粒子系統在飛機火災消防視景仿真中的應用研究

摘要：本文通過概述粒子系統原理，基于Vega特效技術中的粒子特效模擬消防車滅火劑與火焰煙氣，設置控制算法以計算滅火器與煙氣噴射參數，并計算出粒子源位置、粒子初始速度向量，實現對飛機火災滅火過程與操縱的實時模擬。通過實驗分析發現，此技術能夠突出飛機火災消防模擬的實時性與逼真性，為減少今后飛機火災事故的發生率提供技術支持。

關鍵詞：粒子系統;消防視景仿真;飛機火災

1引言

視景系統是指應用三維計算機圖像技術實現的可視化虛擬仿真模式，被廣泛應用到民用或軍用領域，在視覺上具有真實感與渲染效果。當前機場事故中91%來源于火災，利用高效、簡便的方式消滅火災對于保護人們生命財產安全至關重要。因此借助Vega特效技術構建飛機火災與滅火劑粒子系統的虛擬模型，結合控制算法可以實現消防滅火的場景仿真設計。

2粒子系統理論簡介

圖元是粒子系統的主要組成部分，據查閱資料得知，粒子的屬性大致相同，其屬性與項目應用領域息息相關。基本粒子由粒子源產生，換言之，粒子源就是基本粒子的母親，但粒子在產生時也存在隨機過程，這個過程指的是在粒子系統模型之中融合物體的行為。

隨機性是粒子系統在進行對象表示過程中的突出特征，因此，粒子隨機過程能夠控制管控粒子參數，在粒子從出現到消失的全過程中，時間函數是其主要的屬性，這表明隨機性和動態性是粒子產生的特點。

粒子系統由兩部分組成，第一個組成部分為獨立粒子系統，這一部分對粒子運動規律進行了揭示，系統之中的粒子呈現出獨立運行的狀態，通常情況下，不會影響彼此的運動。第二個組成部分是渦合粒子系統，這一部分與粒子結構存在密切的關聯，與粒子系統的聯系并未切斷，這樣一來，就使仿真效果更具真實性。全體粒子會將一定的規定作為標準構成一個整體，簡言之，就是完成對模擬對象的模擬。與針對表面模擬這種傳統技術對比而言，粒子系統在模擬時，可以取得更加顯著的效果。究其原因，主要是粒子屬于原子單位，擁有簡單的結構，故在相同的幀循環內，通過粒子進行系統建模，可以處理海量的單元，從而獲得復雜程度更高的圖像。此外，工作人員還可以調節粒子系統的細節，以滿足多元化的建模需求。

3粒子系統在飛機火災消防視景仿真中的應用

3.1消防視景仿真總體方案

飛機火災消防視景仿真的實現軟件為Vega，該軟件自帶特效模塊，可模擬創建火災中的煙霧、火焰等元素，共包含13種特效，如Explosion、Custom等。除Custom外，其他特效均可通過參數調整來顯示出不同的效果。而Custom為自定義特效模塊，其以粒子系統為基礎。飛機火災消防場景中，火焰元素可通過Flame進行設構建，煙霧元素可通過Smoke進行構建，以上模塊均具備單獨的開閉、調整功能，對元素進行精準控制。消防車輛、滅火器等景象的動態化程度較高，一般使用Custom模塊實現。例如，通過粒子速度適量對滅火劑的流量進行調整，當方向與速度相同，并將重力矢量設置為G（0，0，1）時，粒子呈現為向下運動狀態，觀察其狀態可獲取粒子流體的大致運動軌跡，過程中，重力加速度由Z值決定。調整粒子隨時間的變化程度及隨機速度，即可使粒子流體更加貼合滅火劑軌跡的真實狀態。

3.2消防視景仿真控制算法

飛機消防視景仿真涉及4個坐標系，分別為地面坐標系、車體坐標系、消防炮基座坐標系和消防炮朝向坐標系，可將消防系統中各模塊的運動狀態以坐標值的方式表示。

消防炮運行時，將泡沫粒子的起始點設置在炮口處，粒子起始點隨車輛及消防炮運動姿態變動而更新。泡沫噴射帶有既定初始速度，在粒子系統中，以速度向量的方式表示，當消防車的位置、姿態、速度及消防炮的仰角、位置等發生變化時，坐標系中呈現的初始速度向量也不斷發生變化，觀察消防視景系統速度向量，即可獲取消防車輛運動及消防炮朝向與泡沫粒子噴射速度間的影響關系。

泡沫是否能順利被噴射至飛機起火點，需通過碰撞檢測技術進行驗證。Vega軟件帶有碰撞檢驗及交叉測試兩個功能模塊，設置飛機起火點的Isector及Volume、泡沫的Isector CIass后，起火點的Isector即可自動檢測泡沫粒子，以完成泡沫滅火檢測。消防視景仿真系統結合飛機火災發生特點及規律，可依照時間維度調整煙氣狀態。例如，當飛機發動機因壓縮機葉片漏油而導致起火時，若消防救援不及時，會進一步引發發動機渦輪尾部起火，隨著火勢的蔓延，發動機內部其他零件及外殼均會發展為火區，導致整個發動機燃燒。在視景仿真系統中，需在飛機發動機的多個位置設置火災煙氣特效發射源，利用程序控制不同時間節點發射源的狀態，以對煙氣進行模擬。在進行滅火時，根據泡沫噴射時間可大致計算噴射量，進而確定火災是否被撲滅。機場消防車消防炮的噴射速度較高，一般情況下3min之內即可將全部泡沫噴射完畢。設消防車全部泡沫噴射完畢的時間為Tp，泡沫接觸起火點至火災熄滅的時間為Tm，給出如下控制算法：首先，依照飛機火災模擬情況，驅動煙火特效發展過程，以此模擬飛機火災發生狀況及其發展過程。其次，若消防車消防炮泡沫噴射的控制變量無效，則重復上一步驟，否則，計算泡沫粒子系統中發射源的位置和速度向量，完成泡沫粒子系統發射源位置及速度向量設置。若消防炮泡沫粒子系統未開啟，則設置噴射時間為Tp，同時開啟泡沫粒子系統。再次，若在點火處的碰撞檢測中發現泡沫粒子，則將煙火持續時間調節為泡沫滅火時間，為Tm。最后，若泡沫粒子系統關閉后，起火點煙火仍處于開啟狀態，則依照火災發生過程對煙火持續時間進行調整。

3.3消防視景仿真系統驗證

利用以上設計方案配合Veqa軟件對飛機火災進行消防滅火實景模擬。茌系統中設置多個火焰粒子源及煙氣粒子源，以更加貼近飛機火災的真實情況及發展過程。從消防炮泡沫噴射場景圖判斷，泡沫粒子參數設置適當，最終的仿真場景逼真程度較高。計算泡沫粒子源的位置，可得到較準確的滅火劑發射點信息，基本滿足機場消防車輛模擬駕駛訓練要求。

經驗證，該模擬系統飛機火災消防視景仿真效果優良，控制算法運行順暢、可靠，可被應用于機場消防車輛駕駛訓練、消防模擬演練等領域。

4結語

粒子系統對于模擬自然場景具有顯著優勢，借助粒子系統可以完成對飛機滅火器噴射及火災場景的設計，同時根據消防車結構推導相關向量計算公式，整合應用需求設計消防場景控制算法。通過實踐驗證，此系統能夠真實地模擬飛機火災與滅火的情境，突出了控制算法的實時性與可靠性，為機場消防車中駕駛訓練模擬器提供了廣闊的應用前景。

作者簡介：

陳木靈，女，漢族，海南文昌人，本科在讀于吉林動畫學院，研究方向為游戲特效。