一、引言

当前我国城镇化建设的驱动下，大型公共建筑不断增多，火灾事故的发生频率也越来越高，火灾事故的现场环境越来越复杂。作为传统逃生训练方式的基地实战训练，不仅存在了太多的局限性，而且消耗了巨大的人力、财力、物力，产生的效果不理想，普通大众也没有多少参与感，学习不到消防常识和必要的逃生技能。虚拟现实技术于20世纪60年代至80年代诞生于美国，起初只是应用在军事领域。美国的JaronLanier在80年代正式提出了“VirtualReality”(虚拟现实)一词。随着我国计算机技术与通信技术的高速发展，虚拟现实技术也被越来越多的人所关注，并得到了广泛的应用，如军事、医疗、城市建设、旅游开发、游戏、房地产等领域。虚拟现实技术是集先进的计算机交互技术、计算机图形学、传感器和测量技术、仿真技术、人工智能技术等交叉与综合的集成技术。它利用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设备，在计算机中建立一个虚拟的场景，操作者置身其中，可以实时与场景中的对象进行交互操作，并能得到与在真实世界中相同的反馈，包括视觉、听觉、嗅觉和触觉等身临其境的感受。本文将虚拟现实技术应用于消防领域，其能够实现对建筑火灾发生时的数据的直观展现和建筑火灾场景的逼真再现，可以帮助解决按传统的形式难以解决或无法解决的问题，如消防演习中大型火灾与灭火救援现场难以真实再现，大型消防设备价格昂贵，每次使用损耗太大，且维修价格高等。虚拟现实技术的出现为解决以上问题提供了新方法、新思路，给消防领域固有的工作方式和观念带来了变革。它也可以使人们在虚拟的世界中体验到火灾发生时的真实感受，有效地提升人们对火灾的认知能力并学会必备的火灾逃生技能。虚拟现实技术和消防领域的结合将会给我国消防事业带来前所未有的改革与发展。

二、虚拟火灾场景可视化

（一）真实火的模型

可燃物的燃烧常常伴随着火焰，火焰是发光、发热的气体区域，火焰本身是由粒子组成的。火焰一般分为外火焰、中火焰和内火焰；内火焰为不燃烧,火焰的颜色受多种因素的影响，包括燃烧特性、火源热释放速率、燃烧温度等。火焰的高度可以利用Zukoski模型来计算。

（二）火势蔓延

对于建筑火灾,它们首先发生在一个房间或房间的一部分，然后蔓延到相邻的房间或区域及整个地板，最终蔓延到整个建筑。其发展过程大致可以分为初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。1.初期增长阶段初期增长阶段从明火算起，此阶段燃烧面积小，只局限于着火点处的可燃物燃烧，局部温度较高，室内各点的温度不平衡。由于可燃物的性能、分布、通风和散热的影响,燃烧的发展大多比较缓慢。2.充分发展阶段在建筑物内持续燃烧一定时间后,燃烧范围扩大,温度升高,室内可燃物在高温的作用下分解释放可燃气体。当室内温度达到400~600度时,室内大部分可燃物发生着火和燃烧,可燃物表面都参与瞬态燃烧。3.衰减阶段在火灾发展阶段的后期，随着室内可燃物数量的减少,火灾燃烧速度减慢,燃烧强度减弱,温度逐渐下降,直至室内外温度达到平衡,火灾熄灭。建筑火灾中，燃烧物质所释放出来的热能通常通过热传导、热对流和热辐射的方式来进行传播，并影响火势蔓延和扩大。不同物质的导热能力各异，通常我们采用热导率，即用单位温度梯度时的热通量来表示物质的导热能力。本系统主要研究热传导与热对流两种传递方式在火灾中的影响程度，通过脚本模拟出对象间热量传递的数值大小。

（三）烟雾蔓延

火灾中的烟雾主要是由粒子组成，它是燃烧或热分解产生的悬浮于大气中的炭黑粒子，具有一定的减光性，严重影响人们的视线，使得人们很难确定火灾的发展方向和找到安全的疏散路线。因此，我们采用了Lambert-Beer定律计算烟雾的透光度。

三、消防人员交互行为的模拟

本系统运用人机交互技术，通过HTCVive硬件设备来与场景中的人与物进行交互操作。操作者可以在虚拟建筑火灾场景中操控与选择灭火设施来进行相应的灭火行为，火势根据操作者的灭火行为减弱或增强。系统中一些交互操作的场景：当操作者走到有门的位置时，模拟手推或拉门动作可以将门打开，模拟各类防火门的性能与动作；操作者可以使用建筑内的所有消防器材进行灭火的操作，消防设备的使用方式和方法模拟真实的设备；消防用的卷帘门在火灾的情况下自动开启与关闭；屋内的门窗模拟现实中的门窗来进行打开和关闭，亦可通过暴力行为敲碎逃生，此过程可能会受伤影响生命值；电梯的模拟，模拟现实环境中的电梯，可控制升降，当停电或者电路出现故障或受到火灾的影响，此电梯亦会发生故障。消防人员交互行为的模拟最主要的部分就是对灭火器使用的模拟与对灭火动作的模拟。首先利用Lighthouse的跟踪数据取得操作者手部的位置信息，再利用手部碰撞体与虚拟场景中的对象进行碰撞检测。如果触发碰撞，就将灭火器对象作为手部模型的子对象，这样灭火器就能跟随着操作者手柄的移动而移动，这样就实现了抓取灭火器的功能。接着用同样的处理方式进行保险栓的拔取与按压开关释放干粉进行灭火。

四、研究结论与展望

本文所构建的火灾人员逃生训练系统采用3DStudioMax软件建立逼真的建筑模型；结合Unity软件完成人员交互动作以及自由人群自主逃生路线选择。本系统具有沉浸感强的虚拟建筑物环境，提供逼真的火灾场景，并且火势的蔓延过程也高度地模拟真实的火灾过程。

本系统旨在为消防员提供逼真的训练模拟，练习消防灭火设施的使用，为人民群众提供逼真的火灾场景体验，通过自身在突发事件中的无意识行为，通过使用者自身的真实感受来提高公众消防意识，学习消防基本知识和必备的火灾逃生技能。该系统可应用于消防预案的制作、消防人员灭火训练、人员疏散演习、建筑物防火性能评估等方面。本系统还有很多需要完善的地方，如：消防器材库不齐全，目前只做了几款主流的消防灭火设备的模拟；单兵作战，目前消防人员只能单个人员参与灭火行动，后续会增加多人协同交互，团队合作完成灭火任务。