校園地震疏散游戲的設(shè)計(jì)和研究

錢珣 李敏

摘要：近幾年，世界各地地震頻發(fā)，其中不乏七級(jí)以上的強(qiáng)震。地震造成建筑物破壞，人員傷亡，損失重大。而地震中人群聚集場(chǎng)所，人員能否進(jìn)行快速有序的緊急疏散是減少甚至避免重大傷亡的有效手段。但在學(xué)校、醫(yī)院、地鐵站等場(chǎng)所進(jìn)行緊急疏散訓(xùn)練，耗時(shí)耗力且高花費(fèi)。并且由于并沒(méi)有真實(shí)的地震效果，訓(xùn)練人員很難產(chǎn)生地震中慌亂恐懼的心里，難以達(dá)到良好的訓(xùn)練效果。基于此，文章首先介紹了地震疏散訓(xùn)練的研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)在安全訓(xùn)練和教育游戲方面的設(shè)想和實(shí)現(xiàn)，以期望能夠?qū)Φ卣鹗枭⒂螒蛱峁┮欢ǖ慕梃b。

關(guān)鍵詞：地震疏散訓(xùn)練;虛擬現(xiàn)實(shí);教育游戲;地震疏散游戲

中圖分類號(hào)：TU244?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-9129（2020）04-0058-02

Abstract：In recent years， earthquakes occur frequently all over the world， among which there are strong earthquakes of magnitude 7 or above. The earthquake caused damage to buildings， casualties， heavy losses. However， in the places where people gather in earthquakes， it is an effective means to reduce or even avoid heavy casualties if people can carry out rapid and orderly emergency evacuation. However， emergency evacuation training in schools， hospitals， subway stations and other places is time-consuming and costly. And because there is no real earthquake effect， it is difficult for the trainers to have panic and fear in the heart of the earthquake， and difficult to achieve a good training effect. Based on this， this paper first introduces the research status and development trend of earthquake evacuation training， and introduces the assumption and implementation of virtual reality in safety training and educational games， so as to provide some reference for earthquake evacuation games.

Key words：earthquake evacuation training;Virtual reality;Educational games;Earthquake evacuation game

2008年5月12日，汶川發(fā)生8級(jí)地震，四川綿陽(yáng)安縣桑棗中學(xué)2000多名師生1分36秒內(nèi)撤離教室，無(wú)一人傷亡。由此可見(jiàn)，無(wú)論是中小學(xué)還是各個(gè)大專院校的聚集性群體的疏散演練，以及正確疏散方法的訓(xùn)練和疏散時(shí)線路的熟悉程度對(duì)疏散速度、疏散成功率是非常重要的因素。這不僅可以確保師生的生命安全，確保在災(zāi)難來(lái)臨時(shí)，把損失和傷害降到最低限度，更能夠提高師生面對(duì)緊急事件的處理能力和防范自救的能力。但是這樣的群體性訓(xùn)練，在訓(xùn)練時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人員進(jìn)行前期的準(zhǔn)備工作。并且在訓(xùn)練中必須進(jìn)行有效的組織，否則不僅達(dá)不到預(yù)想的目的，更容易發(fā)生混亂導(dǎo)致各種事故的發(fā)生。因此對(duì)地震中人員進(jìn)行合理高效的疏散成為研究的重點(diǎn)。在緊急情況下，逃生人群的行為相當(dāng)復(fù)雜，不僅受周圍環(huán)境的影響，還與人當(dāng)時(shí)的心情、身體素質(zhì)、應(yīng)激反應(yīng)等有很大關(guān)系。因此利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行仿真的路線規(guī)劃，進(jìn)行一些先期的模擬訓(xùn)練，可以為緊急疏散達(dá)到了更好的效果。

1 地震疏散訓(xùn)練國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)

1.1國(guó)外研究狀況。計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)應(yīng)用于虛擬地震緊急疏散方面的研究工作起步較晚，但相信隨著虛擬現(xiàn)實(shí)在各方面的應(yīng)用普及，在這方面的發(fā)展統(tǒng)一會(huì)非常迅速。

1993年，英國(guó)ColtVirtualRcality公司開發(fā)了一個(gè)成為Vcgas的火災(zāi)疏散演示設(shè)計(jì)模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用戶具有沉浸感和臨場(chǎng)感，能夠讓用戶親身體驗(yàn)火災(zāi)時(shí)的感受。

澳大利亞Sydac公司開發(fā)的地鐵虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，工作人員和乘客可以在虛擬的地鐵環(huán)境下進(jìn)行突發(fā)事件的協(xié)同訓(xùn)練。

意大利烏內(nèi)迪大學(xué)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)了發(fā)生在1976年意大利Friuli地區(qū)的一次6.4級(jí)地震。但該系統(tǒng)只通過(guò)視頻的方式再現(xiàn)了地震時(shí)的場(chǎng)景，沒(méi)有交互性，也沒(méi)有模擬人物在地震中的疏散情況。

1.2國(guó)內(nèi)研究狀況。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)的安全教育上逐步開始廣泛的應(yīng)用。在這方面國(guó)做了大量的研究工作，但是對(duì)于地震的緊急疏散方面的地震模型完善和人物模型方面有待進(jìn)一步完善研究。

上海科技館展區(qū)有套由沈毅力等人設(shè)計(jì)的地震環(huán)境虛擬再現(xiàn)系統(tǒng)，是一個(gè)集娛樂(lè)與科教的大型系統(tǒng)。

四川理工學(xué)院劉鍇等人在VR技術(shù)在防震安全教育軟件開發(fā)中的應(yīng)用研究中，改善了仿真教育手段和形式，并在其文中分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于防震安全教育中的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所王東明在其論文地震災(zāi)害模擬及救援虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究中提出了科學(xué)救援的現(xiàn)代救援的重要理念。

這些系統(tǒng)大多基于震后場(chǎng)景再現(xiàn)，對(duì)震中場(chǎng)景的設(shè)置和模擬較為缺乏，同時(shí)也缺少一些人物模型建立，以及疏散過(guò)程的模擬和變化。

1.3發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)建立直觀、真實(shí)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)來(lái)減少人力、物力資源的浪費(fèi)。建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理、傳感器等基礎(chǔ)上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常符合這種需求，利用計(jì)算機(jī)生成與現(xiàn)實(shí)相近的虛擬環(huán)境，通過(guò)交互式手段，讓人在逼真的虛擬地震現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逃生和疏散演練。一次虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能為訓(xùn)練者提供安全、方便、廉價(jià)、真實(shí)感強(qiáng)和可交互的虛擬地震場(chǎng)景進(jìn)行地震逃生與疏散演練。這是目前國(guó)內(nèi)外地震演練的發(fā)展趨勢(shì)。

2 Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)

校園地震疏散游戲利用先進(jìn)的三維可視化、虛擬仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，研制基于真實(shí)校園環(huán)境地震模擬和地震救援模擬演練仿真系統(tǒng)，解決實(shí)際演練中設(shè)備需求多、人員需求廣、演練成本高、物資消耗多，開展頻率低，訓(xùn)練效果差等問(wèn)題。

3 虛擬地震逃生游戲的設(shè)想和實(shí)現(xiàn)

3.1地震方案及疏散系統(tǒng)的設(shè)定，以游戲的模式設(shè)置，通過(guò)初始知識(shí)點(diǎn)過(guò)關(guān)的方式，了解地震的而基本知識(shí)，以及在地震中避險(xiǎn)和逃生的知識(shí);通過(guò)實(shí)際的模擬訓(xùn)練，在與實(shí)踐環(huán)境相同的場(chǎng)景中，以游戲的形式進(jìn)行避險(xiǎn)和逃生，自救和互助的訓(xùn)練，以達(dá)到與真實(shí)訓(xùn)練最接近的效果。

3.2震前、震中虛擬校園場(chǎng)景設(shè)定：利用三維軟件進(jìn)行校園場(chǎng)景中樓舍、道路、人物、環(huán)境等在震前以及遭遇地震時(shí)位移、脫落、飛濺等進(jìn)行建模。

3.3對(duì)地震過(guò)程的模擬：在這部分的模擬包括建筑物搖晃、位移，小物件脫落，玻璃破裂等進(jìn)行實(shí)時(shí)性比較高的模擬模型，在游戲引擎下進(jìn)行虛擬的動(dòng)態(tài)模擬地震過(guò)程。

3.4人群疏散路線的模擬：首先進(jìn)行人群疏散路線的研究，找出逃生軌跡。在游戲引擎下進(jìn)行兩個(gè)方面的行為設(shè)定：基于命令的人群疏散的引導(dǎo)，受訓(xùn)者逃生運(yùn)動(dòng)路線的控制;基于視覺(jué)的感知反應(yīng)的行人運(yùn)動(dòng)，即找出使人群具有對(duì)周圍環(huán)境感知的運(yùn)動(dòng)模型，使人群與周圍的環(huán)境產(chǎn)生交互，比如在有碎片落下時(shí)人的即時(shí)躲閃，逃生路線的設(shè)定等。

4 研究方案

4.1技術(shù)方案（技術(shù)路線，技術(shù)措施）

（1）系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分組成：

校園地震疏散游戲：

①場(chǎng)景建模

②地震模擬

③疏散模擬

（2）各模塊作用。

①場(chǎng)景建模：創(chuàng)建三維場(chǎng)景。利用3dmax等三維建模軟件實(shí)現(xiàn)真實(shí)校園場(chǎng)景（建筑、地形樹木等）及學(xué)生、教師等人物的三維建模。這部分是該系統(tǒng)的重要部分。

②地震模擬：這部分主要實(shí)現(xiàn)模擬地震波以及樓房等建筑在地震中的移位變化，小物件掉落，玻璃破碎等動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合3dmax骨骼、蒙皮、動(dòng)畫等技術(shù)以及unity3d引擎進(jìn)行交互性設(shè)計(jì)。

③疏散模擬：以Unity3D為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合優(yōu)化的疏散路徑算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬校園疏散系統(tǒng)的開發(fā)。包括模型導(dǎo)入、材質(zhì)燈光添加，路線規(guī)劃，以及交互性的實(shí)現(xiàn)。

（3）軟件部分。AutoCAD二維平面圖像作為校園數(shù)據(jù)采集和地形設(shè)計(jì)，3Dmax為主MaxScripts腳本編程技術(shù)為輔的建模方式，利用層次建模方法，結(jié)合多邊形建模、樣條線建模、法線建模等構(gòu)建校園系統(tǒng)的室內(nèi)室外主體場(chǎng)景以及人物、環(huán)境、地形等模型建立，利用骨骼、蒙皮、動(dòng)畫等技術(shù)結(jié)合模型美工、特效等技術(shù)進(jìn)行動(dòng)畫、特效的設(shè)計(jì)和制作;以疏散人員的時(shí)間，位置，擁堵度，風(fēng)險(xiǎn)作為路徑?jīng)Q策目標(biāo)來(lái)規(guī)劃路徑，利用以Unity 3D軟件為平臺(tái)，結(jié)合OpenVR等提供的方法，進(jìn)行效果合成，最終實(shí)現(xiàn)校園地震疏散系統(tǒng)的交互性。

4.2方案實(shí)施所需的條件（技術(shù)條件，試驗(yàn)條件）

（1）技術(shù)條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。

（2）實(shí)驗(yàn)條件。

①硬件條件

Unity3d開發(fā)平臺(tái)

PC及上網(wǎng)環(huán)境

②軟件條件。

AutoCAD、3Dmax、Photoshop、Unity3D、virtoolsK等，以及Vary、OpenVR，、steamVR等插件。

5 結(jié)語(yǔ)

后期的工作是繼續(xù)完善場(chǎng)景和人物的建模，增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感，和游戲其中的沉浸感，完善虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用，使該系統(tǒng)成為學(xué)生進(jìn)行地震應(yīng)急和疏散演練安全且有效的平臺(tái)，也拓展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和社會(huì)效益。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推出，VR將無(wú)處不在，對(duì)這樣人性化、靈活的基于虛擬現(xiàn)實(shí)下的教育游戲的探討和研究也就隨之成為一種必然，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將不斷的走向成熟，不斷的改變我們的生活方式。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育游戲的結(jié)合，將是改進(jìn)未來(lái)教育教學(xué)方法的一個(gè)必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]賀靜靜.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地震緊急疏散演練模擬研究[D].云南師范大學(xué)，2014.

作者簡(jiǎn)介：錢珣（1976-），女，四川綿陽(yáng)人，漢族，本科，講師，研究方向：數(shù)字媒體。