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基于移动Web3D的地下空间火灾安全虚拟实验室
发布时间:2016-08-30 丨 阅读次数:

一、研究目标

        随着人们不断加速对地下空间的开拓和使用,使得大规模公共地下空间成为现代社会中不可或缺的一部分。由于地下公共空间自身的特殊性,使得地下空间内的火灾安全隐患的消除或者火灾安全疏散及救援成为地下空间建设中必须要考虑的一个重要因素。传统的火灾消防、逃生、救援演练,日常的文字视频宣传,存在很多弊端,要么存在潜在人员伤亡隐患,要么耗费大量人力、物力、财力,要么不易动员大规模人员参与演练,要么不易多次、随时的进行演练,要么紧靠文字、视频宣传效果差,缺少交互性的操作。基于当前火灾中人群疏散与救援的这些缺陷,我们提出了一种全新的,基于“移动互联网+虚拟现实”的地下空间火灾安全虚拟演练的思路、方案、技术路线及优化算法,并通过实际编程,实现了一个“基于移动互联网的地下空间火灾安全虚拟实验室”。该虚拟实验室,需要考虑移动终端设备能源消耗的限制,需要考虑Mobile-Web的计算能力很弱的现实,需要实现一个多人在线实时逃生、救援演练的虚拟互动平台。所以,我们提出了轻量化的火灾安全虚拟实验室实现的一套技术路线。


二、挑战性

公共场所发生火灾,往往伴随着大量人员伤亡,给人民群众生命财产安全造成极大威胁。近年来发生在韩国和俄罗斯的两起特大型地铁火灾,其造成的财产损失十分巨大,但俄罗斯政府由于经常开展地铁逃生训练,因此事故中地铁站内的5000名乘客均安全撤离,仅有11人受轻伤,而韩国政府由于对国民较缺乏安全逃生的训练,致使地铁站内的600名乘客中死亡人数达到了198人,受伤146人。由此可见,逃生演习是有效减少损失的预前措施,然而,在现实生活中,一场大规模真实人群的火场逃亡演习,往往会消耗大量人力物力,并干扰人们正常生活和社会工作,因而,基于计算机模拟软件进行火灾路径的模拟仿真是显得非常高效和必要了。目前基于现有技术开发这种Web3D火灾模拟平台面临着诸多挑战,主要表现在如下四方面:

挑战1地铁火灾的火、烟气与大规模密集人群动态情景在Web浏览器端的实时可视化是一个挑战,其一直是影视特效和游戏特效的难点。首先,第一个难点在于火、烟气本身没有固定的形状,传统办法是通过大量的“粒子”组成点云来模拟这两者。火灾场景中火和烟是必不可少的,传统粒子模拟方式通过大量“有形”模拟“无形”方法,所产生的计算、渲染压力很大,浏览器有限的图形运算能力在面对大量运算时,会容易出现崩溃的情况。另外,大规模虚拟化身模型的数据传输和动态渲染也非常具有挑战性,原始的单个虚拟化身具有5736和顶点、11382和三角面,数据量为9.42MB,而浏览器缓存仅有2GBiPhone等苹果手机的浏览器为512MB),100个虚拟化身的数据量完全突破了移动端缓存的容量上限。因此,如何找到一种仅用少量粒子就能最大限度保证烟火形态的方法来平衡本火灾模拟平台的运行效率和烟火的真实感间的矛盾,以及找到一种针对虚拟化身模型的轻量化处理方法就尤为重要。

挑战2如何将具有庞大数据量的FDS[1][2][3]数据轻量化,并应用于本实验平台的烟气运动、弥漫效果中是本文的第二个挑战。为了能够让场景中烟气的运动、弥漫效果与实际烟气更加符合,本文引入了FDS[4]火灾动力学模型作为参考,FDS是目前世界上公认的火灾动力学模型,但是通过使用FDS软件Pyrosim[5]计算后会产生大量的数据,在以本文中的场景作为计算场景的情况下,一个火灾案例发生5分钟所产生的数据量就达到了7GB,如此庞大的数据会给浏览器缓存和网络带宽造成巨大压力。因此,如何对FDS数据进行轻量化处理,也是本文要面临的挑战。

挑战3如何为虚拟化身设计一个适合的寻路算法,并使之能够实现大规模地铁站场景下的大规模人群的火灾逃生情景,是本文面临的第三个挑战。传统的蚁群算法(一下简称ACO算法[6]所生成的计算结果会具有相对的盲目性,并且在保证计算结果精确的同时也会使得用户的等待时间更长,而且通过大量“蚂蚁”不断对场景空间进行路径探寻和计算迭代,所形成的路径足迹又往往与真实人类的路径足迹不太一致。因此,如何找到一种计算量小又能够真实模拟人类逃生的寻路算法就十分重要。

挑战4如何将上述提到的动态火、烟气、大规模虚拟化身与大型静态BIM[7][8][9]地铁站场景相整合,并实现虚拟化身的寻路效果,以及动态烟气与FDS动力学数据的结合,这是本文的最终挑战。如上文所阐述,动态火、烟气的粒子运算及渲染,大规模动态虚拟化身在线传输及渲染,两者任何一方对于Web3D程序的开发都是很大的挑战,但作为基于虚拟足迹聚类的轻量级Web3D地铁火灾逃生路径在线规划平台,还需要有大规模的地铁站BIM场景作为依托,为了实现烟气的真实蔓延效果,虚拟烟气必须要与FDS数据相结合。为了实现虚拟化身的逃生,就必须针对于火灾场景给出逃生路径规划算法。这一切功能的实现,需要我们对任何一项挑战都要做到对其进行轻量化处理和计算资源、传输资源的合理化分配。


三、技术路线

   基于B / S架构实现轻量级Web3D地铁火灾逃生路径在线规划平台。在浏览器端,使用JavaScript语言和面向HTML5[20]WebGL图形引擎(Three.JS)进行Web3d开发,其可实现跨平台并在大多数浏览器上运行,用户无需安装任何插件。在服务器端,使用JavaEEC ++语言,实现对路径规划、静态场景数据和动态烟气数据的可视化预处理。其具体技术路线如图1所示,其中,服务器端软件可分为如下模块:(1BIM场景轻量级预处理模块;(2)烟气数据轻量级预处理模块; 3)大规模虚拟化身的轻量级预处理模块;(4)基于虚拟足迹聚类的路径规划模块。Web浏览器端软件可分为如下模块:(1)静态地铁站的轻量级Web3D渲染模块; 2)纹理粒子模拟动态烟气场景的轻量级Web3D渲染模块;(3Clone技术优化大规模虚拟化身的轻量级Web3D渲染模块;(4)化身足迹采集以及路径优化模块;(5)虚拟化身消防逃生在线交互可视化模块。

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四、初步结果

   实现的基于Mobile-Web3D的地下空间火灾安全虚拟实验室系统,可通过浏览器(Google Chrome/Mozilla Firefox/UC浏览器/腾讯浏览器)在以下网址体验:http://smart3d.tongji.edu.cn/testDemo/FESDemo.html

   也可以透过微信扫码来手机在线体验大规模虚拟火灾逃生规划系统:

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五、下一步要打造的火灾安全智慧服务平台


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六、主要论文

[1]     艾子豪、胡永豪、闫丰亭、张惠娟、王冬青、青胜蓝、朱合华、贾金原. “轻量级Web3D地铁火灾逃生在线规划关键技术”。《中国科学》(信息科学版),49(4): 10–28. 2019年.

[2]   Fenging Yan, Yonghao Hu and Jinyuan JiaKey Lightweighting Technologies of Web3D for Virtual Training of Metro Station Fire Evacuation.  Edutainment 2017.推荐到JoV(CCF-C类期刊) pp.59-74.

[3] Fenging Yan, Yonghao Hu and Jinyuan JiaLeader-Follower Based Lightweight WebBIM Fire Evacuation Planning. ICVRV2017, 推荐到SCI核心期刊 (CAVW, CCF-C类期刊).


七、申请的专利

[1] 大规模火灾动态烟雾场的轻量级网页可视化方法及系统.(申请号: 201710958704.3

[2] 基于并行iACO的轻量级Web3D火灾逃生路径规划方法及系统. (申请号: 201710959681.8


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