數字轉型時代下消防三維數字滅火救援預案的制作

劉勇

摘要：當前三維建模和虛擬現實已廣泛在消防工作中使用，相較于通過PPT的匯報展示，三維模擬能夠給人們更清晰的認識和更直觀的感受。消防隊伍內部和社會面單位一直在不斷努力與嘗試，使三維和虛擬技術更好地服務于消防滅火救援工作。

關鍵詞：三維數字預案;數字化;三維模型;虛幻引擎

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0041-03

2020年初，上海市消防總隊黃浦消防支隊黨委提出希望可以通過三維效果輔助戰評，利用桌面推演中的力量部署和建筑結構，支隊戰訓處領受任務，并嘗試完成數起災害處置現場的簡單模擬。2020年下半年支隊黨委決定，嘗試打造一支可以獨立完成三維數字預案制定的工作小組，用于服務支隊滅火救援戰評、消防安保工和日常桌面推演工作。2021年支隊黨委決定由工作小組獨立完成轄區內及周邊環境的數字預案制定。

1? 數字化三維預案概述

1.1? 什么是“數字化”

數字化，就是將“現實世界”轉化為“數字世界”，通俗點理解就是把我們日常生活中所涉及的人、物以及行為轉化為“數字世界”里的數據，然后在“數字世界”里去完成原本在“現實世界”的事情。

1.2? 什么是“數字化轉型”

“數字化轉型”即通過深入挖掘“數據價值”解決現實中難以解決的問題。脫離現實中的應用場景，數據本身沒有價值，但通過模擬現實中存在的數字關系，實現虛擬與真實的交互。

1.3? 什么是數字化三維預案

數字化三維預案是“數字化轉型”在消防預案中的應用。首先，“數字化”深入不僅僅是停留在展示端的“數據可視化”，應該是達到數字化的內容更接近現實;其次，通過網絡資源共享和數據交互，在虛擬世界構建完整的交互系統;最后，智能決策化，通過前面的數字化和網絡化，系統掌控著數字世界的一切，實時進行分析、傳遞和決策。

2? 預案的分類和發展趨勢

2.1? 文本預案

以一級、二級、三級和四級預案為代表的文本預案，這類預案內容詳實、信息充足，涵蓋目標單位基本信息、處置力量、處置對策和參考依據。

2.2? 信息卡

以五級預案為代表的作戰信息卡，通常內容精煉、制作周期短、覆蓋單位多，可裝訂在冊放入消防車內，便于及時翻閱。優秀的作戰信息卡應簡潔而直觀，用一張圖就能清晰反饋消防車指揮員所需的必要信息。五級預案衍生出的卡片式預案更加精煉，適用性更廣。

2.3? 三維數字預案

更有體驗感和科技感的三維數字預案，可以分層級展示建筑內部構造，實現體驗感極強的第一視角漫游，模擬災情發展，進行沙盤推演和預案力量的預部署。放入支隊指揮中心可大效率輔助滅火救援的處置決策，戰評中可更直觀地還原現場各個環節，可在安保前輔助力量部署和分配，亦可在火災調查工作中輔助工作匯報。從使用者的角度來說，三維預案有著更好的高效輔助性、多功能性和體驗感，但同時其對制作員的要求很高、制作周期要更長[1]。

3? 制作三維數字預案的環境和準備工作

3.1? 各級領導的肯定是制作預案的前提

消防三維數字預案不是必須存在的，本質上是用于服務滅火救援工作的工具，各級領導對于三維預案的認可度，決定了三維預案的發展方向和服務能力。無論是依托社會專業力量，還是自己建隊掌握制作主動權，都必須在各級領導的支持和肯定下，才有存在和發展的可能。

3.2? 獲取人才是制作預案的第一步

要想真正發揮消防三維預案的作用，必須要有消防人員掌握預案的使用或制作。三維預案本質上是對現有軟件的使用，人才隊伍建設是第一步。消防支隊自己制作三維預案，需要做好建模和制作人才的培養和儲備工作。一般通過兩個途徑進行：一是招募有制作能力的新消防員;二是自己培訓制作員。必須尊重參訓人員的意愿，參訓人員的學習能力要好，學成后需要保障其工作生態環境等現實需求。學習的過程是沒辦法強制的，必須有內驅力。

3.3? 硬件設備是制作預案的必備條件

制作三維數字預案對電腦要求較高，UE4最低需求處理器不低于I7、固態硬盤不低于256G、內存不小于8G、獨顯不低于6G，如果是筆記本電腦，要求更高。

3.4? 相對集中的時間和較少的干擾是學習和制作的基本要求

如果是參加線上網課教育，每天4h授課時間。消化和鞏固當日知識點另需兩倍以上時間，即不低于8h。培訓周期一般不低于4個月（至少要學習CAD、3Dmax和UE4三個軟件，而且參訓人員均為零基礎）。制作過程中，考慮制作員為初學者，工作效率不高。UE4藍圖部分的制作、技能掌握不熟練的制作員從構思開始到一個新藍圖的完成，至少需要2h以上，這也是程序員為什么喜歡深夜加班到凌晨的原因，絕對的安靜下思路比較清晰，效率相對較高[2]。

4? 三維數字預案制作步驟和工具選擇

當前可用作三維模型的制作和展示的軟件很多，在支隊的專項培養下，結合前期制作經驗，對預案制作步驟和工具選擇建議如下：

4.1? 第一階段，即平面制圖階段

選擇“建筑使用管理軟件計算機輔助設計”（常用名稱CAD）。現實工作中我們會遇到多種情況。一是單位提供CAD。單位提供的CAD圖紙很復雜，涵蓋的信息非常多，需要制作員簡化圖紙內容，同時分離出樓梯圖紙備用。二是有些單位只提供PDF版本的圖紙，需要轉換成CAD來使用。三是有些單位無法提供任何圖紙，需要制作員現場采集信息，并手繪圖紙。筆者使用的是激光測距儀。消防三維預案對建筑尺寸數值要求精度不高，無論是修圖獲取CAD還是手繪后自己畫CAD，都可以根據制作情況，做適當修改和簡化，方便后期三維模型的制作。

4.2? 三維模型制作階段

社會上現有的三維模型制作軟件非常多。筆者選擇的是3Dmax和草圖大師（shetchup）。3DStudio Max，簡稱為3DMax或3DSMax。3DMax是目前市面上主流的三維設計軟件，軟件功能強大，掌握起來需要一定時間，建模和渲染效果非常好。軟件特點：（1）基于PC系統的低配置要求;（2）安裝插件后可實現很多強大功能，如一鍵制作樓梯、屋頂、開門、開窗;（3）強大的角色Character動畫制作能力;（4）可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、以及工程可視化等領域。

草圖大師簡單易用，建模效率高，適用于建筑、景觀的方案草圖三維設計，對于計算機制圖基礎不是很高的人也可以較快入門。草圖大師的優點：（1）環境模擬，可以快速創建三維建筑環境模型;（2）空間分析，建模后，在虛擬場景中可以從任意角度瀏覽建筑外觀、內部空間以及建筑細部，分析各種空間節點;（3）形體構思，建模操作簡單直接，易于修改;（4）可以在粗略的作圖以及精準的確定尺寸兩種工作方式之間隨時切換。

4.3? 人機互動階段

制作出的模型，必須在有一個運行的環境，可以完成展示、漫游、災情設定、力量部署等任務。筆者選擇了入門較為簡單的UE4，即虛幻引擎（Unreal Engine）第四個版本。

虛幻引擎4從注冊和使用是免費的。其可以完成虛擬與現實的人機互動（消防數字三維沙盤或預案），錄制視頻（火災現場還原）。支持Linux、Windows系統的PC，任天堂Switch，以及IOS和Android移動設備以及VR設備。

5? 消防三維數字預案制作和功能簡介

數字預案在制作前應需準備好材料，如單位信息、消防力量部署、預案所需三維模型和制作預案所需的圖片元素。并將準備好的元素分類放入UE4中。創建UE4項目后至少要分以下幾個文件夾Blueprint（藍圖）、UI（控件藍圖）、Maps（關卡）、Particles（粒子特效）、Shapes

（建議根據建筑數目準備不同后綴的文件夾）、Textures

（貼圖）、Materials（材質）、vehicle（用于存放消防車輛和其他車輛）和Firemen（消防員人物動畫和骨架）。

5.1? 登陸界面

消防三維預案通常需要至少2張關卡。第一張關卡，用來制作封面，封面可以添加視頻、動畫或者圖片。其主要功能是在封面設置一個登陸界面，如果想要看具體內容需要輸入密碼進入第二張關卡，才能使用消防預案。制作主要內容為登陸主界面，內含一個文本輸入框，一個按鈕鍵和封面圖。藍圖內容為：按下按鈕后，如輸入文本框的內容和設定的密碼相等時，判斷為真，進入下一個指定關卡。

5.2? 世界場景的設置

第二個關卡即消防數字預案主要內容，需提前做好設置。先創建項目模式、項目玩家、項目HUD、項目控制器，因預案需要漫游體驗另需要設項目漫游玩家，將以上內容替代原關卡對應內容。第二張關卡里需要添加光照、天空球、TargetPoint（漫游玩家出生位置）和項目玩家（作用為預案沙盤視角玩家）。

5.3? UI主界面的內容

當事件開始時，關卡添加主界面，并將所有的樓層歸類，由玩家輸入控制器決定顯示那一層。主界面內放入需要添加的其他UI，如樓層控制、菜單、子菜單、基本信息、單位平面圖、作戰部署等需要在數字預案展示的信息界面或操作按鈕顯示框。主界面上加入UI指北針，可根據角色的移動作方向參考。

5.4? 單位介紹模塊

單位介紹模塊包含單位的基本信息、建筑特點、周邊毗鄰、道路交通等三、四級預案應有內容，也可根據需要添加其他內容。每個內容放入獨立的UI控件藍圖中，通過菜單、子菜單內部藍圖邏輯調取內容。

5.5? 建筑消防模塊

主要展示建筑內部墻式消火栓、防火卷簾門、噴淋、擋煙垂壁等固定消防設施和消防監控室。噴淋、防火卷簾設置為無碰撞，在選擇相應按鈕后顯示，通常情況隱藏，減少預案表面信息量，避免冗雜。噴淋在按下按鈕后，可添加操作UI控件，進行固定消防設施的模擬。相對主體建筑不明顯的情況下，需通過材質讓其閃爍提示。

5.6? 供水模塊

本模塊主要展示單位室外消火栓、市政消火栓、天然取水點和水泵接合器位置。每個模型上添加UI控件，用來標志編號和添加箭頭（用箭頭來引導項目玩家視角位置和方向），便于消防力量部署。

5.7? 疏散模塊

主要展示單位的出入口、樓梯、電梯和電扶梯。同樣出入口應添加相應UI控件，功能同上。此時建筑模型應設置為半透明。兩種途徑：一是當選擇本模塊后建筑材質更換為半透明，但越是復雜的建筑，工作強度越大;二是制作另一份模型，將模型設置為半透明，當選擇本模塊后，建筑和周邊隱藏，僅顯示透明的模型。

5.8? 災情模擬模塊

火情模擬部分覆蓋火災初期、發展、猛烈、衰減階段和不同階段煙霧的模擬。車輛模擬覆蓋城市常見車輛的模型。車輛模型加上火情模擬，可模擬車輛火災;建筑加上火情模擬可模擬建筑火災。被困人員模塊添加UI控件，可以拉近視角。另有恐怖襲擊模塊，包含可倒計時的觸發爆炸物和毒氣模擬。

5.9? 漫游模塊

進入漫游模塊，項目會創建漫游角色，電腦從操控項目玩家更改為漫游玩家。通過漫游玩家的第一視角，可以模擬災情處置消防員處置過程，如果配合VR設備，可以帶來沉浸式體驗。漫游模塊中的戰斗員視角，可以操作水槍滅火。射水姿勢分站姿和蹲姿滅火。消防員漫游需要獲取消防員Mesh（UE4商城可購買）和下載可匹配的動畫。

5.10? 滅火救援模塊

模塊第一項內容為該單位滅火救援處置預案，模塊第二項內容為消防力量部署圖。都可通過UI控件添加到UL主界面，根據子菜單的判斷顯示或隱藏。第三項內容為支隊各消防站執勤備戰消防車力量和應援消防車輛（含摩托車和排煙車）。第四項為各站消防員模擬。車輛和消防員模型設置唯一性，當再次點擊后可收回模型，提高沙盤推演容錯性。第四項消防裝備，包含常見消防器材。第五項集結區域。第六項其他力量，包含單位工作人員、微站人員等。第七項路徑，可模擬水帶路線或進攻撤退路線。

5.11? 聯勤聯動模塊

模塊包含公安、特警、交警、醫療、環衛和工程搶修，預留其他選項備用以后添加其他聯勤聯動力量。

5.12? 其他模塊

虛擬現實功能的強大，可以真正做到虛擬現實，如制定一段完整的滅火救援演示。可以通過“delay”命令，也可以通過“碰撞”觸發，也可以通過UI控件控制。

參考文獻：

[1]陳馳，任愛珠，張新.基于虛擬現實的建筑火災模擬系統[J].自然災害學報，2007（01）：55-60.

[2]曾鈞生.消防滅火救援及搶險救援實用手冊[M].北京：中國知識出版社，2012.