基于三维虚拟仿真情景推演电子沙盘设计

基于三维虚拟仿真情景推演电子沙盘设计

朱武，张庆利

(中国人民大学，河北廊坊065000)

摘要：运用三维虚拟仿真技术，结合消防队伍灭火救援实 际情况，对消防训练电子沙盘情景推演功能进行了详细的功能分 析和设计。使用统一建模语言UMI.对其场景搭建和虚拟对象操 作功能进行了详细的用例分析。将情景推演功能采用模块化方式 进行设计，便于沙盘稳定可靠，利于实现。研究为数字化消防提出 了一种实用高效的消防训练新模式。

关键词：消防训练；电子沙盘；三维仿真

中图分类号：X921,TU998.1,TP391.9文献标志码：A文章编号：1009-0029(2019)12—1738—04

境或凭借想象创造虚拟环境的一种计算机系统，被认为是 21世纪计算机领域最重要、最新奇的研究方向之一。沉浸 性、交互性和想象性是三维虚拟现实技术的“31”特性。借 助于先进的计算机技术能够使用户完全沉浸其中，体验身 临其境的感觉。其真实性和实时交互性为系统仿真技术 提供了有力支撑。1.2三维仿真技术

三维仿真技术则是通过计算机虚拟仿真软件，利用软 件模型模拟现实世界中事物发生的本质过程，并通过对系 统模型的实验来研宄存在的或设计中的系统，达到与真实 实验相一致的目的。仿真技术的发展对于消防理论及现 象的研宄有着巨大的推动作用。2

情景推演功能需求

情景推演是消防训练常用的方式之一，通过制定某一 灾害场景，受训人员及时做出相应指挥决策，从而完成灾 害救援任务。为了最大程度地贴近实战，沙盘中主要把灾 害场景分为高层建筑、地下建筑、大型商业综合体和石油 化工4种类型，确保模拟训练的真实可靠，不断加强受训 人员的灾害现场适应能力和应急处置能力。从场景模型 搭建、现场险情设置到处置程序推演，可以实现整个推演 过程。也可将经典的处置战例制作成对应的灾害场景，为2.1情景推演功能分析

随着电子沙盘技术的发展，利用建模软件和三维仿真 技术，可实现三维仿真模型的搭建，还原真实的灾害场 景。受训者通过触摸屏点击、拖拽的方式在屏幕上搭建训 练需要的三维场景，并进行战术推演等消防训练。与基地 型实战训练模式不同，利用三维虚拟仿真电子沙盘进行消 防训练，可以减少器材装备和建筑设施的损耗，降低训练 成本，安全性能好。同时，三维虚拟仿真电子沙盘的开发 利用，使训练的重复率提高，灾情内容设置更加丰富，并且 缩减了训练周期，提高了消防救援队伍的训练效率。1

三维虚拟仿真技术简介

三维虚拟现实技术是参照实际事物创建虚拟现实环

M............................................................Mil........\"I

1.1三维虚拟现实技术

.................................._•••«I|||I,..«I|||,^«I|||1,^M||I,.^'I||I.^I|||„^N||||„

phate is better than that of calcium carbonate, and the antidetona­tion effect of calcium carbonate is better than that of ammonium bi­carbonate. With the increase of the volume fraction of explosion suppressor, the effect of explosion suppressor on aluminum pow­der is gradually enhanced. When the volume fraction of ammonium dihydrogen phosphate exceeds 30%, it can provide a very effective explosion suppression effect.

Key words: aluminum powder； antidetonating agents； the maxi­mum explosion pressure； the rise rate of maximum explosion pres­sure； ammonium dihydrogen phosphate

Study on explosion characteristics of aluminum powder and development of antidetonating agents

HE Wen-jing

(Tianjin General Genreal Fire and Rescue Brigade, Tianjin 300090, China)

Abstract: Experimental study of explosion characteristics of alumi- num dust of 40, 60, 125 and 250 g/m3 are carried out by using 20 L bal，the change rules of explosion pressure，the maximum explesion pressure and its rise rate are tested.lt was found that under the ex perimental conditions, when the dust cloud concentration was 250 g/m3, the pressure of dust cloud explosion was the largest, and the maximum explosion pressure was 0.557 MPa.When the dust cloud concentration was 125 g/m3, the maximum explosion pressure rise rate was the largest, which was 22.5 MPa/s. At the same concen­tration, the antidetonation effect of ammonium dihydrogen phos-

作者简介:何汶静（1983-),女，天津人，天津市消防救 援总队防火监督部工程师，学士，主要从事消防监督管理 工作，天津市南开区南马路708号,300090。

收稿日期：2019—07—21

基金项目：河北省自然科学基金资助项目“情景动态变化下突发灾害事故应急决策模型及应用研宄”(G2018507023)

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Fire Science and Technology,December 2019,Vol 38,No. 12

受训者提供真实的训练平台。此外，场景的搭建还可以从 案例库中直接调取，新生成的推演过程也可以直接录制保 存到案例库中，丰富案例资源，具体推演过程如图1所示。

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开始）

基

主内周

本特点体结构部状态边环境

场景搭建和对车辆、装备、人员等虚拟对象的操作以及推 演过程中场景界面的交互操作，利用用例图对这些功能进 行表示可构建相应的用例模型。

(1)场景搭建功能用例分析。如图2所示，灾害场景 搭建需要实现的功能有：登录系统、选择情景类型、设置参 数、ID设置、属性设置、打开、关闭、新建和保存等。

灾害场景搭建

对象、场景搭建

粒

子系统

图1情景推演过程

I烟气粒子水粒子战斗准备战斗进行战斗结束

车辆库装备库

化工一

(1) 灾害对象和场景的快速搭建。在对灾害场景进行

图2灾害场景搭建用例图

搭建时，首先是对建（构）筑物个体对象进行创建，如在搭 建高层建筑灾害场景时，要以日常的建筑结构类型为基 础，在了解其基本特点的基础上，充分考虑到建筑场景的 主体结构和内部细节，如可燃物质的堆放情况、人员被困 位置、室内消防设施的具体状态等。建筑主体和内部搭建 完成后，再对建筑周边环境进行布置，具体考虑到室外及 市政消火栓分布情况、道路布局、毗邻建筑情况和气象情 况等各种影响灭火救援战斗开展的因素。

(2)

现场险情的设置。基于不同的救援对象，在消防

救援现场会出现不同的灾害险情表现形式，如火灾、浓烟、 建筑倒塌、爆炸和泄漏等。环境对象搭建完成后，为了更 真实地展现灾害的表现效果，可以运用粒子系统模拟出火 焰、烟气等不规则物体，将其应用到模拟仿真训练场景中 来增强灾害画面效果，满足不同灾害发展场景的需要。常 用到的粒子有火焰粒子、烟气粒子、水粒子等。

(3)

处置程序的推演。处置程序包括从接警出动到战

斗结束的整个过程，主要分为战斗准备、战斗进行和战斗 结束3个阶段。在电子沙盘中，首先通过灾害场景基本信 息的介绍，受训人员调集初始力量到场处置。现场侦查进 一步了解情况后，开始警戒疏散，力量部署等战斗展开的 一系列操作，直至战斗结束。

(4)

经典战例复原和推演记录保存。该电子沙盘应具

有录制和保存功能，可将每次场景搭建和处置推演过程进 行录制，并保存到案例库中，便于后期回放和加载使用$ 场景的搭建，可依据以往经典战例，搭建出相同的三维虚 拟仿真灾害场景，将经典战例进行仿真再现。或是可以在 经典战例场景下重新进行战术推演和战术研讨，从而改进 战术措施，获取更多可靠有效的战术经验，为以后的实际 作战行动打下良好的基础。2.2情景推演用例分析

在情景推演功能模块中，沙盘主要完成的功能有灾害

消防科学与技术2019年12月第38卷第12期

(2)场景中虚拟对象的交互操作分析。如图3所示， 对场景中虚拟对象（虚拟车辆、虚拟装备和虚拟消防员）的 操作功能有移动、喷灭火剂、停车、调头、水带连接、水带删 除、臂架伸展、压力调整、开花调整、自摆、睡准、获取装备 和服装选择等。

虚

拟车辆

受

虚拟装备

虚拟消防员

图3场景虚拟对象操作用例图

(3)场景界面的交互操作用例分析。如图4所示，对 场景界面的交互操作功能有放大、缩小、测量、标绘、点击、

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漫游、视角、行车路线、进攻路线、隐藏框架、2D显示和清 除等。

置，对模型能进行保存、删除和更新操作。同时，还要对装 备器材进行动作设置和AI设置，完善器材装备的动作方 式。在装备的模拟操作上，需要对装备器材进行控制设 置，实现受训人员对器材装备的外部操控。

(5) 行实时评判。

(6)

任务流程节点编辑。任务流程以预先编写好的

考核评价编辑。根据训练目的进行对应的评价

则的设定。主要通过触发器的设置对受训人员的训练进

扩展

rT.,-CgWal>

lm~^>图4场景界面交互操作用例图

3情景推演功能设计

情景推演功能的实现主要依托于情景编辑子模块、推

演管理子模块和用户端操作子模块等3个子功能模块。3.1情景编辑子模块

情景编辑子模块主要是对灾害场景中的具体元素的 属性、参数和基本功能等概念信息进行初始化编辑和设 计，主要包括场景元素编辑、灾害元素编辑、角色人物元素 编辑、装备元素编辑、考核评价元素编辑和任务流程节点 元素编辑等。这些具体元素的编辑和实现是虚拟场景模 型成立的基础。

(1)

场景元素编辑。场景元素编辑主要是进行三维虚

拟训练场景的生成和编辑，是场景创建的基本平台。场景

制作完成后能够实现对场景文件的打开、关闭、新建和保

存等管理功能，并支持对场景文件的命名、分类和ID设

置，以及场景模型材质、物理属性和位置的设置，便于系统

数据归类和查询。场景元素编辑还拥有3DSmax的导出

插件，能够将3DSmax中制作好的三维场景模型导出并以

系统兼容的文件格式保存起来，并保留提供模型的属性信

息。对于大量场景模型的管理，系统会形成自己的场景库

实施管理。

(2) 灾害元素编辑。灾害元素编辑主要包括对灾害的

仿真管理、预览、属性编辑和灾害库的管理。为灾害模型 设置属性、命名编辑，调整灾害体的参数设定和粒子效果 等，如对水流、烟气等仿真效果的外观设定。加入因外界 条件变化而导致灾害体变化的相应计算公式模型，同时还 可以对整体灾害环境（雨、雪天气等）进行相关属性和仿真 效果等设定。

(3)

角色人物元素编辑。角色编辑主要是对场景中的 人物信息进行设定，包括人物的角色任务编辑、动作仿真 设置、控制方式设置和智能AI设置。

(4) 装备元素编辑。创建装备器材模型并进行属性设1740

板脚本的文件形式存在，在不需要复杂代码的情况下便可 以进行调用，完成任务流程的编辑，保证系统的易操作性 和训练任务的统一性。3.2推演管理子模块

推演管理子模块是在情景编辑子模块的基础上对生 成的场景进行相应操作和管理的过程，主要负责对整个训

练流程的控制。包括训练任务、角色和过程的管理、训练 过程的记录与回放、训练动态数据的实时同步和系统管理。

(1)

训练任务管理。根据场景编辑生成的灾害场景类

型设置不同的训练任务。将这些任务适时安排到处置流 程相应的节点，通过触发器触发任务节点展开任务，然后 实施任务处置，丰富训练内容，增加训练难度。

(2)

训练角色管理。根据灾害场景现场力量部署从角

色库中调出用来现场作战的角色模型，按照消防救援队伍 灭火救援现场实际的角色设置，将角色模型进行任务分工 和身份设定。

(3)

训练过程管理。按照“实战化训练”要求，保证训

练的流程符合消防救援实际，实现从接警出动到战斗结束

的整个顺序过程的模拟。

(4) 训练过程记录与回放。设置推演过程录制功能

并将录制内容以视频文件格式进行存储，推演结束后打开

选择对应的视频文件，将推演过程完整回放。

(5) 训练动态数据实时同步。利用有线网和无线网等

数据传输方式将用户与设备连接，减少操作延迟性，保证

推演过程的动态数据实时同步和准确无误。

(6) 系统管理。完善设计系统操作功能，如三维视角

的变化、三维对象的测量和标绘、场景漫游等系统功能，进

一步增加用户的沉浸感和操作体验。

3.3用户端操作子模块

用户端操作子模块主要为用户提供交互接口和登录 访问功能。受训人员在训练时需要连接到相应的服务器， 根据IP地址找到对应角色从而进行实时的数据通信。该 子模块主要包括训练任务下载器、训练角色登录、多人在 线及角色扮演、协同数据同步及指令对应和不同显示和控

制外设的支持接口等。

(1)训练任务下载器。受训人员在开始进入训练时，

可以选择已编辑完成的灾害场景和人物进行下载，节约了 训练前重新搭建场景等准备时间。通过任务下载，快速进 入训练状态。

Fire Science and Technology,December 2019,Vol 38,No. 12

(2)

[3] 王冠虎.基于虚拟现实技术的消防安全系统的研究与开发[D].天津： 训练角色登录。根据情景设定，在灾害处理现场

天津大学,2007.

会有多种任务分工。在多人进行情景推演操作时，个人依 据训练脚本角色设定，按照角色进行登录，以便完成相应 的作战任务。

[4] 刘艳，邢志祥，刘伟.虚拟现实技术在消防模拟训练中的应用研究进

展[J].消防科学与技术，2009,28(3):214-216.

(3) 多人在线及角色扮演。电子沙盘情景推演可以实

防科学与技术，2015,34(12): 1671-1675.

现单人和多人两种不同的演练方式，通过网络接口连接， 可以实现多人同步训练和不同角色分工扮演，更为真实地 模拟灾害现场的指挥结构体系和指挥层级关系。

(4)

员的输出信息，减少信息交流延迟和操作滞后等问题，增 加系统流畅性。

(5)

觉、触觉等和系统进行实时的操作交互，通过不同显示接 口连接外界投影等显示设备，供其他参训人员观看，增加 视觉交互效果。此外，通过触摸控制支持接口，实现用户 对系统的触摸操作。

大学,2016.

[5] 陈远，任荣.建筑信息模型在建筑消防安全模拟分析中的应用[J].消 [6] 周强.基于粒子系统的多类不规则物体组合场景仿真[D].合肥：安徽 [7] 李建华.灭火战术[M].北京:群众出版社，2004.防科学与技术，2003,22(6): 531-533.

协同数据同步及指令对应。实时更新同步受训人 [8] 袁狄平,王国臣，张靖.油罐火灾灭火指挥计算机模拟训练系统[J].消

[9] 李琳琳，曹华军.OSG虚拟现实技术在叉车仿真中的应用[J].电子技

2017, (8): 38-40.不同显示和控制外设的支持接口。用户通过视 术，

Design of electronic sand table based on 3D

virtual simulation scenario deduction

ZHU Wu, ZHANG Qing-li

(China People's Police University, Hebei Langfang 065000, China)

Abstract： Using 3D virtual simulation technology, and combing with the real situation of firefighting and rescue, the scenario de­duction function of firefighting training electronic sand table was analyzed and designed in details. Using the unified modeling lan­guage ,the scenario building and virtual object operation function wavS analyzed. The scenario deduction function was designed modu­larized, so as to ensure the stable, reliable and easy to implement of the sand table. The study provided a practical and efficient fire­fighting training mode for digital firefighting.

Key words： firefighting training； electronic sand table； 3D simula­tion

4

电子沙盘系统组成

该情景推演电子沙盘系统是由基础层、数据服务层、 仿真支持层和应用层组成，如图5所示。基础层主要包括 系统硬件和网络，数据服务层是系统的数据模型库，仿真 支持层是指主要的建模手段和技术支撑，应用层主要是面 向用户，由用户直接操作体验。

应用层

| 丨三维虚拟仿真电子沙盘:情景推演乍: (

仿真支持层数据

服务层

/ . 11装备建模i 1行为建模i 1记录回放i 1仿真引擎y态势显示

:装备i 1: 行乃为！效！ 1衣田^ 11 ：流1肌程任！1 ：特1 w从1 ：1 \\ i模型库i模型库i记录库」i模型库」i

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基础层

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1专用网络:;硬件气1硬件：;操作系统:丨服务器:\\ ••______1 *. —1 *. -.r-JT—i •. — .. —i -----—i V

图5

电子沙盘系统组成

作者简介：朱武（1992—），男，河南信阳人，中国人 民大学研究生部研究生三队硕士研究生，主要从事灭 火救援指挥方面的研究，河北省廊坊市安次区西环路220 号，065000。

通信作者：张庆利(1981-),男，中国人民大学消 防指挥系副教授,博士。

收稿日期:2019—07-28

5

结论

情景推演电子沙盘系统可以较好地解决现实模拟训 练中训练准备周期长、资金消耗大、安全条件受限等问 题。结合消防灭火救援实际，利用电子沙盘快速搭建灾害 场景进行消防模拟训练将使消防指挥员灾害现场应急指 挥决策能力和消防员的火场应急处置能力得到有效锻炼， 同时为消防训练方式的发展方向提供了一种高效、环保、 可重复、低成本和智能化的新模式，为逐步实现“传统消 防”向“现代消防”的转变打下一定基础。

参考文献：

[1] 袁狄平，靳学胜.视景仿真技术在消防灭火救援模拟训练中的应用

[J].系统仿真技术及其应用，2005,(9):484—488.[2] 申朝文.虚拟仿真技术在消防工程专业教学中的应用[J].科技创新导

报，2018,(19):231—236.

沩防科学与技术2019年12月第38卷第12期

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