一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法技术

本发明专利技术提供一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法，属于土木工程防灾减灾技术领域。该方法首先建立高真实度火灾虚拟疏散环境，确保疏散场景的合理性；然后，根据人员疏散模拟结果实现非控制角色疏散动画，构建多人疏散动态场景；最后建立训练者和非控制角色的物理交互模型，实现非控制角色对训练者阻碍和碰撞作用的模拟。本发明专利技术可以使训练者在虚拟火灾环境体验人员物理影响(包括阻碍、碰撞等)，从而更真实的模拟多人情景中的火灾疏散，提高训练者的疏散能力。

A Virtual Evacuation Training Method for Building Fire Considering the Physical Effects of Personnel

The invention provides a virtual evacuation training method for building fire considering the physical influence of personnel, which belongs to the technical field of disaster prevention and mitigation in civil engineering. Firstly, the method establishes a high-reality fire virtual evacuation environment to ensure the rationality of the evacuation scene; secondly, it realizes the non-control role evacuation animation based on the simulation results of evacuation, and constructs the dynamic scene of multi-person evacuation; finally, it establishes the physical interaction model between trainer and non-control role to simulate the obstacle and collision of non-control role to trainer. The invention can make the trainer experience the physical influence of personnel (including obstruction, collision, etc.) in the virtual fire environment, thus more realistic simulation of fire evacuation in multi-person scenarios, and improve the trainer's evacuation ability.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法
本专利技术涉及土木工程防灾减灾
，特别是指一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法。
技术介绍
在现代社会中，建筑火灾已成为最普遍的灾害之一，它不仅会造成财产损失、威胁人民生命安全，还会破坏生态平衡，甚至造成不良的社会影响。在许多群死群伤的火灾事故中，人员的伤亡主要是由于不正确的疏散逃生行为造成通道堵塞而产生的，即使初期灭火失败没能控制火势的蔓延，若能有效地组织疏散，也将会大大控制火灾事故损失，减少人员伤亡。因此，非常有必要得出安全的人员疏散路线，以减少建筑火灾的危害。现有的建筑火灾人员逃生训练系统，使用有限细胞法在虚拟空间中呈现火灾数值模拟的火灾发展和烟气蔓延结果；利用可扩展三维语言的位置和方向差值器节点将人员疏散模拟结果展现出来；使用碰撞检测节点和脚本节点建立了虚拟受控人员模型(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,2015,34(04):526-529)。然而，该方法并没有进行人员碰撞后的物理计算，只采用后退、转身等人为设定的处理结果。已有研究本质上未考虑人员间的物理作用，人为设定结果影响了训练的真实感，难以达到安全疏散训练效果。因此，一种充分考虑人员物理作用的建筑火灾虚拟疏散训练是需要的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法，实现考虑人员物理作用的建筑火灾虚拟疏散训练。该方法首先，公开了火灾数值模拟和虚拟现实一致性建模方法和基于网格关联的烟气动态可视化算法，建立了数值模拟与虚拟现实关联的建筑火灾训练场景，确保了疏散场景的合理性。然后，公开了基于人员疏散模拟结果的非控制角色NPC疏散动画实现方法，构建了多人疏散场景。最后，建立了训练者和非控制角色的物理模型以及基于刚体动力学的物理交互规则，实现了阻碍和碰撞的人员物理影响。为建筑火灾虚拟疏散训练提供了合理的人员交互环境。具体包括步骤如下：S1：建立火灾疏散环境：基于建筑信息模型的一致性建模。建立建筑信息模型；将建筑信息模型导入三维图形引擎中，建立人员疏散训练的建筑场景；将建筑信息模型导入到火灾数值分析软件，建立建筑火灾模拟数值模型。基于建立的火灾模拟数值模型，开展建筑火灾模拟及火灾下人员疏散模拟，得到火灾烟气蔓延的空间分布和时间变化过程，以及人员疏散路径数据，也就是人员在不同时刻的空间坐标。根据模拟结果，利用粒子系统方法实现疏散训练场景中的火灾烟气可视化。S2：设定非控制角色动画：在S1建立的火灾疏散环境中，导入人物模型和骨骼动画；将人员疏散路径数据文件转换格式，得到可读的基于时间的人物疏散路径；根据人物的路径和时间，按照帧动画的方法实现非控制角色的移动路径。S3：设定物理交互规则：结合S1和S2得到的火灾疏散环境以及非控制角色的移动路径，对训练者和非控制角色分别设定碰撞模型，也就是训练者采用刚体模型，非控制角色采用角色控制器模型；并设定物理交互规则：当训练者与非控制角色同向运动时，两者接触后，限制训练者位移，表现为阻碍作用；当训练者与非控制角色相向运动时，两者接触后，训练者受到反向作用力，表现为碰撞作用。S4：训练者虚拟火灾疏散：将S1得到的火灾疏散环境、S2建立的非控制角色动画和S3设定的物理交互规则结合在一起协同工作，形成可考虑非控制角色物理影响的训练者虚拟火灾疏散。其中，S1中基于建筑信息模型的一致性建模，具体为使用同一模型分别转化为火灾模拟的数值模型和虚拟疏散环境需要的建筑模型，保证二者几何数据的一致性；其中，上述同一模型为根据建筑几何数据建立的建筑三维模型。S1中建筑火灾烟气模拟和火灾烟气在疏散环境中的可视化具体为：对数值模型进行火灾模拟，得到基于时间间隔的火灾烟气蔓延数据，在建筑模型中以同样的时间间隔加载烟气粒子系统，从而在虚拟疏散环境中实现火灾烟气的可视化。所述S2中使用S1中得到的人员疏散路径数据，也就是人员在不同时刻的空间坐标，用于非控制角色的移动路径，并结合人物角色的骨骼模型和骨骼动画，实现非控制角色人员的移动路径动画。S3中训练者的碰撞模型使用刚体，包括碰撞边界和刚体组件，会受到物理影响；非控制角色的碰撞模型不使用刚体，只包括碰撞边界和角色图形，自身不会受到物理影响，保证自身原有的移动路径。S3中物理交互规则为阻碍和碰撞作用，在训练者碰撞模型的碰撞边界与非控制角色碰撞模型边界接触时，阻碍训练者进一步移动，并且根据速度差异施加反向作用力，形成碰撞现象。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，虚拟疏散模型与火灾数值模型是一致的，保证了火灾数值模拟的数据可以高效地应用到虚拟疏散环境中，提高了疏散训练的真实性。同时，在虚拟疏散环境中添加非控制角色路径动画，其路径数据基于人员疏散仿真结果，保证了虚拟疏散的科学性。同时，为训练者和非控制角色添加了物理模型并规定交互规则，实现了考虑物理作用的虚拟疏散训练。本专利技术可以使训练者在虚拟火灾环境体验人员物理影响(包括阻碍、碰撞等)，从而更真实的模拟多人情景中的火灾疏散，提高训练者的疏散能力。附图说明图1为本专利技术的考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法流程图；图2为本专利技术的具体技术流程图；图3为本专利技术实施例的一个宿舍楼的建筑三维模型；图4为本专利技术实施例的楼层烟气蔓延结果；图5为本专利技术实施例的基于网格的建筑火灾烟气可视化效果；图6为本专利技术实施例的给非控制角色实现路径动画流程图；图7为本专利技术实施例的二进制文件提取转换流程图；图8为本专利技术实施例的非控制角色人物模型和碰撞边界；图9为本专利技术实施例的基于刚体动力学的碰撞检测示意图；图10为本专利技术实施例的根据楼层通道及出口选择的疏散路线；图11为本专利技术实施例的受训者的虚拟疏散训练场景；图12为本专利技术实施例的有无人员影响下疏散路径用时及烟气综合危害对比图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法。如图1和图2所示，该方法包括步骤如下：S1：建立火灾疏散环境：基于建筑信息模型的一致性建模。建立建筑信息模型；将建筑信息模型导入三维图形引擎中，建立人员疏散训练的建筑场景；将建筑信息模型导入到火灾数值分析软件，建立建筑火灾模拟数值模型。基于建立的火灾模拟数值模型，开展建筑火灾模拟及火灾下人员疏散模拟，得到火灾烟气蔓延的空间分布和时间变化过程，以及人员疏散路径数据，也就是人员在不同时刻的空间坐标。根据模拟结果，利用粒子系统方法实现疏散训练场景中的火灾烟气可视化。S2：设定非控制角色动画：在S1建立的火灾疏散环境中，导入人物模型和骨骼动画；将人员疏散路径数据文件转换格式，得到可读的基于时间的人物疏散路径；根据人物的路径和时间，按照帧动画的方法实现非控制角色的移动路径；S3：设定物理交互规则：结合S1和S2得到的火灾疏散环境以及非控制角色的移动路径，对训练者和非控制角色分别设定碰撞模型，也就是训练者采用刚体模型，非控制角色采用角色控制器模型；并设定物理交互规则：当训练者与非控制角色同向运动时，两者接触后，限制训练者位移，表现为阻碍作用；当训练者与非控制角色相向运动时，两者接触后，训练者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：建立火灾疏散环境：基于建筑信息模型的一致性建模，建立建筑信息模型；将建筑信息模型导入三维图形引擎中，建立人员疏散训练的建筑场景；将建筑信息模型导入到火灾数值分析软件，建立建筑火灾模拟数值模型；基于建立的火灾模拟数值模型，开展建筑火灾模拟及火灾下人员疏散模拟，得到火灾烟气蔓延的空间分布和时间变化过程，以及人员疏散路径数据；根据模拟结果，利用粒子系统方法实现疏散训练场景中的火灾烟气可视化；S2：设定非控制角色动画：在S1建立的火灾疏散环境中，导入人物模型和骨骼动画；将人员疏散路径数据文件转换格式，得到可读的基于时间的人物疏散路径；根据人物的路径和时间，按照帧动画的方法实现非控制角色的移动路径；S3：设定物理交互规则：结合S1和S2得到的火灾疏散环境以及非控制角色的移动路径，对训练者和非控制角色分别设定碰撞模型，训练者采用刚体模型，非控制角色采用角色控制器模型；并设定物理交互规则：当训练者与非控制角色同向运动时，两者接触后，限制训练者位移，表现为阻碍作用；当训练者与非控制角色相向运动时，两者接触后，训练者受到反向作用力，表现为碰撞作用；S4：训练者虚拟火灾疏散：将S1得到的火灾疏散环境、S2建立的非控制角色动画和S3设定的物理交互规则结合在一起协同工作，形成考虑非控制角色物理影响的训练者虚拟火灾疏散。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：建立火灾疏散环境：基于建筑信息模型的一致性建模，建立建筑信息模型；将建筑信息模型导入三维图形引擎中，建立人员疏散训练的建筑场景；将建筑信息模型导入到火灾数值分析软件，建立建筑火灾模拟数值模型；基于建立的火灾模拟数值模型，开展建筑火灾模拟及火灾下人员疏散模拟，得到火灾烟气蔓延的空间分布和时间变化过程，以及人员疏散路径数据；根据模拟结果，利用粒子系统方法实现疏散训练场景中的火灾烟气可视化；S2：设定非控制角色动画：在S1建立的火灾疏散环境中，导入人物模型和骨骼动画；将人员疏散路径数据文件转换格式，得到可读的基于时间的人物疏散路径；根据人物的路径和时间，按照帧动画的方法实现非控制角色的移动路径；S3：设定物理交互规则：结合S1和S2得到的火灾疏散环境以及非控制角色的移动路径，对训练者和非控制角色分别设定碰撞模型，训练者采用刚体模型，非控制角色采用角色控制器模型；并设定物理交互规则：当训练者与非控制角色同向运动时，两者接触后，限制训练者位移，表现为阻碍作用；当训练者与非控制角色相向运动时，两者接触后，训练者受到反向作用力，表现为碰撞作用；S4：训练者虚拟火灾疏散：将S1得到的火灾疏散环境、S2建立的非控制角色动画和S3设定的物理交互规则结合在一起协同工作，形成考虑非控制角色物理影响的训练者虚拟火灾疏散。2.根据权利要求1所述的考虑人员物理影响的建筑火灾虚拟疏散训练方...

【专利技术属性】
技术研发人员：许镇，魏炜，靳伟，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11