動力學仿真技術在消防員火災場景模擬訓練中的設計與應用

摘要：針對“消防員典型災害事故虛實融合模擬訓練系統”中災害場景設計所面臨的問題，運用動力學仿真技術進行分析解決。通過與以往汽車火災實驗數據進行對比，驗證動力學仿真技術對于此類火災模擬的準確性。在此基礎上，將該火災模型與實際具體場景相結合，對火災場景下的溫度、能見度及煙氣擴散過程進行仿真，并以數據、圖片、視頻等形式輸出仿真結果。通過仿真結果的融合處理，對內設火災場景進行構建和優化，使得場景中的火災發展過程更科學、真實。

關鍵詞：場景設計；虛實融合；模擬訓練；動力學仿真；火災模擬

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0035-03

在國外，虛實融合模擬訓練系統廣泛應用于刑偵、交通、應急管理、醫學救護等領域。在以美國、英國、瑞典等為代表的災害事故較多的發達國家中，該技術已廣泛應用于消防員實戰化模擬訓練領域，并成為發達國家培訓消防員的一種重要模式。進入本世紀以來，我國開始大力發展虛擬現實技術，一些大型高科技企業也都制定了本企業虛擬現實技術產品的相關發展規劃，也涌現出了一大批專門致力于發展VR的創業公司。近年來，隨著虛擬現實技術的不斷發展與成熟，應急管理部天津消防研究所曾將數值模擬與VR場景相結合，成功構建了一套用于面向大眾的火災逃生體驗系統[1]。本文旨在運用該技術將火災撲救、應急救援、事故處理等內容與VR虛擬現實可視化技術相結合，形成一套針對消防救援人員的“消防員典型災害事故虛實融合模擬訓練系統”。系統中對典型災害事故場景的構建與動力學仿真結果進行融合，從而不斷優化系統中虛擬環境的真實度，使得場景中的火災發展過程更科學、真實。

1 動力學仿真技術用于火災場景構建過程的必要性

1.1 場景制作過程面臨的問題

虛實融合技術是人們運用計算機對復雜數據進行可視化處理，并與之交互的一種全新方式。該技術通過在現實環境呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。消防員典型災害事故虛實融合模擬訓練系統的整體設計思路如下：基于真實典型災害事故案例，運用Unity3D、三維數字化軟件構建典型災害事故場景的空間模型及相關設施道具，完成地下建筑火災撲救訓練場景等系列典型災害事故場景和三維數字化仿真模型開發制作；按照消防救援處置流程，植入人機交互程序，完成消防員與訓練場景的交互；針對交互過程開展系統性訓練與考評。

可見場景設計的關鍵在于典型災害事故案例特定災害場景資料的細致翔實，而現實生活中，場景資料通常來源于新聞報道或監控錄像，僅能獲取局部場景特定時間段的火災影像資料，并且由于煙氣的影響，影像資料清晰度不佳，無法獲得具體的溫度、煙氣濃度、可見度等具體的數據信息。雖然有些數據可以通過特定實驗測得，但現實生活中，建筑結構千變萬化，火災場景各不相同，實驗也無法完全還原所有的火災場景。

1.2 改進措施

鑒于上節中提到的問題，綜合考慮，需引入動力學仿真技術來解決火災場景設計參考資料不足的問題。具體措施如下：針對特定火災實驗（如汽車火災），運用動力學仿真技術設定火源，模擬計算火災數據，將計算數據與實驗數據對比，驗證動力學仿真的準確性。將該火源與具體火災場景（如地下車庫場景）相結合，進行特定場景下的火災模擬，得到火焰形態、煙氣蔓延過程、溫度、可見度、煙氣濃度等計算結果。隨后可參考精準翔實的數據資料，運用Unity3D、三維數字化軟件構造典型災害事故場景[2-3]。

2 動力學仿真技術可靠性驗證

隨著計算機運算功能的逐漸強大，越來越多的火災場景可通過計算機動力學仿真完成。計算機模擬節約了大量的實驗成本和時間成本，由于其安全、高效、節能環保等優點，數值計算受到廣大消防科研人員的青睞?；馂膭恿W模擬器（FDS）是美國國家標準與技術研究院（NIST）與芬蘭VTT技術研究中心合作，專為火災模擬開發的計算流體動力學軟件，它能夠導入其他3D建模軟件構建的復雜幾何模型，網格劃分簡單，條件設置相對容易，運算準確迅速，是研究火災動力學最可靠的軟件之一。

為驗證FDS軟件對汽車火災模擬的可靠性，針對汽車火災實驗進行建模和計算。汽車火災實驗的基本工況如下：試驗車輛車身長4591mm、寬1770mm、高1444mm，真皮座椅，內飾完好，汽車車門、車窗均關閉，環境溫度28℃。試驗時，大廳門窗均關閉，排煙系統未啟動。此次實驗主要模擬電氣短路引發汽車著火的情況，起火點位于車輛前部駕駛員座椅附近。按照現場實驗條件進行建模，主要從汽車火災火焰圖像和車輛熱釋放速率數據兩方面進行對比。

2.1 火焰形狀的對比

圖1中，上圖為實驗照片，下圖為FDS模擬結果，從圖中可見，其火焰形狀和火災發展過程極其相似。汽車火災可以通過FDS軟件的動力學仿真進行展現，火焰效果及煙氣效果基本與試驗結果保持一致。

2.2 車輛熱釋放速率的對比

對實驗開始后40min內的火焰熱釋放速率進行對比，分析表明實驗數據和模擬數據的變化趨勢一致，具體數據基本吻合。2200s后，由于汽車火焰較大，測得的熱釋放速率的實驗數值波動較大，因此，主要針對前2200s的數據進行對比。這個區間內，誤差基本保持在10%以內，個別情況下誤差會超過20%，如2100s時。綜合考慮，可以判定模擬計算與實驗測量數據相差不大，計算結果能夠科學反映真實火災的發展過程。

通過對比得出以下結論：無論是從火焰形狀發展、煙氣蔓延過程，還是熱釋放速率的對比，FDS軟件均能較好地展現汽車火災的發展規律，再現汽車火災的發展過程。

3 動力學仿真技術用于火災場景構建的案例

本節將火災模擬與地下停車場的具體場景相結合，模擬地下二層停車場汽車火災發展及煙氣蔓延的情況[4-6]。

3.1 建筑場景建模

地下停車場平面為方形，南北長108m，東西長108m，停車場分為地下一層、地下二層，總停車位為240個。每層面積均為11664m2，層高均為3m。兩層平面結構相同，以地下二層為例，該層停車場均分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區域，每部分均有一個直通地下一層的車道。

3.2 參數設置及網格劃分

地下二層I區的停車場內某輛小汽車發生自燃著火，小汽車著火熱釋放速率為3～5MW，因此火源按照4.4MW進行設置。該區域內設置四個排煙口，面積為4m2，風速為6m/s。送風口三個，面積為15m2，風速為1.5m/s?；馂陌l生后，防火卷簾和機械排煙設施可有效啟用，計算區域為地下二層著火車輛所在的防火分區及其對應的地上一層的區域和汽車出口區域。

在確保計算精度的基礎上，為最大限度減少機器計算量，按照火場附近采用小網格、其他區域采用大網格規則進行網格劃分，采用火源特征直徑初步確定了網格尺寸。通常火源特征直徑與網格尺寸比值控制在4～16范圍內[7]。參照式（1），計算得到火源特征直徑為1.67m，即網格基本尺寸在0.1～0.4m之間為宜。地下二層網格大小為0.2m×0.2m×0.2m，網格量為69萬個。地下一層及出口網格大小為0.4m×0.4m×0.4m，網格量為10萬個，總計79萬個。

3.3 仿真結果分析

運用動力學仿真分析，模擬地下車庫內一起汽車自燃火災的發展過程，火災初始階段，火勢較小，伴隨的煙氣生成量相對較少，隨著火勢加劇，火焰的熱釋放速率越來越大，火焰體Jn60fkIM653LyYuTfvvGcA==積隨之增大，煙氣生成量逐漸變多。初始階段，生成的煙氣形成頂棚射流現象，在車庫頂端以著火點為中心均勻地在頂棚向四周蔓延。隨著火災的發展，煙氣擴散范圍越來越大，當遇到墻壁等障礙物時，煙氣會沿著墻壁向下擴散，同時煙氣層厚度越來越厚，整個火災發展過程見圖2。

圖2 FDS建模計算的火災場景

通過對仿真計算數據及圖片（錄像）的分析，按照計算結果構建了災害場景的模型及繪制，在建模過程中，設定相應的粒子參數，確保形成合乎實際的火災發展及煙氣蔓延場景。該場景因其高度的逼真性和還原度，廣泛應用于消防員的模擬演練系統中，極大地提高使用者的沉浸感。此外，除了火焰形態與煙氣蔓延過程等直觀場景外，動力學仿真技術還能計算并展示出可見度、一氧化碳濃度等實際環境中難以直接測量的數據，這些計算結果可為消防員模擬演練技戰術編寫、處置預案的制訂提供數據支撐。

4 結束語

FDS在模擬汽車火災場景時展現出高度的準確性和可靠性。將該火災模型應用于地下車庫的火災場景中，能較好展現場景內的溫度、可見度及煙氣擴散軌跡，其輸出結果以數據、圖片、視頻形式呈現，通過與場景構建軟件的融合，能夠較好地輔助Unity3D場景的構建，使場景中的火災發展過程更真實，更符合流體動力學運動規律，對場景優化設計具有參考意義。

參考文獻

[1]牛坤，宋文琦，陶鵬宇.FDS在VR場景設計中的應用[J].消防科學與技術，2022，41（12）：1702-1705.

[2]朱蘇，周衛平，李酬.VR技術在船舶消防培訓中的應用[J].造船技術，2019（4）：89-92.

[3]潘衛軍，徐?，?，朱新平.基于VR技術的機場應急救援虛擬演練平臺[J].中國安全生產科學技術，2020，16（2）：136-141.

[4]牛坤，劉晅亞，陶鵬宇，等.基于虛擬現實技術的消防救援模擬演練系統[J].消防科學與技術，2021，40（11）：1639-1643.

[5]馮旭，伊程毅，何元生.基于Unity三維游戲引擎的消防科普宣傳系統[C]//2020中國消防協會科學技術年會論文集，2020，700-704.

[6]奚翠萍，盧平，李鎮韜，等.地下車庫火災煙氣蔓延模擬分析[J].蘭州工業學院學報，2021，28（1）：47-50+61.

[7]奚翠萍.地下車庫火災煙氣蔓延及通風排煙模擬研究[D].合肥：安徽建筑大學，2021.