應用nms格式的單一交互模塊，以方便重復使用、編輯。Virtools除了可以編譯成單機運行的可執行文件外，最大的特色在于Virtools同樣可以將作品輸出成網絡瀏覽格式。Virtools制作具有沉浸感的虛擬環境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺。因此是一種新發展的、具有新含義的一種人機交互系統［1］。

以醫護人員角色為例，講述本系統中人機交互的實現方式。利用Keyboard模塊和Unlimited模塊實現鍵盤對醫護人員角色的動作控制。如人員的前進、后退、左轉、右轉、蹲下救護以及救護結束站起等。腳本控制圖如圖3，圖4所示。

圖3　腳本控制圖Fig.3 Control chart scripts

圖4　腳本控制圖Fig.4 Control chart scripts

（5）三維建模技術。本系統三維模型的建立主要是應用了3DsMax建模軟件。它是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。從它出現的那一天起，即受到了全世界無數三維動畫制作愛好者的熱情贊譽，3DsMax也不負眾望，屢屢在國際上獲得大獎。3DsMax已經被廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。當前，它已逐步成為在個人PC機上最優秀的三維動畫制作軟件［2］。

（6）動畫制作技術。本系統多次用到了動畫制作技術，如消防器材教學模擬模塊中滅火器的使用過程、消防知識普及及教育等。動畫制作的具體流程如圖5所示。

圖5　動畫制作流程Fig.5 The animation process

3　結論

本系統基于所建立的虛擬三維場景和三維模型庫，結合網絡技術和動漫技術，實現救援預案的三維重現、基于網絡的分布式應急預案協同演練、現場滅火方案的制定（包括逃生路線確定、滅火兵力、救護力量、保衛力量的布置）、救災過程重現。不僅可以用于應急預案的模擬、演練，還可用于消防訓練、教學培訓及消防知識普及教育，在功能的完整和全面上具有創新性。

［1］王龍江，荊旭，焦學健，等.基于虛擬現實技術的校園漫游系統 ［J］.山東理工大學學報 （自然科學版），2007，7.

［2］孫倩.基于3DS MAX的三維建模及其在Virtools環境中的應用［J］.中國科技信息，2008，12.

Research on the System of Fire Emergency Based on Virtools

SONG Kai-Gong，MA Li-Ying，ZHANG Rong-Fang，LU Shou-Li
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Xiehe University，Jinan Shandong 250107，China）

Based on anime and virtual reality technology，research the full process of fire emergency plans related，is used to the development，management，disaster reproduce，escape exercises，relief training，and ambulance equipment of performance of emergency plans，it provides full of computer secondary support means based on actual three dimensional scene of，and 3D built die．

virtual reality；fire emergency；3D modeling

TP391.9

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.033

1002-6673（2015）05-088-03

2015-07-13

宋開功（1982-），男，山東章丘人，研究生，講師。研究方向：機械設計及理論