三維樓宇應急疏散仿真系統研究*

胡 同 ，萬 遠 *，賀 彪 ，楊 彪

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

隨著計算機技術飛速發展，虛擬仿真技術已成為虛擬現實的關鍵技術之一，同時現代建筑的設計越來越復雜化、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，結構多樣，功能復雜。在發生突發性災害（如地震、煤氣泄漏等）時，由于缺乏有效的疏散指導和恐慌性的心理疏導，疏散效果不佳。一方面，大型公共建筑通常有較大的內部面積，其通道設置和內部結構設計比較復雜，電力超載容易造成火災；另一方面，大型建筑中的煙火源分布范圍廣，容易在電梯井、排氣管等產生煙囪效應。隨著地理信息系統（GIS）技術的迅速發展和在火災疏散通道建設中的廣泛應用，將GIS 與建筑空間結構相結合，可以為應急人員和規劃師提供足夠的室內信息，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災害有效規劃的環境。

1 三維樓宇應急疏散系統設計

1.1 系統總體設計框架

為實現三維場景搭建、基本功能模塊、應急疏散模塊、數據統計模塊等功能的集成，系統主要采取三層架構模式包括數據層、服務層和應用層。數據層通過數據庫函數、存儲過程和觸發器等實現數據的空間數據與屬性數據的存儲和維護；服務層根據業務邏輯需求，供應用層調用，實現專題查詢后臺服務、統計分析后臺服務等；應用層根據業務需求進行功能模塊的劃分和界面設計，并在調用服務層服務的基礎上完成各項前端功能的開發。

圖1 系統軟件結構

圖2 系統功能設計

1.2 系統軟件結構設計

根據樓宇應急實際現狀與需求設計系統軟件結構如圖1。

其中數據支持層集成了GIS 平臺，3D 渲染接口和各類外部聲音、硬件數據輸入到系統；應用層根據應急實際場景開發相應基礎模塊，本系統應用與三維樓宇應急疏散環境開發具有基本功能模塊、應急疏散模塊、數據統計模塊、系統拓展相關模塊。其中應急疏散為本系統核心功能。

2 三維樓宇應急疏散系統設計

2.1 系統功能設計

主要有如下模塊控制：基本功能模塊、應急疏散模塊、數據統計與管理模塊、拓展接口模塊。相關關系如圖2。

圖3 系統登陸界面

系統主要分為四大功能模塊：基本功能模塊、應急疏散模塊、數據管理模塊、拓展接口模塊。其中基本功能模塊包括場景的漫游、優化、測量、查詢等；應急疏散模塊是該系統核心模塊，主要有火災模擬、應急疏散、實戰演練、應急救援等功能；數據統計模塊主要對疏散人員的人數、時間和速度進行統計分析；拓展接口模塊支持外部接口的接入，集成包括火警傳感器、空氣質量傳感器（揚塵、有害氣體、PM2.5 等）、溫度傳感器等、便攜室內定位數據接口，實現地理信息數據的集成與串聯，為以后的發展規劃預留接口，為未來實現對建筑的信息化管理提供基礎平臺。

2.2 系統登陸界面設計

系統具有統一的用戶登陸界面，對用戶身份進行確認，已分配對預案和訓練的修改、查詢。如圖3，系統登陸界面。

3 三維樓宇應急疏散系統功能模塊

3.1 基本功能模塊

3.1.1 三維動態場景漫游

系統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、基礎設施等物體的三維動態展示，并可在該場景中從多角度、多方式對其進行觀察。

3.1.2 系統場景優化

系統場景優化功能包含豐富的天氣展示效果、陰影效果、天際效果，采用實時動態光照、延遲光照、動態軟陰影實現二次光照與反射等特效；通過時間滑塊可模擬動態光影效果，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。

為應對三維火災應急疏散模擬，系統可模擬各種粒子效果，包括煙霧、火焰、風向、音效等，實時動態規劃疏散路徑，實現火災模擬演練。如圖4、圖5 在火災模擬仿真中，可實時監測火焰大小，風向等，以引導疏散人群的疏散方向。

3.1.3 屬性查詢

通過關鍵詞搜索或者在場景中點擊相關對象，可查看其屬性信息，通過調用基礎信息數據庫和地理信息數據庫可實現數據動態更新與應急預案實時推演。通過在系統場景內點擊相關元素，可查詢其基本信息（消防栓ID 型號、生產廠家等）。

3.1.4 三維實景測量

系統支持場景內拾取點進行距離測算，同時可根據需要選擇面積測算等；在火災仿真模擬過程中，疏散路徑的距離不同直接影響疏散效率和人員安全，實景測量功能實現火災疏散路徑的最優規劃。

圖4 光影變化1

圖5 光影變化2

3.2 應急模擬模塊

3.2.1 火災模擬功能

火災模擬只能由主機觸發。所有在網內的客戶端都會接收信息，開始火災疏散演練。會觸發所有在網內的客戶端的場景發生火災，繪制標示各種出入口，樓層疏散箭頭，以及報警聲，疏散集合點標記等等。火災效果會以粒子效果在場景中出現，并產生煙霧粒子。

3.2.2 應急疏散功能

通過傳感器組網，監測的火源信息反饋到應急仿真系統平臺，系統通過服務器返回火災信息做出疏散計劃決策，進行人員疏散。同時根據火災點的不同和起火原因的差異性，做出不同的應急疏散計劃，對應在不同的區域的人員會有不同的疏散路徑的顯示。系統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 實戰演練模擬

演練創建出一個具體的場景，受訓者選擇不同的角色進入訓練，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；用于超高層建筑火災應急救援演練，從而提高消防信息化管理水平和消防員滅火作戰能力，最大限度地減少火災造成的損失。

在正對樓宇火災應急演練的同時，系統可針對實際情況，觸發應急救援模塊，進行火災應急事件處置；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。在發生火災情況下，系統給出關閉閥門及電閘，減少次生災害的指示，系統可進行AI 模擬，可選擇以第一人稱或第三人稱進行任務執行。

3.2.4 應急資源調配

在做出應急指示后，系統根據實際情況推演出相關應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資源屬性情況，還能對其發送指令進行任務分派，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計。同時還能進行火災應急車輛的調度和部署。系統可根據起火點的具體情況，分派最近的消防車輛進行應急救援，對相關的消防應急車道進行騰空處理有利于車輛快速通行。

3.3 數據統計與管理模塊

在聯機進行演練時，會統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。會在局域網中，看到每個人的疏散時間。

3.4 系統拓展功能

基于三維建設規劃平臺，采用經典系統三層架構模式，數據可集成到未來的三維大數據平臺中，為后續智能建筑建設、應急管理、公共安全等信息化項目建設所復用，以及為后續開發提供了二次開發。有望通過GPS/GNSS 技術實現人員車輛進行三角定位分析、人型軌跡分析等。

4 結束語

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