VR技术在生活区火灾逃生中的应用

VR技术在生活区火灾逃生中的应用
鲁丹;高春艳;徐祥;张金月
【摘要】施工生活区是建筑施工人员临时活动和休息的区域,由于施工现场工人较多,导致生活区人员密集,来源复杂,流动性大,存在较多的安全隐患,发生火灾时,带来的危害不可估量,因此施工生活区的火灾安全管理成为了施工企业安全文明施工的重点.本文通过三维模型结合虚拟现实技术,设计了生活区虚拟现实火灾逃生场景,让施工人员亲身体验生活区发生火灾时应急逃生的技能和方法,提高施工人员的安全意识,避免火灾的发生.
【期刊名称】《土木建筑工程信息技术》
【年(卷),期】2018(010)002
【总页数】5页(P7-11)
【关键词】虚拟现实;生活区;火灾逃生
【作者】鲁丹;高春艳;徐祥;张金月
【作者单位】天津三品天工建筑科技有限公司,天津 300102;天津三品天工建筑科技有限公司,天津 300102;天津三品天工建筑科技有限公司,天津 300102;天津三品天工建筑科技有限公司,天津 300102
【正文语种】中文
【中图分类】TU17
1 引言
1.1 应用背景
住房和城乡建设部《关于推进建筑业发展和改革的若干意见》中明确将“建筑产业现代化”作为发展目标之一，强调要“转变建筑业发展方式，推进建筑产业现代化，促进建筑业健康协调可持续发展”。

在不断革新的新技术推动下，传统的建筑行业开始了日新月异的变化，随着技术的成熟与发展，虚拟现实技术(Virtual Reality Technique，简称VR)渐渐地走入了
大众的视野，它是一种利用计算机硬件和软件构成虚拟现实环境，通过多种交换设备使用户设身于该环境中，并在该环境中直接与虚拟事物进行交互，产生身临其境感受的计算机技术。

根据VR技术的特点，其在公共建筑火灾人员逃生训练系统中具有很大的优势。

采用VR技术来模拟人员逃生行为已经成为国际上火灾安全逃生研究的一个重要手段。

1.2 VR火灾应用研究概况
随着VR设备的不断发展，对于紧急逃生的模拟技术也不断提升。

2015年，Sharma S等利用VR实现了地铁站的逃生系统，在沉浸式的虚拟环境中，结合了计算机仿真和用户控制来实行逃生演练[1]，Kinateder M等利用VR来研究火灾
逃生的优劣，并表示在未来看好VR技术在这一领域的应用[2]。

张磊等人还原了
高铁站的模型，并提出有限细胞法来对火灾蔓延进行模拟研究[3]，并利用问卷调
查来获取被实验者的主观评估信息，以进行综合评价[4， 5]。

VR技术不仅对地铁等公共区域火灾逃生演练有着显著的优势，对于施工现场的安全管理和生活区火灾逃生模拟也有着重要的意义。

2 具体应用案例
2.1 工程概况
梁锦西苑(津滨塘挂2014-4地块)位于天津市滨海新区新城镇南开村，主要建设内容为高层住宅、配套商业、配套公建等。

地上建筑面积74 080.26m2，地下建筑
面积22 827.68m2。

该项目应用VR技术建立安全体验馆，VR体验内容包括高空坠落、物体打击、塔吊实操，以及根据本项目现场情况定制研发的生活区火灾消防逃生模拟，本文阐述了生活区火灾逃生VR体验的研发应用。

2.2 VR技术构成
VR技术的构成包括硬件技术和软件技术两部分。

其中硬件包括输入设备和输出设备，主要实现视觉和听觉的效果。

输入设备常用的有二维鼠标器、浮动鼠标器、手持式操作器以及数据手套等，输出设备包括立体声耳机、立体眼镜、头戴式显示器、宽屏幕、投影仪等。

本文项目案例采用的硬件设备为HTC VIVE套装，包括VR头戴显示器、操控手柄、追踪定位器，搭配一台电脑主机和60英寸显示电视。

VR
软件技术主要实现的是参与者所沉浸的虚拟场景，包括其中的景、物和与之发生的交互。

目前VR场景可以通过四种方式实现，一是利用虚拟现实开发软件，在模型的基础上通过编程实现场景的开发，二是在Internet上利用Web3D技术实现网
络虚拟环境，三是利用全景摄像技术实现虚拟现实系统，四是BIMVR，将BIM和VR结合起来，通过BIM软件直接体验VR场景，进行简单的漫游体验。

四种VR
场景的实现方式各有优缺点，根据本项目的特点，应用场景和实施要求，采用Unity3D引擎完成场景的搭建和交互的实现，结合HTC VIVE硬件，给体验者带
来沉浸式的体验和丰富的场景交互。

2.3 VR应用实例
本项目针对施工现场生活区火灾消防逃生场景进行模拟，通过3D建模技术和虚拟现实技术，完成了火灾逃生的模拟仿真，此模拟场景开发如图1所示。

图1 VR火灾逃生场景开发流程
(1)对客户进行调研，了解客户的需求，对需求进行分析和分解。

本项目客户的需
求为针对施工现场生活区制作VR火灾消防逃生的场景，可以使施工人员体验引发火灾的安全隐患，发生火灾时可以采取的灭火措施，以及火灾的逃生方法与路线。

(2)根据客户的需求和场景发生的合理性，设计火灾逃生的体验流程，流程描述如下：
体验者进入VR体验场景，开始体验后，可观察到一名工友在体验者前方走进生活区，此时情景播放提示“体验者在工地施工一天非常辛苦，请按照提示路线回到宿舍休息”，体验者按照导航箭头提示，使用操控手柄通过生活区返回二楼宿舍。

进入宿舍后，体验者看到前一名进入宿舍的工友侧卧在床吸烟，存在安全隐患，触发情景。

体验者提示工友不要在床上吸烟，建议到室外吸烟，工友未听从劝阻，体验者无奈只能躺在床上休息，逐渐入睡，第一个情景结束。

通过手柄震动，提示体验者情景切换，进入第二个情景。

体验者发现工友将其唤醒，醒来观察到工友的烟头掉落引燃了床单，床上已经起火，此时情景提示体验者使用灭火器进行灭火，通过此情景体验灭火器的正确使用。

此情景火势较大无法自行控制，提示体验者需选择逃生，第二个情景结束。

第三个情景为体验者和工友通过消防逃生杆和正确的逃生路线进行逃生。

此情景需体验者通过手柄操作双手抓住消防逃生杆进行下滑至地面，再根据情景提示操作手柄，穿越生活区道路紧急疏散至安全地点。

此时体验者回到初始位置，可观看相关火灾案例分析。

至此，火灾逃生场景体验完毕。

(3)搭建生活区场景，制作人物模型和动画。

通过无人机和相机采集施工现场生活
区照片，利用ContextCapture软件，将现场采集的照片进行实景建模，真实还
原本项目生活区的景象，并搭配相机采集的生活区内部宿舍照片，利用3D建模软件，完成生活区场景模型的搭建，如图2～图7所示。

根据火灾场景需要，制作两位施工人员模型，一个为体验者角色，另一个为体验者的工友，即在宿舍内吸烟的工人，并为两个模型添加行走，跑步和手握逃生杆下滑等动作的动画，图8、9所示。

图2 生活区实景建模图3 生活区VR场景模型
图4 宿舍楼照片图5 宿舍楼VR场景模型
图6 宿舍内部照片图7 宿舍内部VR场景模型
图8 两位施工人员模型图9 施工人员模型动画
(4)将场景与人物模型导入Unity3D中进行开发，添加与场景的交互。

在Unity3D 中，物体之间的交互均需通过碰撞来完成，而发生碰撞的条件是两个对象都有Collider组件且至少一个有Rigidbody组件，即其中至少一个物体(必须运动的)必须带有碰撞器(Collider)+刚体(Rigidbody)，另一个物体(可以静止也可以运动)至少带有Collider。

在VR生活区火灾逃生场景这个虚拟世界中，所有体验者的交互操作都是通过手柄来实现的，因此需在手柄上添加碰撞器(Collider)组件和刚体(Rigidbody)组件，其他使用手柄完成交互的物体上，添加上碰撞器(Collider)组件。

例如在火灾逃生场景中完成打开宿舍门交互操作时，需在门这个3D物体上添加碰撞器(Collider)组件，当体验者到达门附近时，用手柄去触碰门把手，代码控制门旋转，具体实现方式如下：
void OnTriggerEnter(Collider e)
{
if(e.gameObject.tag==DOORTAG)
{
if(e.gameObject.transform.rotation.y!=0)
{
//Guide.Instance.GameObjectRotate(e.gameObject， 0)；
}
else
{
SceneManager.Instance.GameObjectRotate(e.gameObject， 80)；
}
}
}
图10 火灾逃生场景体验
抓握灭火器、拔保险销和握逃生杆下滑都是通过手柄触碰相应的3D物体，在触碰之后写入控制逻辑实现交互的。

其中灭火器和逃生杆、门的情况又存在一些差异。

在现实生活中，门和逃生杆是固定在建筑物或者地面上，不产生位移，但灭火器是可移动的物体，受重力影响时会自由坠落。

因此开发时需要在灭火器上添加一个刚体(Rigidbody)组件，当体验者抓握灭火器时关闭刚体(Rigidbody)组件上重力和动力学属性，让灭火器变成手柄的子物体，跟随手柄一起运动，当体验者松开灭火器时，打开灭火器上刚体(Rigidbody)组件重力和动力学属性，让Unity3D中的物理系统模拟出灭火器坠落的效果。

体验效果如图10所示。

最后进入场景测试阶段。

火灾逃生场景初步开发完成后需经过多次的调试和测试，使体验更加流畅，操作更加合理。

首先是进行内部测试，我们选择多位工程师对场景进行体验，通过常规操作和非常规操作，发现场景中体验不流畅或操控手柄触发错误的情况，例如场景切换延时，灭火器拿取和按压方式与常规的操作习惯不符，逃生杆下滑过程体验者视觉方向错误等问题。

经过开发人员的调整，和反复测试，可流畅的体验场景，达到了初步验收的要求，可进入公开测试阶段。

我们将生活区火灾逃生场景布设到VR安全体验馆中，通过现场施工人员的体验，对场景进行测试，将问题记录并反馈开发人员修改和调整。

经过多轮的调整和测试，生活区火灾逃生场景逐步完善，并趋于稳定，最终生活区火灾逃生场景和配套使用的VR硬件设备交付本项目现场使用。

3 应用效果
VR技术的研究与开发为火灾中人员逃生的研究提供了更准确、更全面的信息，主
要是因为VR技术中的数据信息具有可读性，用户可在VR场景中体验多维度的视角，身临其境的认知火灾发生带来的巨大伤害，并且可以在VR开发的模拟逃生方案中了解逃生方法、掌握逃生技巧、快速直接的找到最佳逃生路线到指定避难场所；同时用户也可根据火势的大小，找到消防设施器材进行灭火操作，逼真的虚拟灭火救援演练不但使用户熟练地掌握灭火消防器材的操作技术和救援技能，而且使其从心理上克服对火灾的恐惧心理，减少现实生活中的伤亡率。

将VR技术引入火灾逃生领域进行火灾机理研究或者消防工程应用研究是很有意义的，通过本项目案例证明也是可行的。

除此之外，应用VR技术，还能帮助实现火灾数值计算结果的可视化，有助于进行火灾安全工程设计、规划及验证，有助于建立火灾科学教育和消防培训系统。

4 结语
随着国家相关政策的推进与建筑行业的发展，信息数据智能化将成为各建筑企业未来的发展方向。

VR技术是建筑行业最强大的新兴技术之一，已经逐渐被越来越多的建筑企业认可并使用。

VR场景的可视化设计，使建筑施工人员的操作规范化和标准化，减少了材料浪费，节约了人工成本，同时也提高了工作效率，增加了施工安全性，为建筑企业带来了显著的效益。

参考文献
【相关文献】
[1] Sharma S，Jerripothula S，Mackey S，et al.Immersive virtual reality environment of a subway evacuation on a cloud for disaster preparedness and response
training[C].Computational Intelligence for Human-like Intelligence.IEEE， 2014， 1-6. [2] Kinateder M，Ronchi E，Nilsson D，et al.Virtual reality for fire evacuation
research[C].Computer Science and Information Systems.IEEE， 2014， 313-321.
[3] 张磊，朱国庆，郭大刚.基于VR的公共建筑火灾逃生训练系统研究[J].消防科学与技术，
2015(4)： 526-529.
[4] 孟凡兴，张伟.火灾下紧急逃生的虚拟现实系统开发与评估[J].清华大学工业工程系：人类工效学， 2013， 19(2)： 23-26， 41.
[5] 杨立兵，土亮，陈建宏等.企业火灾疏散人员行为及心理特征研究[J].中国安全科学学报， 2012，22(5)： 3-9.。