Unity3D船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)滅火功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何雋 金志泉

摘 ?要： 針對(duì)船舶火災(zāi)成因的特殊性、消防訓(xùn)練的局限性和危險(xiǎn)性，構(gòu)建了船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)，供船員進(jìn)行安全有效的人機(jī)交互船舶滅火訓(xùn)練。系統(tǒng)采用3dsMax搭建船舶駕駛室、主機(jī)艙、住艙和滅火器等模型，使用Unity 3D引擎開發(fā)船舶虛擬消防訓(xùn)練軟件，粒子系統(tǒng)逼真模擬各種成因船舶火災(zāi)的發(fā)生和撲滅，利用C#語言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。結(jié)果表明，此虛擬系統(tǒng)基本概括了船舶上所有火災(zāi)類型，船員通過多次訓(xùn)練，可迅速做出判斷，有效撲滅火災(zāi)，在虛擬訓(xùn)練過程中做到了接近百分百安全。

關(guān)鍵詞： Unity 3D;船舶虛擬消防訓(xùn)練;火災(zāi)成因;粒子系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.010

本文著錄格式：何雋，金志泉. Unity 3D船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)滅火功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2019，40（5）：4752

【Abstract】： In view of the particularity of ship fire causes， the limitation and danger of fire training， a ship virtual fire training system is constructed for crew to carry out effective man-machine interactive fire fighting training. The system uses 3dsMax to build ship engine room， fire extinguisher and other models， and employs Unity 3D engine to develop ship virtual fire fighting training software. Particle system simulates the occurrence and extinguishing of ship fires of various causes， and the C# language is used to realize the human-computer interaction function. The results show that the virtual system basically summarizes all types of fire on ships. Through training， the crew can quickly make judgments and effectively extinguish the fire. It assures nearly 100% safety in the virtual training process.

【Key words】： Unity 3D; Virtual fire training for ships; Cause of fire; Particles system

0 ?引言

船舶火災(zāi)事故占到了海上船舶事故的11%，一旦發(fā)生會(huì)造成極大的損失和人員傷亡。船上的危險(xiǎn)源較多，火災(zāi)成因復(fù)雜，撲救難度大。因此，船員必須熟練消防程序，面對(duì)船舶火災(zāi)事故處變不驚，積極應(yīng)對(duì)。但目前在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行的船舶消防訓(xùn)練受到場(chǎng)地、資金和時(shí)間的局限，效果并不理想，還可能會(huì)出現(xiàn)裝備損失和人員傷亡的危險(xiǎn)狀況[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展正好為船舶火災(zāi)消防訓(xùn)練提供了一個(gè)方案，就是通過計(jì)算機(jī)營(yíng)建具有3I（沉浸性Immersion、交互性Interaction、想象性Imagination）特點(diǎn)的虛擬船舶環(huán)境和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)[2]，使船舶消防人員在近似實(shí)戰(zhàn)的逼真環(huán)境中進(jìn)行大量具有實(shí)效的模擬訓(xùn)練。上世紀(jì)七十年代起，美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)船舶火災(zāi)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開展了廣泛的研究[3-4]。國(guó)內(nèi)，各高校研究消防模擬已取得一定成果[5]，但很少涉及針對(duì)不同類型火災(zāi)的形成和撲滅機(jī)制。

本系統(tǒng)采用被廣泛運(yùn)用于游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)[6]，并具有兼容操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)發(fā)布并部署、人機(jī)交互功能強(qiáng)大等特點(diǎn)的Unity 3D三維游戲引擎進(jìn)行開發(fā)[7]，從研究船舶火災(zāi)成因出發(fā)，用粒子系統(tǒng)模擬各種不同類型的火焰，選用針對(duì)性的設(shè)備有效撲滅火災(zāi)，從而實(shí)現(xiàn)安全有效的船舶虛擬消防訓(xùn)練。

1 ?船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)功能分析

船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)分為全船漫游、消防設(shè)備選擇和消防訓(xùn)練3個(gè)部分。全船漫游通過操作控制虛擬消防人員行走，熟悉船舶的各個(gè)區(qū)域的過程。消防設(shè)備選擇使用是對(duì)多種消防設(shè)備器材的功能理解，以及對(duì)其操作程序的熟練。消防訓(xùn)練則包含了偵查火災(zāi)情況、選取適合滅火的設(shè)備、使用相應(yīng)設(shè)備滅火操作，以及在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)滅火的同時(shí)，拾獲重要資料和救援生命體對(duì)象等。船舶虛擬消防訓(xùn)練所在的區(qū)域有住艙、廚房、主機(jī)艙、機(jī)房和駕駛室等。這些都是在系統(tǒng)中火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)，并且每次任務(wù)啟動(dòng)后，都會(huì)根據(jù)實(shí)際情況在相關(guān)地點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生2-3個(gè)不同的火災(zāi)情況，等待消防人員進(jìn)行決策。雖然這些區(qū)域布局不同，火災(zāi)成因不同，使設(shè)備選取和滅火過程有所區(qū)別，但是消防訓(xùn)練的流程基本上是通用的：任務(wù)提示→災(zāi)害偵查→設(shè)備選取→滅火操作→滅火成功，如下圖1所示：

1.2 ?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

以中國(guó)第三代航天遠(yuǎn)洋測(cè)量船遠(yuǎn)望7號(hào)的外形，使用3dsMax軟件建立三維模型。同時(shí)建立三維消防人員模型，進(jìn)行骨骼綁定和行走動(dòng)畫制作，再搭建出住艙、廚房、主機(jī)艙、機(jī)房和駕駛室等三維實(shí)體模型，制作消防設(shè)備三維模型。利用Unity 3D軟件，構(gòu)造船舶的三維虛擬場(chǎng)景。利用C#語言的功能，提供交互功能，通過鼠標(biāo)和鍵盤，用代碼實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員控制虛擬消防人員漫游整個(gè)船體，熟悉消防場(chǎng)景，到特定區(qū)域獲取消防設(shè)備，學(xué)習(xí)針對(duì)不同火災(zāi)成因，使用不同的消防設(shè)備及相關(guān)操作方法。

船舶火災(zāi)從形成原因和燃燒物的不同來區(qū)分，主要有以下幾個(gè)類型。用于船舶機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑油屬于易燃、可燃液體，噴滴在船上機(jī)器的蒸汽管、排氣管或者鍋爐外殼等熱表面，可形成液體火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱液體火），另外還有燃油泄露或廢油滴漏等情況形成的火災(zāi)也屬于此類。如有金屬互相撞擊摩擦產(chǎn)生的火星，遇到石油氣體或者其他可燃性氣體發(fā)生的火災(zāi)等稱為氣體火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱氣體火），容易發(fā)生爆炸。機(jī)艙內(nèi)存在大量的電器設(shè)備，屬于帶電物體和精密儀器，如發(fā)生線路短路、電線老化或電機(jī)過載過熱等情況，引起電器設(shè)備著火，稱為電器火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱電器火）。易燃固體物品，如木屑、紙張、衣物等，遇到火星燃燒或者沾染油污后通風(fēng)不良自燃等情況，則是固體火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱固體火）。還有一些可燃金屬，如鉀、鈉、鎂燃燒形成的火，稱為金屬火災(zāi)（以下簡(jiǎn)稱金屬火）。船舶火災(zāi)因?yàn)榇撦d荷集中，散熱困難，并且容易蔓延，因此要在火災(zāi)發(fā)生時(shí)及時(shí)查明火災(zāi)類型，準(zhǔn)確快速選擇對(duì)應(yīng)的消防設(shè)備，盡快開展滅火行動(dòng)。其中，最重要的是對(duì)滅火器消進(jìn)行合理選擇，規(guī)范使用。滅火器的使用規(guī)程見表1。

除了滅火器，當(dāng)然還要配合使用其他設(shè)備。如消防戰(zhàn)斗服，可用來在滅火過程中對(duì)軀干、手臂和腿進(jìn)行熱防護(hù);呼吸器在充滿濃煙和毒氣的環(huán)境下可提供給消防人員充足的氧氣;測(cè)溫儀，可對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)周圍溫度進(jìn)行精確測(cè)量;消防斧則切斷蔓延的火勢(shì)，或劈開變形的門窗;消防水管和水槍可以用來撲救已經(jīng)蔓延的火勢(shì)。

對(duì)應(yīng)選擇的消防設(shè)備進(jìn)行滅火的過程中，系統(tǒng)UI界面會(huì)給出相關(guān)提示正確或者指出錯(cuò)誤的功能，引導(dǎo)受訓(xùn)者作出正確的判斷，在虛擬系統(tǒng)中完成相應(yīng)的消防任務(wù)。

2 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在本消防訓(xùn)練系統(tǒng)中，包含多個(gè)艙室、多種成因的火災(zāi)，使用的消防滅火設(shè)備也不盡相同。由于篇幅限制，在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的介紹中，重點(diǎn)以氣體火災(zāi)的為例，闡述氣體火焰粒子和二氧化碳噴霧粒子的模擬，及操作二·氧化碳滅火器滅火的過程。

2.1 ?場(chǎng)景搭建和滅火器制作

場(chǎng)景是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，整個(gè)船體作為主場(chǎng)景，然后選擇主機(jī)艙作為模擬氣體火災(zāi)發(fā)生的次場(chǎng)景。首先使用3dsMax按照比例完成主機(jī)艙內(nèi)部三維模型和干粉滅火器模型[8]。干粉滅火器的罐體主要是采用圓柱體，轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，將圓柱頂端作為選擇面，插入5 mm，擠出15 mm，再次插入插入2 mm，選擇中心面擠出，擠出120 mm，即可形成罐口。罐子肩部和底角部分，可全選圓柱邊線，右鍵選擇邊面切角，點(diǎn)擊第二行，連接邊分段選擇5即可完成圓滑的效果。罐體肩頸底部及切角屬性見圖2所示。其他部分類似，不再贅述。

接下來按照真實(shí)機(jī)艙和滅火器照片制作貼圖，再渲染得到具有貼圖的三維模型，最后導(dǎo)入到場(chǎng)景中準(zhǔn)備進(jìn)行交互。將干粉滅火器設(shè)備放到場(chǎng)景中，并適當(dāng)調(diào)整滅火器大小以便使用，如圖3所示。

2.2 ?粒子特效實(shí)現(xiàn)

粒子系統(tǒng)最先由Reeves WT[9]在1983年提出，是至今最成功地模擬不規(guī)則物體的算法之一，可以較好地還原火焰、煙霧、水汽、爆炸、水流等自然現(xiàn)象[10-11]。粒子系統(tǒng)中的粒子具有形狀、大小、顏色、透明度、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和生命周期等屬性，可以模擬隨時(shí)間不斷產(chǎn)生、生長(zhǎng)和消亡的動(dòng)態(tài)的粒子效果，如火焰、煙霧和云霧等。

2.2.1 ?火焰特效

火災(zāi)的本質(zhì)是燃燒，是由燃料著火形成的，方式可以分為自著火和強(qiáng)迫著火[12]。在主機(jī)艙場(chǎng)景中，發(fā)生可燃性氣體如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、氫氣等泄露，遇到金屬摩擦撞擊產(chǎn)生的火星，就可能生成氣體火，屬于強(qiáng)迫著火。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的火焰特效主要是表現(xiàn)著火后，氣體火焰的外在表征。但是氣體火焰形狀和分布及其不規(guī)則，形式變化多端，不能用常規(guī)的幾何模型來進(jìn)行模擬。而Unity自帶的粒子系統(tǒng)可以比較好地描述這種可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣混合后迅速轉(zhuǎn)化為燃燒產(chǎn)物的化學(xué)過程，及過程中出現(xiàn)的可見光和煙霧等的物理表現(xiàn)，并著重表現(xiàn)后者。

首先模擬真實(shí)的氣體火焰可見光，先創(chuàng)建粒子系統(tǒng)。其次調(diào)整粒子系統(tǒng)面板中的基本模塊，調(diào)整模塊中的初始生命周期（Start Lifetime）參數(shù)[13]為2.21，讓粒子產(chǎn)生的多一點(diǎn)，調(diào)整初始尺寸（Start Size）參數(shù)為3.97，讓粒子的尺寸大一些，調(diào)整初始速度（Start Speed）參數(shù)為4.79，讓粒子運(yùn)行的速度小一點(diǎn)，形成氣體火焰可見光的湍流現(xiàn)象。然后找一個(gè)火焰圖案的貼圖，，背景是純黑的或者透明，在Render模塊中的Material中把貼圖形成的材質(zhì)球拖上去，并勾選（Color over Lifetime）在顏色中調(diào)整漸變色，為紅->黃->紅，最后一個(gè)紅色調(diào)整一下透明度。當(dāng)火焰粒子達(dá)到一定規(guī)模后會(huì)出現(xiàn)煙霧，煙霧粒子的模擬對(duì)于整體火焰粒子特效的表現(xiàn)是起到畫龍點(diǎn)睛的作用的。模擬煙霧的特效與火焰可見光特效不同點(diǎn)是煙霧的位置和煙霧的顏色，煙霧不像火焰可見光是從可燃?xì)怏w的根部開始出現(xiàn)的，一般會(huì)把煙霧粒子初始化的位置放在火焰可見光位置的三分之一處[14]，這樣模擬出來的粒子特效更加逼真，使得整體效果更加接近真實(shí)情況，模擬過程見圖4所示。

2.2.2 ?噴霧特效

噴霧特效主要表現(xiàn)的是二氧化碳滅火器噴射液態(tài)二氧化碳粒子的特效。和火焰相比，噴霧特效的制作過程與前者有異同點(diǎn)。不同在于，氣體火焰粒子發(fā)射的方向是向上的，而滅火器的使用，應(yīng)該是站在上風(fēng)口對(duì)著下風(fēng)口噴射，也就是說二氧化碳從滅火器中噴出的方向是向前的;且噴射距離為2米，受到重力影響，實(shí)際方向是略向下，噴射盡頭呈拋物線狀。相同的是，創(chuàng)建粒子系統(tǒng)后，也需要調(diào)整粒子系統(tǒng)面板上的初始生命周期（Start Lifetime）、初始尺寸（Start Size）和初始速度（Start Speed）這三個(gè)參數(shù)。所以，先調(diào)整噴霧粒子的發(fā)射方向，然后再調(diào)整其基本模塊參數(shù)。

本系統(tǒng)研究的二氧化碳滅火器的滅火原理是隔絕氧氣和冷卻降溫，二氧化碳滅火的主要作用是沖淡氧，降低空氣中氧濃度。同時(shí)液態(tài)二氧化碳從鋼瓶釋放出來，壓力突然降低，迅速吸熱蒸發(fā)，覆蓋在燃燒物上的干冰氣體，也起到一定的冷卻作用，從而達(dá)到滅火的目的。因此，在二氧化碳噴霧特效的表現(xiàn)上還需要加上煙霧效果，具體效果見圖5所示。

2.3 ?交互實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)的操作者和系統(tǒng)中的虛擬物品之間建立起聯(lián)系稱之為人機(jī)交互，是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)在虛擬船舶的機(jī)艙中觀察火災(zāi)原因，并使用相應(yīng)的滅火設(shè)備進(jìn)行滅火的過程。這里討論的是用二氧化碳滅火器對(duì)氣體火的撲滅，根據(jù)使用規(guī)程，當(dāng)手持滅火器到達(dá)火災(zāi)附近2米的位置，應(yīng)該先拔出保險(xiǎn)銷，將噴霧對(duì)準(zhǔn)火源根部噴射，直到火苗熄滅，滅火任務(wù)完成。

2.3.1 ?拔出保險(xiǎn)銷

首先建立一個(gè)空對(duì)象用來存放代碼，保險(xiǎn)銷在滅火的過程中是很重要的一環(huán)，只有拔出后，才能按下壓手瓣，拔出保險(xiǎn)銷可用移動(dòng)游戲?qū)ο蟮暮瘮?shù)transform.Translate（vector3 offset）來實(shí)現(xiàn)[15]。拔出保險(xiǎn)銷的前提是獲取保險(xiǎn)銷，定義一個(gè)游戲?qū)ο笥胮ublic反射出去，把保險(xiǎn)模型銷拖拽上去，然后用GameObject .Find（）獲取到它的名稱，再用移動(dòng)函數(shù)transform.Translate（）調(diào)整保險(xiǎn)銷模型的移動(dòng)速度。新建一個(gè)cube讓來讓保險(xiǎn)銷移動(dòng)到cube的位置上，因?yàn)樵谔摂M仿真的場(chǎng)景中拔出保險(xiǎn)銷動(dòng)作中，如果讓保險(xiǎn)銷直接消失會(huì)產(chǎn)生突兀并且不真實(shí)感，所以建立一個(gè)cube放在場(chǎng)景中會(huì)使拔出保險(xiǎn)銷的過程更加真實(shí)，讓保險(xiǎn)銷移動(dòng)的位置與cube相同，代碼設(shè)計(jì)如下：

void Update （） {

if （Input.GetMouseButtonDown （1）） {

cub1.transform.position = tb.transform. position;

}

}

再單擊鼠標(biāo)右鍵，使保險(xiǎn)銷移動(dòng)的位置與cube的位置一致。另外，cube放在場(chǎng)景中會(huì)影響美觀，因此將它隱藏。

2.3.2 ?發(fā)射噴霧

在滅火設(shè)備使用規(guī)范中，噴霧必須對(duì)準(zhǔn)火源根部噴射，在Unity中就是噴霧粒子移動(dòng)，與火焰粒子發(fā)生碰撞，可使用移動(dòng)游戲?qū)ο蟮暮瘮?shù)transform. Translate（vector3 offset）來對(duì)噴霧粒子做移動(dòng)，建立C#腳本掛在在噴霧粒子對(duì)象上。

在默認(rèn)情況下，拔出保險(xiǎn)銷后，噴霧粒子不應(yīng)該立即發(fā)射，而是操作者點(diǎn)擊某一按鍵發(fā)生交互后，噴霧粒子才出現(xiàn)。所以應(yīng)使用particle.Stop （）先停止噴射，再選擇F鍵作為激活噴霧粒子的按鍵，代碼設(shè)計(jì)如下：

if （Input.GetKey （KeyCode.F）） {

particle.Play（）;//按下F鍵后，噴霧粒子開始發(fā)射

}

2.3.3 ?滅火

在滅火的過程中，經(jīng)滅火器噴出的噴霧粒子和火焰粒子的碰撞發(fā)生之后，火焰粒子應(yīng)該被銷毀，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Destroy（pardter，7f）;//7f之后銷毀火粒子

在噴霧的粒子完成一次播放之后，也應(yīng)該被銷毀。使用GetComponentsInChildren（）將這個(gè)粒子系統(tǒng)的所有子粒系統(tǒng)的組件獲取，賦給一個(gè)變量particleSystems。定義一個(gè)布爾型的變量allStopped，然后使用foreach （type identifier in expression） statement語句進(jìn)入循環(huán)，再用if語句判斷粒子是否被銷毀。代碼如下：

bool allStopped = true;

foreach （ParticleSystem ps in particleSystems）

{

if （！ps.isStopped）{

allStopped = false;

}

if （allStopped）

GameObject.Destroy（gameObject）;

}

這樣，所有的噴霧粒子在播放完成之后，全部自動(dòng)銷毀。

3 ?結(jié)論

本文對(duì)船舶火災(zāi)情況和滅火流程進(jìn)行了分析，并給出撲滅各種成因的火災(zāi)所使用滅火設(shè)備的對(duì)比，結(jié)合3dsMax建模和Unity 3D引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了使用二氧化碳滅火器對(duì)氣體火災(zāi)進(jìn)行滅火操作的人機(jī)交互虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。由于篇幅限制，其他形式的火災(zāi)和滅火設(shè)備等不在此文一一表述。該系統(tǒng)用于船舶虛擬消防訓(xùn)練時(shí)，可以節(jié)約訓(xùn)練成本，提高安全性和訓(xùn)練效果，有良好的應(yīng)用前景。

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