基于Unity3D技術(shù)的新型消防報警仿真演練系統(tǒng)

周文龍

[摘? ? 要]在信息時代消防報警實訓(xùn)的數(shù)字化、信息化已成必然。文章提出基于Unity3D技術(shù)的新型消防報警仿真演練系統(tǒng)的設(shè)計思路，開發(fā)該系統(tǒng)所用關(guān)鍵技術(shù)包括了LOD、優(yōu)化三維場景、碰撞檢測、網(wǎng)絡(luò)通訊及動態(tài)加載，通過設(shè)計系統(tǒng)消防場景，實現(xiàn)該系統(tǒng)的理論培訓(xùn)、單兵模擬訓(xùn)練、在線考試、區(qū)情調(diào)研幾個功能模塊，證明本文設(shè)計該仿真演練系統(tǒng)的操作可行性。

[關(guān)鍵詞]Unity3D;消防報警;仿真演練

[中圖分類號]TM77 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–0–03

[Abstract]In the information age， the digitization and informatization of fire alarm training has become inevitable. This article proposes the design idea of a new fire alarm simulation exercise system based on Unity3D technology. The key technologies used in the development of the system include LOD， optimization of three-dimensional scenes， and collisions. Detection， network communication and dynamic loading. Through the design of system fire protection scenarios， several functional modules of the system are realized， such as theoretical training， individual soldier simulation training， online examination， and district situation investigation， which proves the operational feasibility of the simulation exercise system designed in this paper.

[Keywords]Unity3D; fire alarm; simulation drill

雖然近年來我國在消防領(lǐng)域加大了研發(fā)信息管理軟件的力度，但是不論是在軟件方面還是標準化方面，現(xiàn)有的工作依然有較大差距，尤其在計算機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)上依然存在技術(shù)空白。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)展與創(chuàng)新中的逐漸成熟，可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于消防報警演習(xí)中。如今在消防仿真演習(xí)中所研發(fā)應(yīng)用的系統(tǒng)包括了Cult3D、VRML、Flash3D等，本文提出的Unity3D技術(shù)相較以上虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠達到更符合預(yù)期的高級渲染效果，并且具備支持用戶自主定制的技術(shù)優(yōu)勢，所以在消防仿真演練中十分適用。本次消防報警仿真演練系統(tǒng)研發(fā)，旨在能夠加快消防報警的信息化建設(shè)進程，并提高我國的綜合信息水平。

1 需求分析

通過匯集整理消防報警實訓(xùn)的相關(guān)內(nèi)容，匯總分類主要包括了基礎(chǔ)培訓(xùn)、在線考試、應(yīng)用基礎(chǔ)實訓(xùn)、勘察重點目標，相應(yīng)的主要表現(xiàn)為3D動畫、消防游戲、影視與格式化文本在線考試。因此本次研發(fā)基于Unity3D技術(shù)的新型消防報警仿真演練系統(tǒng)主要包括以下功能模塊：

（1）勘察重點目標，勘察重點保護目標的單位結(jié)構(gòu)及信息。

（2）進行基礎(chǔ)培訓(xùn)，包括對消防理論基礎(chǔ)知識點的培訓(xùn)。

（3）火災(zāi)實訓(xùn)模擬，包括若干個消防事故的實訓(xùn)。

（4）在線考試，包括了用戶的在線考試及查分。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計

經(jīng)3DS MAX成功建立系統(tǒng)化模型，以實拍和地形數(shù)據(jù)為依據(jù)，并付諸應(yīng)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，成功完成建筑、植被建模。在Unity3D

引擎內(nèi)引入三維模型數(shù)據(jù)，編寫腳本和局域網(wǎng)通信。本次系統(tǒng)設(shè)計主要結(jié)構(gòu)包括五層，分別是表現(xiàn)層、應(yīng)用層、驅(qū)動層、集成層和資源層（見圖1）。

（1）資源層。提供調(diào)用系統(tǒng)的本地、網(wǎng)絡(luò)資源信息。

（2）集成層。整合了系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)，可以轉(zhuǎn)換系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)為下一層可操作數(shù)據(jù)。

（3）驅(qū)動層。作為系統(tǒng)的技術(shù)核心層，也被稱之為服務(wù)層，能夠完成該系統(tǒng)的全部功能模塊集成與常用封裝，用于對專門信息的服務(wù)處理。

（4）應(yīng)用層。實現(xiàn)驅(qū)動層的核心功能，包括基礎(chǔ)消防項目的培訓(xùn)與實訓(xùn)，以及綜合實訓(xùn)，能夠在線考試。

（5）表現(xiàn)層。能夠通過該平臺實現(xiàn)人機交互，連接核心業(yè)務(wù)即可達到可視化管理。

3 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

3.1 碰撞檢測技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括交互性、沉浸性、想象性特征，能夠整合聲音、圖像及動畫資源，能夠運用該技術(shù)經(jīng)數(shù)字媒體模擬現(xiàn)實環(huán)境，向觀察者傳遞信息，如今已經(jīng)應(yīng)用在仿真、影視制作、游戲等行業(yè)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)達到的交互性，要求系統(tǒng)能夠達到豐富的人機交互性，如推動物體、實際場景漫游等，需要解決人物無法穿透墻壁，坡度較大無法前進，碰撞物體后速度變動等情況。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)準確計算不同物體之間存在的穿透性，依據(jù)自身所需做出系統(tǒng)運算最終取舍。

3.2 LOD技術(shù)

在系統(tǒng)設(shè)計有著較高的實時性要求，所以計算機硬件資源也要滿足系統(tǒng)設(shè)計所需，LOD技術(shù)作為十分有效且快速生成圖形的方法，能夠達到三維場景與計算機硬件資源之間的高質(zhì)量平衡。LOD技術(shù)能夠在應(yīng)用中不會對視覺效果造成影響的情況下，對實際場景中的各方面細節(jié)作出簡化，從而有效減少場景存在的復(fù)雜性，能夠極大地提升算法效率。在LOD技術(shù)應(yīng)用過程中基本原理與紋理映射技術(shù)相似，能夠?qū)Χ噙呅慰偭坑行Э刂疲瑥亩行p少渲染負載，降低用戶的觀察效果。

3.3 剔除渲染

想要達到優(yōu)秀的可視化三維效果，需要運用剔除渲染這一場景優(yōu)化技術(shù)，一般會采用視椎體剔除、遮擋剔除以上兩種。在視椎體剔除方法中可以渲染攝像機范圍外的物體，也就是僅僅對視椎體范圍內(nèi)場景元素完成渲染，保證渲染高效率。遮擋剔除則作為某物體被其他物體遮擋不在可視范圍內(nèi)，無法進行有效渲染。一般是由遠及近完成渲染，以攝像機最遠距離物體向較近距離渲染。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 功能模塊

消防報警仿真演練系統(tǒng)的3D情境交互式模擬訓(xùn)練，該系統(tǒng)設(shè)計功能包括了以下四大功能（見圖2）。

（1）理論培訓(xùn)功能模塊。用戶應(yīng)用此系統(tǒng)能夠根據(jù)理論知識的書、章、節(jié)選擇所要學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容，之后能夠達到消防實訓(xùn)場景可視化，還能夠通過音頻、圖片、對話等不同的方式，完成消防理論知識的學(xué)習(xí)。

（2）消防戰(zhàn)士模擬訓(xùn)練功能模塊。在此功能模塊中可以針對性選擇所要學(xué)習(xí)的理論內(nèi)容，實訓(xùn)過程中可以針對性選擇消防防護服裝、裝備等。能夠完成實訓(xùn)的內(nèi)容主要有偵查情報、處置流程，演練實操，并對整個消防實訓(xùn)過程進行綜合考評。

（3）在線考核。各位學(xué)員能夠在該系統(tǒng)中自主選擇考核試卷，參與模擬考試和正式考試，還可以通過此平臺對考試成績進行查詢。

（4）區(qū)情調(diào)研。能夠?qū)ο到y(tǒng)應(yīng)用區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的多處保護目標，完成總體、樓層等信息的勘察調(diào)研。

4.2 場景建模

在消防報警仿真演練系統(tǒng)設(shè)計中，可以完成游戲場景建模，此系統(tǒng)作為消防演習(xí)實時系統(tǒng)，通過運用三分建模、七分貼圖的場景建模，在系統(tǒng)maya內(nèi)依據(jù)事物照片提供效果，制作消防演練場景。對于photoshop內(nèi)處理多個貼圖為少量圖片，對各場景不同細節(jié)利用材質(zhì)球進行完善，之后導(dǎo)出FBX格式。

4.3 火焰煙霧模擬

在本次仿真設(shè)計中，綜合考慮引發(fā)火災(zāi)事故的多方因素，對模擬現(xiàn)場的火災(zāi)火勢消防控制效果運用C#程序技術(shù)，完成不同火災(zāi)情況下的起火效果仿真設(shè)計。并運用Unity3D引擎技術(shù)設(shè)計fireincreace算法，其中該系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)代碼關(guān)鍵部分示例如下：

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4.4 應(yīng)用實例

目前我國共有約2萬人消防作戰(zhàn)編制數(shù)量，現(xiàn)階段已經(jīng)將消防3D實訓(xùn)仿真系統(tǒng)應(yīng)用于多家消防支隊，根據(jù)近期系統(tǒng)應(yīng)用反饋情況，能夠發(fā)現(xiàn)消防戰(zhàn)士已經(jīng)由最初仿真系統(tǒng)的適用新奇感，過渡至主動學(xué)習(xí)消防案例。根據(jù)經(jīng)濟角度原本需要引入3D情景模擬訓(xùn)練系統(tǒng)所要耗費的大量資金成本，如今可以通過此系統(tǒng)建設(shè)動態(tài)模擬仿真訓(xùn)練艙，結(jié)合真實場景在該仿真系統(tǒng)建設(shè)模擬場地，能達到無紙化培訓(xùn)學(xué)習(xí)，減少不必要的人力資金投入，應(yīng)用前景廣泛。

5 結(jié)束語

總而言之，通過事實證明本文提出基于Unity3D技術(shù)設(shè)計的新型消防報警仿真演練系統(tǒng)，能夠運用數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，設(shè)計情境交互模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，并設(shè)計了四個功能實現(xiàn)場景建模、火焰煙霧模擬設(shè)計，極大地增強了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸效果。通過設(shè)計系統(tǒng)消防場景，實現(xiàn)該系統(tǒng)的理論培訓(xùn)、單兵模擬訓(xùn)練、在線考試、區(qū)情調(diào)研幾個功能模塊，證明本文設(shè)計的仿真演練系統(tǒng)的操作可行性。

參考文獻

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