基于Unity3D的火災被困人員逃生路徑系統研究與設計

摘要：致力于開發一款火災被困人員逃生路徑系統，通過精細捕捉火災現場的關鍵信息，如建筑物的構造特征、火勢蔓延速度和煙霧的密集程度，運用先進的算法技術，精準計算出最安全、最快捷的逃生路徑，旨在提供精準且實用的逃生指導。

關鍵詞：Unity3D；火災被困；人員逃生；系統設計

火災作為一種發生較為頻繁的緊急狀況，對人們的生命和財產安全構成了嚴重威脅。在火勢蔓延時，確保被困者的安全撤離成為刻不容緩的任務。然而，火災現場環境惡劣，存在煙霧彌漫、溫度驟升以及視線受阻等問題，極大地增加了逃生的難度。為了有效應對這些挑戰，迫切需要開發一種系統，該系統能夠真實模擬火災現場，并為被困者提供合理的逃生路徑。Unity3D，作為一款卓越的開發引擎，其強大的渲染技術和靈活的交互設計為系統設計提供了平臺。本研究旨在利用Unity3D構建一個火災被困人員逃生路徑系統，為火災救援提供依據，以確保被困者在緊急情況下能夠迅速、安全地撤離[1]。

1 系統整體需求分析

傳統的火災疏散系統在建筑完工后便固定不變，僅依賴靜態圖像來指示逃生路線，這種方式忽略了火災本身的動態特性，如煙霧、溫度等關鍵逃生影響因素。在緊急情況下，被困人員往往處于恐慌狀態，靜態圖片難以為他們提供直觀、有效的逃生指引。因此，針對這些不足，本文提出了以下改進需求：第一，將逃生位置的標識從二維圖像升級為三維立體模型，以提供更加真實、立體的空間感受，使逃生指示更加直觀易懂。第二，深入研究火災蔓延過程中影響逃生的關鍵因素的變化規律，預測建筑物內不同位置隨時間推移對疏散時間的影響，從而更準確地評估逃生風險。第三，基于火災蔓延的動態特性，構建一個動態調整的最佳逃生路徑規劃方法，確保在火災發生時能夠為受災人員提供及時、有效的逃生指導。

2 基于Unity 3D的火災被困人員逃生路徑系統設計

2.1" 總體框架

火災被困人員逃生路徑系統由多個層級組成，包括數據收集層、通信網絡層、處理核心層以及管理調度層。數據收集層負責捕獲和記錄位置數據，實現精確測距。通信網絡層則承擔數據傳輸的任務，通過無線通信技術將測距數據高效、穩定地傳輸至處理核心層。處理核心層對接收的測距數據進行精細計算和分析，進而確定并更新標簽的具體位置到MySQL數據庫中。服務器則與MySQL數據庫緊密相連，負責管理和維護所有人員相關的信息。這些信息被精心封裝在網絡協議中，傳送至管理調度層。在管理調度層，客戶端利用這些人員信息重新構建場景，模擬火災發生時的緊急狀態，并智能生成逃生路線，輔助被困人員模擬逃生過程，確保他們能夠在最短的時間內安全撤離[2]。

2.2" 算法介紹

Dijkstra算法，作為一種廣為人知的路徑優化算法，其核心策略是逐步構建從起始點到其余所有節點的最短路徑網絡。在火災緊急情況下的逃生路徑規劃中，該算法發揮著不可或缺的作用。借助Dijkstra算法的精確計算，火災被困人員逃生路徑系統能夠高效確定建筑物平面圖中關鍵節點（如房間、走廊交叉口、樓梯入口等）之間的最佳逃生路線。尤為重要的是，在算法運行過程中，系統能夠實時考慮火災的動態情況，通過精心設定的權值來準確反映火勢蔓延的速度和逃生路徑上的安全程度。這一機制確保了系統所提供的最短逃生路徑不僅迅速，而且安全，為用戶提供可靠的逃生指引。

在圖的構造過程中，連接不同節點的線被稱作邊，這些邊承載著圖內不可或缺的信息流。為了區分這些信息的重要性，為每條邊分配了不同的權重，這種帶權重的圖被稱為賦權圖。當地圖的柵格化工作完成后，接下來的關鍵環節是將實際問題中的邏輯關系與環境參數精確映射到這張圖上，從而生成一張擁有明確權重參數的無向圖。在這個具體的例子中，節點之間標注的數字實際上代表著這兩個節點間無向邊的權重值，它們直接反映了信息流動的重要性。在初始階段，系統為每個邊都設定了一個默認的權重值，即100，作為后續分析和計算的基準。

各通道節點的通行能力，其關鍵因素在于該點的實時環境狀況，尤其是溫度和煙霧濃度。當溫度和煙霧濃度達到較高水平時，節點的可通行性和安全性將顯著降低。一旦這些指標超過預設的安全閾值，該節點將被判定為不可通行。在不考慮樓層特定因素的情況下，節點的評估主要依賴于三個核心參數：初始狀態值、當前溫度以及煙霧濃度。這三者共同構成了評估節點通行能力的核心公式：

WLy_x=W0+Wt+Wc （1）

式中： WLy_x——樓宇的第y層樓第x個節點權重；

W0——節點初始權值；

Wt——溫度；

Wc——煙霧權重值。

2.3" 硬件設計

2.3.1" 基站硬件設計

UWB（超寬帶）定位系統的核心組件包括主基站、次基站以及標簽。其硬件架構在于核心控制芯片STM32F103C8T6的精準運用。這款主控芯片巧妙地通過PA0至PA2引腳與DWM1000模塊相連，實現了對模塊的精確使能、迅速喚醒和可靠重置的控制。同時，為了確保主控芯片與定位芯片之間數據傳輸的流暢，PA4至PA7引腳被精心配置為SPI通信接口，使兩者之間的數據交流變得高效而穩定[3]。

2.3.2" 定位模塊選擇

在硬件定位模塊的選擇上采用DWM1000模塊，是一款功能強大的超寬帶（UWB）收發模組。這款模塊特別適用于TWR（雙向測距）或TDOA（到達時間差）定位系統，以實現對目標的精準定位。DWM1000模塊的定位精度能夠達到小于10cm的水平，并且在數據傳輸方面，它支持高達6.8Mbps的傳輸速率，為系統提供了出色的性能保障。

2.3.3" DWM1000外圍設計

DWM1000的有效通信距離可達300m，通過采用短包通信方式，在20m的范圍內，該設備支持極高的標簽密度，可容納高達11000個標簽同時工作。不僅如此，DWM1000在多路徑衰弱環境下展現出了卓越的抗干擾能力，即使在通信信號受到嚴重衰弱的情況下，也能確保通信的可靠性。圖1展示了DWM1000的外圍設計布局，凸顯了其高效的通信性能和卓越的工程設計。

2.4" 軟件設計

2.4.1" 火災被困人員逃生路徑系統軟件設計

在啟動流程中，服務器應當先于客戶端啟動，在處理完成消息的協議類型后，立即恢復對消息隊列的監控。待服務器啟動完畢后，客戶端方可開啟。為簡化客戶端對網絡協議的引用，服務器會生成一個包含網絡協議的dll文件，客戶端只需將此文件放置在其代碼目錄中，即可輕松實現對網絡協議的引用。當客戶端首次啟動時，會經歷初始化過程并加載專門的登錄界面[4]。

2.4.2" 網絡協議

客戶端與服務器建立穩固的通信鏈路后，雙方均能通過發送特定的網絡協議實現信息交互，從而支撐起客戶端與服務器之間的網絡通信。鑒于服務器與網絡協議同處一個項目體系，網絡協議可被直接集成到項目的引用中，便于服務器直接調用。然而，對于客戶端而言，則需要通過引入預制的dll文件來接入并使用這些網絡協議。為了滿足本系統的獨特需求，本研究精心制定了一系列網絡協議，并對這些協議的傳輸機制進行了詳盡的闡述。對網絡協議中使用的命令碼與錯誤碼進行了明確的說明，以確保通信的準確性和高效性。

2.4.3" 服務器框架

服務器端代碼的核心職能在于驅動和管理整個服務器的運行狀態，服務器的整體架構由五個核心組件構成。公共服務模塊擔任初始化并啟動服務器的重任，確保服務器的穩定運行。設備服務模塊則負責高效地處理來自客戶端的網絡消息[5]。

3 系統測試

通過細致規劃建筑內部的人員疏散網絡圖，設定了受災人員的初始位置為核心區。在網絡圖中，詳細標注了其他重要節點，包括當前樓層內三個疏散通道的精確位置以及主要墻體的布局。這些節點為逃生路徑的規劃提供了關鍵信息。為初步評估疏散路徑的可行性，采用了歐幾里得距離算法來計算各節點間的直線距離，作為權值的初始設定。

按照系統的先進設計方法和算法邏輯，成功計算出了從起始節點到各個逃生通道節點的最短路徑。其中，一條路徑通過節點1-2-3-4，其總距離為22.5m；另一條路徑途經節點1-5-6-8-9-10，距離為26.7m；還有一條路徑為1-5-6-8-11，其距離為22.8m。比較這三條路徑后，發現節點4所代表的逃生通道距離起點最近，為最佳疏散選擇。在確定了受災人員當前所在位置（節點1）與三個潛在逃生通道節點各自所屬的分區后，采取了一種特定的路徑評估策略。如果受災人員與逃生通道節點位于同一分區內，不會對它們之間的路徑值進行任何調整。然而，一旦兩者處于不同的分區，就會根據之前提及的方法，對它們之間的路徑值進行相應的增加或減少。

經過對處理數據的細致分析，再次確定了從起始節點到每個逃生通道節點的最短路徑。結果顯示，最佳的逃生位置已變更為由節點11所代表的、位于區域三的逃生通道。這一選擇是基于對當前火災動態蔓延情況的全面考量，經過精準計算，確定了可用的安全疏散時間為166s。這一逃生通道的選定是深入考慮火災動態蔓延特性的結果，它完全符合實際火災場景下最優逃生路徑的選擇策略。鑒于火災具有向上蔓延的特點，火源所在樓層的人員在有限的時間內無需擔憂下層的安全問題，從而為他們提供了更為從容的逃生條件，確保他們能夠在安全的時間內順利撤離。

4 結束語

Unity3D，作為一款卓越的跨平臺開發工具，以其出色的三維圖像渲染技術和靈活的互動設計，在眾多領域中展現出獨特優勢。在火災被困人員逃生路徑系統的開發中，Unity3D能夠精確模擬火災現場的實際情況，包括火勢的蔓延和煙霧的擴散，為用戶呈現出一個逼真的火災環境。Unity3D的物理引擎能夠精確模擬被困人員在逃生過程中的各種行為，如疾速奔跑、靈活跳躍、艱難攀爬等，為用戶提供了更真實的逃生體驗。除此之外，Unity3D還支持與多種傳感器設備的無縫對接，如虛擬現實頭盔、手柄等，使用戶親身體驗火災逃生的緊張氛圍。這些獨特的功能和優勢，使得Unity3D在火災被困人員逃生路徑系統的研發與設計領域具有巨大的潛力和應用價值。

參考文獻

[1]周瑞祥.一種發生火災情況下新型逃生門的設計與研究[J].水上安全，2024（3）：121-123.

[2]洪剛，趙河山，羅浩，等.單洞雙向特長公路隧道平行通道及智能逃生研究實踐：以濟嶺隧道為例[J].交通建設與管理，2024（1）：89-91.

[3]崔傳波，宋志強，鄧存寶.礦井火災逃生VR系統開發及人員心理負荷研究[J].礦業研究與開發，2023，43（5）：190-196.

[4]吳亮.火災消防逃生演練系統的模塊設計與實現[J].科學技術創新，2023（9）：63-66.

[5]張偉，陳雪芯，張麗紅，等.火災預警及輔助逃生門鎖系統的設計[J].西安文理學院學報（自然科學版），2022，25（4）：47-53.