基于Unity3D技術的新型消防報警仿真演練系統

周文龍

[摘? ? 要]在信息時代消防報警實訓的數字化、信息化已成必然。文章提出基于Unity3D技術的新型消防報警仿真演練系統的設計思路，開發該系統所用關鍵技術包括了LOD、優化三維場景、碰撞檢測、網絡通訊及動態加載，通過設計系統消防場景，實現該系統的理論培訓、單兵模擬訓練、在線考試、區情調研幾個功能模塊，證明本文設計該仿真演練系統的操作可行性。

[關鍵詞]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域加大了研發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，現有的工作依然有較大差距，尤其在計算機模擬訓練系統研發上依然存在技術空白。隨著虛擬現實技術在發展與創新中的逐漸成熟，可以將虛擬現實技術應用于消防報警演習中。如今在消防仿真演習中所研發應用的系統包括了Cult3D、VRML、Flash3D等，本文提出的Unity3D技術相較以上虛擬現實技術，能夠達到更符合預期的高級渲染效果，并且具備支持用戶自主定制的技術優勢，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研發，旨在能夠加快消防報警的信息化建設進程，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的相關內容，匯總分類主要包括了基礎培訓、在線考試、應用基礎實訓、勘察重點目標，相應的主要表現為3D動畫、消防游戲、影視與格式化文本在線考試。因此本次研發基于Unity3D技術的新型消防報警仿真演練系統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構及信息。

（2）進行基礎培訓，包括對消防理論基礎知識點的培訓。

（3）火災實訓模擬，包括若干個消防事故的實訓。

（4）在線考試，包括了用戶的在線考試及查分。

2 系統的總體架構設計

經3DS MAX成功建立系統化模型，以實拍和地形數據為依據，并付諸應用衛星影像數據，成功完成建筑、植被建模。在Unity3D

引擎內引入三維模型數據，編寫腳本和局域網通信。本次系統設計主要結構包括五層，分別是表現層、應用層、驅動層、集成層和資源層（見圖1）。

（1）資源層。提供調用系統的本地、網絡資源信息。

（2）集成層。整合了系統的各類數據，可以轉換系統資源數據為下一層可操作數據。

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

（4）應用層。實現驅動層的核心功能，包括基礎消防項目的培訓與實訓，以及綜合實訓，能夠在線考試。

（5）表現層。能夠通過該平臺實現人機交互，連接核心業務即可達到可視化管理。

3 系統技術實現

3.1 碰撞檢測技術

虛擬現實技術主要包括交互性、沉浸性、想象性特征，能夠整合聲音、圖像及動畫資源，能夠運用該技術經數字媒體模擬現實環境，向觀察者傳遞信息，如今已經應用在仿真、影視制作、游戲等行業領域。虛擬現實技術達到的交互性，要求系統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。利用虛擬現實技術準確計算不同物體之間存在的穿透性，依據自身所需做出系統運算最終取舍。

3.2 LOD技術

在系統設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設計所需，LOD技術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量平衡。LOD技術能夠在應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作出簡化，從而有效減少場景存在的復雜性，能夠極大地提升算法效率。在LOD技術應用過程中基本原理與紋理映射技術相似，能夠對多邊形總量有效控制，從而有效減少渲染負載，降低用戶的觀察效果。

3.3 剔除渲染

想要達到優秀的可視化三維效果，需要運用剔除渲染這一場景優化技術，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，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 系統實現

4.1 功能模塊

消防報警仿真演練系統的3D情境交互式模擬訓練，該系統設計功能包括了以下四大功能（見圖2）。

（1）理論培訓功能模塊。用戶應用此系統能夠根據理論知識的書、章、節選擇所要學習的知識內容，之后能夠達到消防實訓場景可視化，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習。

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

（3）在線考核。各位學員能夠在該系統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）區情調研。能夠對系統應用區域網內的多處保護目標，完成總體、樓層等信息的勘察調研。

4.2 場景建模

在消防報警仿真演練系統設計中，可以完成游戲場景建模，此系統作為消防演習實時系統，通過運用三分建模、七分貼圖的場景建模，在系統maya內依據事物照片提供效果，制作消防演練場景。對于photoshop內處理多個貼圖為少量圖片，對各場景不同細節利用材質球進行完善，之后導出FBX格式。

4.3 火焰煙霧模擬

在本次仿真設計中，綜合考慮引發火災事故的多方因素，對模擬現場的火災火勢消防控制效果運用C#程序技術，完成不同火災情況下的起火效果仿真設計。并運用Unity3D引擎技術設計fireincreace算法，其中該系統的技術實現代碼關鍵部分示例如下：

{"show"：true，"uuid"：""，"name"："b1_floor_2"，"objType"skinColor"：16777215，"skin"：{"skin_up"：

{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}，"skin_down"：

{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}，"skin_fore"：{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}，

"skin_behind"：{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}，

"skin_left"：{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}，"skin_right"：{"skinColor"：1411309，"side"：1，"opacity"：1}}}，

"showSortNub"：23，"customType1"：""，"customType2"：""，"animation"：null，"dbclickEvents"：null，"rotation"：[{"direction"："x"，"degree"：0}，{"direction"："y"，"degree"：0.013962634015954637}，{"direction"："z"，"degree"：0}]，

"thick"：null，"scale"：{"x"：1，"y"：1，"z"：1}，"BindDevId"：null，"BindDevName"：null，"devInfo"：null，"BindMeteId"：null，"BindMeteName"：null}，{"show"：true，"uuid"：""，"name"："b1_floor_2OBJCREN81"，"objType"："cube2"，"length"：20，"width"：

4.4 應用實例

目前我國共有約2萬人消防作戰編制數量，現階段已經將消防3D實訓仿真系統應用于多家消防支隊，根據近期系統應用反饋情況，能夠發現消防戰士已經由最初仿真系統的適用新奇感，過渡至主動學習消防案例。根據經濟角度原本需要引入3D情景模擬訓練系統所要耗費的大量資金成本，如今可以通過此系統建設動態模擬仿真訓練艙，結合真實場景在該仿真系統建設模擬場地，能達到無紙化培訓學習，減少不必要的人力資金投入，應用前景廣泛。

5 結束語

總而言之，通過事實證明本文提出基于Unity3D技術設計的新型消防報警仿真演練系統，能夠運用數據庫、虛擬現實、網絡通信等技術，設計情境交互模擬訓練系統，并設計了四個功能實現場景建模、火焰煙霧模擬設計，極大地增強了虛擬現實技術的沉浸效果。通過設計系統消防場景，實現該系統的理論培訓、單兵模擬訓練、在線考試、區情調研幾個功能模塊，證明本文設計的仿真演練系統的操作可行性。

參考文獻

[1] 楊鎮豪，田壘，朱留川.基于Unity3D的火災逃生模擬系統的實現[J].電子技術與軟件工程，2018（1）：52-53.

[2] 林德江，秦國偉，王國德，等.基于Unity3D技術的某裝備便攜式虛擬訓練系統研究[J].火炮發射與控制學報，2014（4）：91-95.

[3] 莊建軍，徐琳玲.基于Unity3D的虛擬消防與安全教育系統[J].試驗技術與管理，2020，37（12）：245-248.