楼宇火灾3D可视化系统的设计与实现

陈艳军　周胜群　王魏

摘要：虛拟现实技术是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。目前虚拟现实技术应用在消防领域还比较少，但在此方面的应用却能产生重要的作用，对人民生活及财产安全都能启动重要保护。本主主要阐述利用虚拟技术，把建筑的CAD图生成建筑的3D模型，可以进行漫游，可以直观的了解建筑的内外部结构，便于消防员在救灾现场决策，当火灾发生时，可以在系统里给出现场反馈。另外阐述了系统的网络拓扑设计方案及与外部系统衔接的顶层设计方案。结合当前的互联网发展，该文给出了基于Web的3D火灾可视化系统的设计与实现方案，提出了设计的思路，并在结论中给出实现效果。

关键词：虚拟现实；火灾重现；3D仿真；消防

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1540-04

1 项目背景

火灾现场的虚拟现实技术是将建筑物的3D模型和火势蔓延的情况以虚拟现实的形式表现出来。它可以从任意角度观察建筑结构和火灾蔓延的情况，可以把所有消火栓、消防通道、自动灭火装置、疏散标志等位置信息都在模型中清楚地展示出来。点播出火灾现场未失效的摄像头实时画面，甚至可以把逃生路线通过虚拟现实技术表示出来。引导火灾现场外部人员的救灾决策。

通过本技术虚拟出建筑内部结构及着火情况，可以让消防人员及现场救灾决策者对火灾的发展势态和内部情况进行整体把握，从而提高救灾效率，对人民群众的生命财产安全起到重要意义。

2 技术现状

目前，虚拟现实技术是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。该项技术目前已经有比较多的研究，并且在实际中得到了广泛的应用。但目前虚拟现实技术应用在消防救火现场还比较少。

当前3D虚拟技术比较多，技术均比较成熟，常用的技术均基于OpenGL或D3D来开发的，虽然OpenGL或DirectX3D在三维真实感图形制作中具有许多优秀的性能，但是在系统开发中直接使用它们仍存在一些缺点：

1）都是非面向对象的，设计场景和操作场景中的对象比较困难。

2）主要使用基层图元，在显示比较复杂的场景时编写程序相对困难。

3）没有与建模工具很好的结合。

4）缺乏对一些十分重要的关键技术如LOD（Level of Detail）、动态裁剪等的支持。

另外这种方式开发的3D引擎只能支持单机运行，即对Internet的支持不好。对于救灾人员来说，希望在救灾现场移动使用，这就要求虚拟技术的3D引擎能较好的支持WWW，可以适用救灾决策者及相关人员随时随地的使用该系统。本项目采用面向Web的3D技术Flash3D。使用Flash的AS3（Action Script 3）语言开发一个具有较强交互性的3D引擎。可以实时交互显示服务器传输的火势信息，虚拟逃生路线，点播火灾现场视频，提供强大的交互功能实现建筑结构的三维漫游，提高三维显示的真实性与可观察性。同时Flash技术是一种无插件技术，目前98%的浏览器均支持Flash，只要使用者能连接Internet，本系统即可快速实现虚拟现实。

3 总体设计思路

本系统是为了实现楼宇火灾蔓延的3D可视化，它能更好的监控楼宇消防的实时情况。当发生火灾时，可以通过该系统实时了解火灾现场的情况，可以得到楼宇火灾蔓延的趋势，使消防指挥员快速准确地掌握火灾现场的第一手资料。为消防指挥员提供的信息主要包括：火灾楼宇的建筑结构，火灾的起火点，火灾发展的历史过程，火势蔓延方向，火势蔓延速度，以及救援或逃生的最佳路线。

在火灾的现场，楼宇的消防室一般就在楼宇内部，如果救灾小组要进入楼宇内部查看该系统，对现场又不能很好的应变，而为了达到在火灾现场使用该系统，所以提出B/S的结构，采用该架构的最大优点就是使用任意一台可以接入网络的计算机即可登陆该系统，进行现场决策。而计算机接入网络的方式现在非常方便，可以采用无线wifi或者3G/4G网。打开浏览器输入该系统的网址即可完成该系统的使用。

3.1软件环境图

楼宇火灾蔓延的3D可视化系统主要使用者为消防值班人员、系统管理员（创建楼宇的建筑信息及添加相关消防信息）、救灾指挥者。而外部系统主要是调用消防监控系统及视频监控系统相关数据。

3.2系统应用的网络拓扑

本系统采用B/S结构设计，故本系统由web服务器、应用服务器及数据服务器组成。通过网络连接视频监控服务器及消防监控服务器。分布在各个楼宇的消防控制室连接本系统，以上这些系统均在单位内部网络，一般单位通过出口防火墙连接到Internet。

由于系统与Internet连接，所以在单位外部也可是方便的使用本系统，例如出差在外或者在家中，都可以通过互联网登录到本系统，查看楼宇相关情况。

当单位的建筑着火时，救灾指挥者可以通过单位内部的无线WiFi网络接入本系统，如果单位不支持无线网络，可以通过3G无线网络或者ISP的无线WIFI接入本系统。提高了现场的机动性和灵活性，在救灾第一现场，为救灾赢得时间和效率，系统网络拓扑见图2。

3.3系统架构设计图

本系统基于B/S设计，采用多层架构。提高了系统的性能，在系统集成及维护方面大大增强了效率，设计松散分布的应用模块，同时提高了复用性，见系统架构图3。

4 结束语

参考文献：

[1] （美）GrigoreC.Burdea，（法）Philippe Coiffet.虚拟现实技术[M].魏迎梅，奕悉道，等，译.北京：电子工业出版社，2005.

[2] 陈超.用OpenGL技术在虚拟环境中构建三维模型的实践[D].西安：电子科技大学，2007.

[3] 王雁.基于Flash的Web3D应用研究[D].北京：北京林业大学，2009.

[4] （英 ）Alan Wat.三维计算机图形学[M]. 包宏，译.北京：机械工业出版社，2005.

[5] 刘皓.3D图形渲染引擎的设计与实现[D].西安：电子科技大学，2007.

[6] Flash3D研究所[DB/OL].http：//www.flab3d.com.

[7] Jeff Winder，Paul Tondeur.Papervision3D Essential.