環(huán)境設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)中的應(yīng)用

摘要：文章解析了仿真虛擬平臺(tái)的概念，通過對(duì)廣西體育中心仿真虛擬平臺(tái)環(huán)境設(shè)計(jì)的實(shí)例分析，為廣西體育中心在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的問題提出了優(yōu)化解決建議，為仿真虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)、夯實(shí)基礎(chǔ)。

Abstract： The article analyzes the concept of a simulation virtual platform. Through an example analysis of the environment design of the Guangxi Sports Center simulation virtual platform， it proposes optimization solutions for the problems that the Guangxi Sports Center may encounter in actual operation， to further accumulate experience and lay a solid foundation for design， research and development of the simulation virtual platform.

關(guān)鍵詞：環(huán)境設(shè)計(jì);仿真虛擬平臺(tái);廣西體育中心

Key words： environmental design;simulation virtual platform;Guangxi Sports Center

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）09-0258-03

1? 環(huán)境設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)

隨著無線通信4G時(shí)代的到來，游戲、城市2.5維地圖定位查詢等平臺(tái)使虛擬現(xiàn)實(shí)得到了迅猛的發(fā)展。實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)成為人們每天工作、學(xué)習(xí)、生活中必不可少的交互式終端媒體平臺(tái)。

實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，也稱之為模擬實(shí)時(shí)技術(shù)，就是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。借助計(jì)算機(jī)生成虛幻的環(huán)境虛擬仿真技術(shù)，通過方案比選，實(shí)時(shí)修改設(shè)計(jì)方案。實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)有別與傳統(tǒng)的2.5維電腦效果圖，它融入了環(huán)境設(shè)計(jì)，為無形象的數(shù)字化搭建了一個(gè)仿現(xiàn)實(shí)的可視化空間概念，使許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化模型。它可以360度無死角，全方位的展示各個(gè)建筑、道路以及園林規(guī)劃，不僅為環(huán)境設(shè)計(jì)提供了新的手段，也帶來全新的新思路和創(chuàng)作方法的變革。因此，環(huán)境設(shè)計(jì)成為輔助智能城市規(guī)劃、智能社區(qū)、智能醫(yī)院、智能交通、智能體育中心等數(shù)字建設(shè)中不可缺少的重要組成部分。

而如何使傳統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計(jì)更完美的從尺度、比例、色彩、質(zhì)感、形體、風(fēng)格融入到未來環(huán)境設(shè)計(jì)仿真虛擬平臺(tái)建設(shè)中，更科學(xué)合理的預(yù)測(cè)整個(gè)工程造價(jià)，使大型工程項(xiàng)目的整體規(guī)劃效果及成本預(yù)算提前預(yù)見、預(yù)知，為項(xiàng)目生產(chǎn)降低成本、提高效率，并解決安全及消防隱患，為工程項(xiàng)目決策者和各個(gè)對(duì)接設(shè)計(jì)的管理者及施工部門展現(xiàn)一個(gè)三維可視化立體工程項(xiàng)目方案，通過在仿真虛擬平臺(tái)三維模式中全方位體現(xiàn)各種環(huán)境設(shè)計(jì)方案，從而完美解決這一系列問題。

2? 廣西體育中心仿真虛擬平臺(tái)中環(huán)境設(shè)計(jì)的應(yīng)用

廣西體育中心，有承辦全國性運(yùn)動(dòng)、區(qū)域性國際運(yùn)動(dòng)會(huì)和部份國際、國內(nèi)重大單項(xiàng)賽事的主體育場(chǎng)、體育館、游泳跳水館、網(wǎng)球中心、新聞中心等。廣西體育中心實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)基于Unity3D系統(tǒng)開發(fā)，是自主研發(fā)的高新技術(shù)項(xiàng)目。其旨在通過共享、集成地理信息資源，提前預(yù)見災(zāi)情險(xiǎn)景，為輔助決策、預(yù)防災(zāi)情提供良好的技術(shù)平臺(tái)。運(yùn)用移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)入虛擬仿真平臺(tái)場(chǎng)景中，可以以飛行視角全覽整個(gè)體育中心，也可以以步行視角漫步整個(gè)體育場(chǎng)館。

虛擬平臺(tái)的開發(fā)分為平臺(tái)場(chǎng)景搭建和模塊開發(fā)兩個(gè)部分。模塊開發(fā)的內(nèi)容建設(shè)是重中之重。

2.1 平臺(tái)場(chǎng)景搭建

平臺(tái)運(yùn)用3ds Max軟件制作場(chǎng)景模型，在搭建平臺(tái)初期撰寫城市三維建模型技術(shù)規(guī)范，并按此規(guī)范嚴(yán)格建造五象體育中心場(chǎng)景模型。采用3ds Max軟件建立模型，即使是不同的驅(qū)動(dòng)引擎，對(duì)模型的要求基本是相同的。當(dāng)一個(gè)場(chǎng)景模型制作完成時(shí)，它所包含的基本內(nèi)容包括場(chǎng)景尺寸、單位，模型歸類塌陷、命名、節(jié)點(diǎn)編輯，紋理、坐標(biāo)、紋理尺寸、紋理格式、材質(zhì)球等必須是符合制作規(guī)范的。一個(gè)歸類清晰、面數(shù)節(jié)省、制作規(guī)范的模型文件對(duì)于程序控制管理是十分必要的。

2.2 平臺(tái)模塊開發(fā)

運(yùn)用Unity 3D開元軟件搭建仿真虛擬平臺(tái)，通過編寫C++語言、Java語言進(jìn)行腳本制作，對(duì)Unity 3D平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，制作廣西體育中心仿真虛擬平臺(tái)（圖1）。Unity 3D具有層級(jí)式的綜合開發(fā)環(huán)境，具備視覺化編輯、詳細(xì)的屬性編輯和動(dòng)態(tài)游戲預(yù)覽特性。可以兼容3ds Max、Maya三維模型軟件。通過聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)。仿真虛擬平臺(tái)其環(huán)境設(shè)計(jì)的應(yīng)用可以從動(dòng)態(tài)場(chǎng)館分布（圖2）、游覽模式（圖3）、警力布置分析（圖4）、人員疏散模擬設(shè)計(jì)（圖5）四個(gè)方面來體現(xiàn)。每個(gè)模塊有自動(dòng)路徑漫游功能，用戶可以選擇系統(tǒng)定義的路徑，讓程序以播放動(dòng)畫的效果沿指定路線進(jìn)行自動(dòng)漫游，用戶在自動(dòng)漫游過程中可以隨時(shí)暫停播放路徑，停下來四處欣賞四周，然后再繼續(xù)播放。

2.2.1 動(dòng)態(tài)場(chǎng)館分布設(shè)計(jì)

主要使用建筑模型軟件3ds Max進(jìn)行制作。（以建筑物三維數(shù)字化為載體，將建筑產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的信息關(guān)聯(lián)起來，而形成的建筑物信息集）對(duì)廣西體育中心各體育場(chǎng)館進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。一共模擬了主體育場(chǎng)、體育館、游泳館、網(wǎng)球館四個(gè)建筑，每個(gè)建筑均為獨(dú)立場(chǎng)館，根據(jù)場(chǎng)館內(nèi)不同的配置區(qū)域來制定各類人員的活動(dòng)區(qū)域，如觀眾區(qū)、運(yùn)動(dòng)員休息區(qū)、媒體區(qū)、貴賓區(qū)等。用戶根據(jù)需要，自己定義顏色，在場(chǎng)景中添加矩形區(qū)域、圓形區(qū)域和不規(guī)則區(qū)域，將場(chǎng)景劃分為諾干個(gè)層，對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行劃分和標(biāo)示，可以用文字或圖片來標(biāo)示區(qū)域，更人性化的表現(xiàn)出區(qū)域的特點(diǎn)。平臺(tái)研究測(cè)試后，后期可運(yùn)用BIM進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，BIM主要的優(yōu)勢(shì)在于：BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)建筑施工開始后合理組織施工流程、進(jìn)行精細(xì)化項(xiàng)目管理、節(jié)約資源、提高施工效率都是非常好別的借鑒和依據(jù)。四個(gè)場(chǎng)館建筑，如果針對(duì)進(jìn)入體育中心的游客，可以實(shí)現(xiàn)三維互動(dòng)式的動(dòng)態(tài)導(dǎo)游模式，全景式的呈現(xiàn)建筑外觀及周邊環(huán)境情況，清晰地引導(dǎo)游客尋找既定目標(biāo)。對(duì)于體育中心的運(yùn)營方來說，動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)各建筑間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及機(jī)電位置情況，將進(jìn)一步提高中心的運(yùn)營和管控能力。

2.2.2 游覽模式

在虛擬仿真平臺(tái)場(chǎng)景中，通過人行、游戲模式、飛行三種方式來瀏覽場(chǎng)景。可以以飛行視角全覽整個(gè)體育中心，也可以以步行視角漫步整個(gè)體育場(chǎng)館，隨心切換場(chǎng)景視圖，通過視感了解整個(gè)體育中心。對(duì)體育中心的建設(shè)不僅有可視化的數(shù)據(jù)指導(dǎo)作用，也有民生的互動(dòng)了解、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等作用。

2.2.3 警力布置分析

警力布置分析其實(shí)也是三維安保顯示，是以廣西體育中心電子地圖為基礎(chǔ)，以信息共享和綜合利用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安?；A(chǔ)信息基于三維地圖的可視化查詢和分析，多層次、多方位直觀顯示體育場(chǎng)內(nèi)及周邊相關(guān)數(shù)據(jù)、圖形等信息，提供各個(gè)位置安保元素在空間的分布狀況和實(shí)施運(yùn)行狀況，分析其內(nèi)在聯(lián)系，做到安保資源的合理配置和調(diào)度，提高廣西體育中心在指揮決策、快速反應(yīng)等方面的綜合能力。具體功能表現(xiàn)在：①為安保信息提供快速的空間定位參考。在體育中心電子地圖中進(jìn)行各個(gè)安保區(qū)域的編碼，從而將安保信息在三維地圖上直觀定位展示。指揮人員根據(jù)所查詢到的目標(biāo)，在三維空間地圖上定位安保區(qū)域，迅速鎖定其位置。②為安保信息提供全新的展示平臺(tái)。借助仿真虛擬平臺(tái)，可以展示各種動(dòng)態(tài)的、靜態(tài)的、歷史的、適時(shí)的安保信息，反映實(shí)適安保情況發(fā)展變化狀態(tài)的安保態(tài)勢(shì)等，進(jìn)行多樣化的可視展示，方便決策，提高安保工作效率。③清晰呈現(xiàn)安保力量分布。通過平臺(tái)設(shè)計(jì)直觀展示體育場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域安保力量的分布情況及控制范圍，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布控進(jìn)行三維化的作戰(zhàn)指揮管理。

2.2.4 人員疏散模擬

依托Unity 3D軟件對(duì)體育中心主體育場(chǎng)的布局以三維動(dòng)態(tài)空間的形式描述，模擬主體育場(chǎng)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，場(chǎng)館內(nèi)的人群逃生動(dòng)向，直至所有人最終達(dá)到規(guī)定的安全地點(diǎn)為止。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)模擬，首先需要建筑體育中心建筑網(wǎng)絡(luò)模型。這個(gè)模型由一系列的節(jié)點(diǎn)以及連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑組成。節(jié)點(diǎn)代表了體育中心內(nèi)不同看臺(tái)區(qū)域、通道、樓梯間、安全出口等各個(gè)空間部分，模型將體育中心外的安全地點(diǎn)定義為目標(biāo)結(jié)點(diǎn)，人員疏散以人員達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)算作結(jié)束?？臻g上相鄰的節(jié)點(diǎn)通過虛擬的路徑來連接，這些路徑在空間上并不實(shí)際存在，只是通過它們來反映各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。同時(shí)，需要設(shè)計(jì)路徑的方向，以反映人員在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流動(dòng)方向。

廣西體育中心南看臺(tái)共計(jì)60層，劃分為若干座位區(qū)域，以A、B、C不同的字母符號(hào)來表現(xiàn)，每個(gè)座位區(qū)域的有效空間區(qū)域長(zhǎng)142米、高3米，有2個(gè)出入口與外部鏈接，出入口高2.5米，寬4米。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，再使用Unity 3D進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，可以清晰地圍繞人——平臺(tái)——場(chǎng)景進(jìn)行仿真虛擬交互式體驗(yàn)，觀眾從發(fā)生緊急情況，開始按路徑逃離，撤離過程中的人流狀況，通過編寫C++腳本、Java腳本，在出口處放置虛擬碰撞器體進(jìn)行碰撞計(jì)算，每跑過一個(gè)人就會(huì)碰撞一次碰撞器，觸發(fā)一次人數(shù)的增加。模擬呈現(xiàn)出來，系統(tǒng)顯示，1分鐘內(nèi)，A區(qū)三個(gè)出口可以有150名觀眾有序通過出口撤離至安全點(diǎn)。

表1是在場(chǎng)景逃生中制作的內(nèi)容。

這樣的模擬設(shè)計(jì)為體育中心突發(fā)緊急情況，最快速疏散人群提供了借鑒。例如發(fā)生險(xiǎn)情后，通過時(shí)實(shí)檢測(cè)逃生門的逃生人數(shù)，可引導(dǎo)民眾前往人數(shù)少、離火情遠(yuǎn)的地方盡快逃生。廣西體育中心仿真虛擬平臺(tái)場(chǎng)景的展示，為管理部門提供了預(yù)案參照，同時(shí)也可作為與民眾交流互動(dòng)的三維時(shí)實(shí)可視化信息平臺(tái)，也將為廣西體育中心人員緊急疏散的安全性問題提供進(jìn)一步的評(píng)估數(shù)據(jù)，為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供科學(xué)依舊。當(dāng)然，這個(gè)人員疏散的模擬設(shè)計(jì)仍存在一些不確定性，主要表現(xiàn)在：①遇到險(xiǎn)情時(shí)不同個(gè)體真實(shí)的心理反應(yīng)，個(gè)體間的相互作用情況，決定了逃生過程中的狀況也不盡相同;②真實(shí)險(xiǎn)境的情況與模擬設(shè)計(jì)肯定存在一定差距，還需要盡可能多的在真實(shí)環(huán)境下獲取更多數(shù)據(jù)，不斷完善設(shè)計(jì)。

綜上所述，廣西體育中心虛擬仿真平臺(tái)的環(huán)境設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了場(chǎng)景中逃生系統(tǒng)人員疏散、動(dòng)態(tài)場(chǎng)館分布、安保布置分析等方面的情況。圍繞人——平臺(tái)——場(chǎng)景進(jìn)行仿真虛擬交互式介紹，強(qiáng)調(diào)了環(huán)境設(shè)計(jì)在其中的關(guān)系。為體育中心提供了更全面、更整體、更合理、更經(jīng)濟(jì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，有利于中心降低運(yùn)行成本、提高效率。通過人機(jī)互動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)在家中也能通過電腦、手機(jī)等設(shè)備在體育中心游覽。能幫助火警、公安更好的進(jìn)行緊急預(yù)案，疏散現(xiàn)場(chǎng)人流。由此可見，環(huán)境設(shè)計(jì)在實(shí)時(shí)仿真虛擬平臺(tái)中的應(yīng)用領(lǐng)域還可拓寬到科學(xué)、政府、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)等各部門，進(jìn)一步豐富我們的智能化生活。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐少華，童艷梅，賴玲利，鐘毅，周琪.廣西體育中心主體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].北京：建筑結(jié)構(gòu)，2014.

[2]玉潘亮.淺談廣西體育中心游泳跳水館綠色設(shè)計(jì)[J].南寧：廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2010.

[3]鄭琪.BIM的深層內(nèi)涵與未來趨勢(shì)[J].北京：土木建筑工程信息技術(shù)，2010.

基金項(xiàng)目：2015年度廣西藝術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目一般項(xiàng)目? YB201517。

作者簡(jiǎn)介：楊娟（1984-），女，廣西河池人，碩士研究生，高級(jí)工程師。