VR技術在生活區火災逃生中的應用

(天津三品天工建筑科技有限公司，天津 300102)

1 引言

1.1 應用背景

住房和城鄉建設部《關于推進建筑業發展和改革的若干意見》中明確將“建筑產業現代化”作為發展目標之一，強調要“轉變建筑業發展方式，推進建筑產業現代化，促進建筑業健康協調可持續發展”。

在不斷革新的新技術推動下，傳統的建筑行業開始了日新月異的變化，隨著技術的成熟與發展，虛擬現實技術(Virtual Reality Technique，簡稱VR)漸漸地走入了大眾的視野，它是一種利用計算機硬件和軟件構成虛擬現實環境，通過多種交換設備使用戶設身于該環境中，并在該環境中直接與虛擬事物進行交互，產生身臨其境感受的計算機技術。根據VR技術的特點，其在公共建筑火災人員逃生訓練系統中具有很大的優勢。采用VR技術來模擬人員逃生行為已經成為國際上火災安全逃生研究的一個重要手段。

1.2 VR火災應用研究概況

隨著VR設備的不斷發展，對于緊急逃生的模擬技術也不斷提升。2015年，Sharma S等利用VR實現了地鐵站的逃生系統，在沉浸式的虛擬環境中，結合了計算機仿真和用戶控制來實行逃生演練[1]，Kinateder M等利用VR來研究火災逃生的優劣，并表示在未來看好VR技術在這一領域的應用[2]。張磊等人還原了高鐵站的模型，并提出有限細胞法來對火災蔓延進行模擬研究[3]，并利用問卷調查來獲取被實驗者的主觀評估信息，以進行綜合評價[4， 5]。

VR技術不僅對地鐵等公共區域火災逃生演練有著顯著的優勢，對于施工現場的安全管理和生活區火災逃生模擬也有著重要的意義。

2 具體應用案例

2.1 工程概況

梁錦西苑(津濱塘掛2014-4地塊)位于天津市濱海新區新城鎮南開村，主要建設內容為高層住宅、配套商業、配套公建等。地上建筑面積74 080.26m2，地下建筑面積22 827.68m2。該項目應用VR技術建立安全體驗館，VR體驗內容包括高空墜落、物體打擊、塔吊實操，以及根據本項目現場情況定制研發的生活區火災消防逃生模擬，本文闡述了生活區火災逃生VR體驗的研發應用。

2.2 VR技術構成

VR技術的構成包括硬件技術和軟件技術兩部分。其中硬件包括輸入設備和輸出設備，主要實現視覺和聽覺的效果。輸入設備常用的有二維鼠標器、浮動鼠標器、手持式操作器以及數據手套等，輸出設備包括立體聲耳機、立體眼鏡、頭戴式顯示器、寬屏幕、投影儀等。本文項目案例采用的硬件設備為HTC VIVE套裝，包括VR頭戴顯示器、操控手柄、追蹤定位器，搭配一臺電腦主機和60英寸顯示電視。VR軟件技術主要實現的是參與者所沉浸的虛擬場景，包括其中的景、物和與之發生的交互。目前VR場景可以通過四種方式實現，一是利用虛擬現實開發軟件，在模型的基礎上通過編程實現場景的開發，二是在Internet上利用Web3D技術實現網絡虛擬環境，三是利用全景攝像技術實現虛擬現實系統，四是BIMVR，將BIM和VR結合起來，通過BIM軟件直接體驗VR場景，進行簡單的漫游體驗。四種VR場景的實現方式各有優缺點，根據本項目的特點，應用場景和實施要求，采用Unity3D引擎完成場景的搭建和交互的實現，結合HTC VIVE硬件，給體驗者帶來沉浸式的體驗和豐富的場景交互。

2.3 VR應用實例

本項目針對施工現場生活區火災消防逃生場景進行模擬，通過3D建模技術和虛擬現實技術，完成了火災逃生的模擬仿真，此模擬場景開發如圖1所示。

圖1 VR火災逃生場景開發流程

(1)對客戶進行調研，了解客戶的需求，對需求進行分析和分解。本項目客戶的需求為針對施工現場生活區制作VR火災消防逃生的場景，可以使施工人員體驗引發火災的安全隱患，發生火災時可以采取的滅火措施，以及火災的逃生方法與路線。

(2)根據客戶的需求和場景發生的合理性，設計火災逃生的體驗流程，流程描述如下：

體驗者進入VR體驗場景，開始體驗后，可觀察到一名工友在體驗者前方走進生活區，此時情景播放提示“體驗者在工地施工一天非常辛苦，請按照提示路線回到宿舍休息”，體驗者按照導航箭頭提示，使用操控手柄通過生活區返回二樓宿舍。進入宿舍后，體驗者看到前一名進入宿舍的工友側臥在床吸煙，存在安全隱患，觸發情景。體驗者提示工友不要在床上吸煙，建議到室外吸煙，工友未聽從勸阻，體驗者無奈只能躺在床上休息，逐漸入睡，第一個情景結束。通過手柄震動，提示體驗者情景切換，進入第二個情景。體驗者發現工友將其喚醒，醒來觀察到工友的煙頭掉落引燃了床單，床上已經起火，此時情景提示體驗者使用滅火器進行滅火，通過此情景體驗滅火器的正確使用。此情景火勢較大無法自行控制，提示體驗者需選擇逃生，第二個情景結束。第三個情景為體驗者和工友通過消防逃生桿和正確的逃生路線進行逃生。此情景需體驗者通過手柄操作雙手抓住消防逃生桿進行下滑至地面，再根據情景提示操作手柄，穿越生活區道路緊急疏散至安全地點。此時體驗者回到初始位置，可觀看相關火災案例分析。至此，火災逃生場景體驗完畢。

(3)搭建生活區場景，制作人物模型和動畫。通過無人機和相機采集施工現場生活區照片，利用ContextCapture軟件，將現場采集的照片進行實景建模，真實還原本項目生活區的景象，并搭配相機采集的生活區內部宿舍照片，利用3D建模軟件，完成生活區場景模型的搭建，如圖2～圖7所示。

根據火災場景需要，制作兩位施工人員模型，一個為體驗者角色，另一個為體驗者的工友，即在宿舍內吸煙的工人，并為兩個模型添加行走，跑步和手握逃生桿下滑等動作的動畫，圖8、9所示。

圖2 生活區實景建模 圖3 生活區VR場景模型

圖4 宿舍樓照片 圖5 宿舍樓VR場景模型

圖6 宿舍內部照片 圖7 宿舍內部VR場景模型

圖8 兩位施工人員模型 圖9 施工人員模型動畫

(4)將場景與人物模型導入Unity3D中進行開發，添加與場景的交互。在Unity3D中，物體之間的交互均需通過碰撞來完成，而發生碰撞的條件是兩個對象都有Collider組件且至少一個有Rigidbody組件，即其中至少一個物體(必須運動的)必須帶有碰撞器(Collider)+剛體(Rigidbody)，另一個物體(可以靜止也可以運動)至少帶有Collider。

在VR生活區火災逃生場景這個虛擬世界中，所有體驗者的交互操作都是通過手柄來實現的，因此需在手柄上添加碰撞器(Collider)組件和剛體(Rigidbody)組件，其他使用手柄完成交互的物體上，添加上碰撞器(Collider)組件。例如在火災逃生場景中完成打開宿舍門交互操作時，需在門這個3D物體上添加碰撞器(Collider)組件，當體驗者到達門附近時，用手柄去觸碰門把手，代碼控制門旋轉，具體實現方式如下：

void OnTriggerEnter(Collider e)

{

if(e.gameObject.tag==DOORTAG)

{

if(e.gameObject.transform.rotation.y!=0)

{

//Guide.Instance.GameObjectRotate(e.gameObject， 0)；

}

else

{

SceneManager.Instance.GameObjectRotate(e.gameObject， 80)；

}

}

}

圖10 火災逃生場景體驗

抓握滅火器、拔保險銷和握逃生桿下滑都是通過手柄觸碰相應的3D物體，在觸碰之后寫入控制邏輯實現交互的。其中滅火器和逃生桿、門的情況又存在一些差異。在現實生活中，門和逃生桿是固定在建筑物或者地面上，不產生位移，但滅火器是可移動的物體，受重力影響時會自由墜落。因此開發時需要在滅火器上添加一個剛體(Rigidbody)組件，當體驗者抓握滅火器時關閉剛體(Rigidbody)組件上重力和動力學屬性，讓滅火器變成手柄的子物體，跟隨手柄一起運動，當體驗者松開滅火器時，打開滅火器上剛體(Rigidbody)組件重力和動力學屬性，讓Unity3D中的物理系統模擬出滅火器墜落的效果。體驗效果如圖10所示。

最后進入場景測試階段。火災逃生場景初步開發完成后需經過多次的調試和測試，使體驗更加流暢，操作更加合理。首先是進行內部測試，我們選擇多位工程師對場景進行體驗，通過常規操作和非常規操作，發現場景中體驗不流暢或操控手柄觸發錯誤的情況，例如場景切換延時，滅火器拿取和按壓方式與常規的操作習慣不符，逃生桿下滑過程體驗者視覺方向錯誤等問題。經過開發人員的調整，和反復測試，可流暢的體驗場景，達到了初步驗收的要求，可進入公開測試階段。我們將生活區火災逃生場景布設到VR安全體驗館中，通過現場施工人員的體驗，對場景進行測試，將問題記錄并反饋開發人員修改和調整。經過多輪的調整和測試，生活區火災逃生場景逐步完善，并趨于穩定，最終生活區火災逃生場景和配套使用的VR硬件設備交付本項目現場使用。

3 應用效果

VR技術的研究與開發為火災中人員逃生的研究提供了更準確、更全面的信息，主要是因為VR技術中的數據信息具有可讀性，用戶可在VR場景中體驗多維度的視角，身臨其境的認知火災發生帶來的巨大傷害，并且可以在VR開發的模擬逃生方案中了解逃生方法、掌握逃生技巧、快速直接的找到最佳逃生路線到指定避難場所； 同時用戶也可根據火勢的大小，找到消防設施器材進行滅火操作，逼真的虛擬滅火救援演練不但使用戶熟練地掌握滅火消防器材的操作技術和救援技能，而且使其從心理上克服對火災的恐懼心理，減少現實生活中的傷亡率。

將VR技術引入火災逃生領域進行火災機理研究或者消防工程應用研究是很有意義的，通過本項目案例證明也是可行的。除此之外，應用VR技術，還能幫助實現火災數值計算結果的可視化，有助于進行火災安全工程設計、規劃及驗證，有助于建立火災科學教育和消防培訓系統。

4 結語

隨著國家相關政策的推進與建筑行業的發展，信息數據智能化將成為各建筑企業未來的發展方向。VR技術是建筑行業最強大的新興技術之一，已經逐漸被越來越多的建筑企業認可并使用。VR場景的可視化設計，使建筑施工人員的操作規范化和標準化，減少了材料浪費，節約了人工成本，同時也提高了工作效率，增加了施工安全性，為建筑企業帶來了顯著的效益。

[1] Sharma S，Jerripothula S，Mackey S，et al.Immersive virtual reality environment of a subway evacuation on a cloud for disaster preparedness and response training[C].Computational Intelligence for Human-like Intelligence.IEEE， 2014， 1-6.

[2] Kinateder M，Ronchi E，Nilsson D，et al.Virtual reality for fire evacuation research[C].Computer Science and Information Systems.IEEE， 2014， 313-321.

[3] 張磊， 朱國慶，郭大剛.基于VR的公共建筑火災逃生訓練系統研究[J].消防科學與技術， 2015(4)： 526-529.

[4] 孟凡興， 張偉.火災下緊急逃生的虛擬現實系統開發與評估[J].清華大學工業工程系：人類工效學， 2013， 19(2)： 23-26， 41.

[5] 楊立兵， 土亮，陳建宏等.企業火災疏散人員行為及心理特征研究[J].中國安全科學學報， 2012， 22(5)： 3-9.