１框架結構
由需求分析可知，高層建築火災逃生訓練虛擬環境模型包括場景模型、火災過程模擬模型和互動控制模型。場景模型是虛擬訓練場景的資料基礎，用於實時表示場景狀態及變化的視覺、聽覺資訊，是虛擬環境的表示層。場景模型主要由三維模型和粒子系統模型構成，三維模型包括建築結構、室內裝修和滅火工具等，粒子系統模型包括火焰、濃煙等。火災過程模擬模型是虛擬環境的功能層，是利用數值模擬火災發生、發展和撲滅等過程的模擬模型，主要包括煙霧擴散模型和溫度輻射模型。互動控制模型用於處理外部操作資訊，並引起場景模型、火災過程模型的響應和反饋，是虛擬環境的應用層，包括漫遊、提取、操作和資訊處理。三種模型雖然概念和功能各不相同，但各模型均為描述高層建築火災逃生訓練所需的資料資訊集合。它們通過資訊交流建立關聯關係，構成一個有機的整體，其結構關係如圖１所示。
２建模的基本思路構建
與實際情況完全一致的虛擬環境始終是研究人員追求的目標，但受到相關技術發展和軟、硬體條件的限制，目前根本無法實現。支援高層建築火災逃生訓練的虛擬環境模型是一個複雜系統，包含龐大的資料資訊、複雜的邏輯關係和繁瑣的資訊處理過程，特別是火災過程模擬建模更是需要專業軟體和開發人員具備專業知識作為支撐。為簡化建模過程，減小模型資料量，降低建模難度，本文擬利用面向訓練任務的建模思路，採用層次化建模方法構建虛擬環境模型。面向訓練任務的建模是指以訓練任務描述檔案為藍本，在模型的功能和表現力等方面有選擇性地進行剪裁、弱化和強調，以突出相關知識和技能，刪減與任務無關資料資訊為目的。層次化建模是對複雜系統的組成單元進行分層分類，是解決複雜系統建模的基本方法。
３關鍵技術與實現方法
３．１場景模型
場景模型是虛擬環境的基礎，包括一般場景和火災場景兩類模型。其中，火災場景是在一般場景的基礎上加入粒子系統以表現濃煙、火焰、噴水、噴乾粉等特殊效果。從技術層面講，場景模型是一種虛擬樣機模型，是實體物件在計算機中的對映，其對映內容和精細程度與應用密切相關。依據面向任務的建模思路，虛擬樣機建模包括幾何建模、物理建模、行為建模和互動特徵建模四個步驟［５］。由於高層建築結構和裝修複雜，內部裝置設施眾多，建築外部環境複雜多樣，屬於複雜系統。因此，在場景建模時首先應對待建模型進行層次劃分，形成場景模型結構樹，如圖１所示。然後，根據模型在訓練任務中的作用規劃其建模過程，如表１所示。最後依據規劃結果完成建模的全過程。３．１．１幾何建模虛擬場景的幾何模型是現實環境的外觀對映，包括幾何形狀、材質和結構關係。幾何模型應能滿足實體物件在虛擬環境中的視覺顯示，並能作為演示、操作和提取等模擬作業的物件。幾何模型還應能表現常態或火災狀態下的實體物件的外觀表現。虛擬場景與現實環境的幾何相似度將直接影響使用者的沉浸感、模擬的開發效率及系統的執行成本，需要根據具體應用調整描述精度，找到“沉浸感”與“成本”的平衡點。常用的方法是進行結構簡化和多粒度劃分。結構簡化是面向訓練過程的工程簡化，通過約減不可見部件、減少模型面片數量等方法達到減少資料量的目的，如垂直電梯的結構可約減為電梯門、轎廂、控制面板等幾組可見部件。多粒度劃分是根據幾何模型對訓練的重要程度以及與使用者的互動程度來劃分其細節表現粒度。本文將其分為三個粒度層次：１）大粒度的環境模型，主要為增強虛擬環境的逼真性或作為背景而存在，不參與任何互動控制，如天空、牆壁等；２）中粒度的外形特徵模型，參與互動控制，但無需對其結構和工作原理進行深入認識，如門、電梯等；３）小粒度的精細模型，學習和訓練的重要物件，需全面瞭解其效能、結構和用途，互動過程複雜，如：滅火器、逃生工具等。３．１．２物理模型虛擬場景的物理模型是對火災場中虛擬樣機狀態變化的描述，包括溫升、燃燒、熄滅等，是數值模擬模型，可通過引數化描述進行簡化。３．１．３行為模型與互動特徵模型虛擬樣機的行為模型包括：屬性行為和操作行為，並分別對應互動特徵模型的響應式互動模型和操作式互動模型。火災逃生訓練虛擬環境中虛擬物件的行為主要是操作行為，且較為簡單，主要有門、窗的開關行為，滅火器的操作行為。而屬性行為僅包括粒子系統的發生、發展和消失行為。相應的互動特徵模型也很簡單，主要包括對門、窗、滅火器、電梯等外部互動動作的資訊響應和反饋，和粒子系統對虛擬環境狀態變化的響應。
３．２火災過程模擬模型
火災發展過程非常複雜，難以預測，因此，在一些火災模擬和人員疏散模擬的研究中，迴避了該問題，而另外一些則利用ＦＲＶ系統的數值模擬功能進行底層運算，並利用數值模擬結果控制粒子系統各屬性變化的方法進行火災過程模擬［３］。顯然，使用該方法建立的火災過程模擬模型具有模擬程度高、可靠性好、專業性強等優點。但也存在明顯的不足，如對開發人員的知識水平及專業技能的依賴程度過高；專業火災模擬軟體都不具有開放性，可移植性差，不能直接嵌入到虛擬訓練環境中，模擬只能在這些軟體本身的程式環境下執行等。火災逃生訓練的首要任務是使受訓者掌握逃生的方法和技巧，其更關注於人在受到火災威脅時的行為及反應，可以少考慮或不考慮火災的發展過程。本文在高層建築火災逃生訓練虛擬環境中引入火災過程模擬模型的動機是為了增加虛擬環境的沉靜感，給受訓者提供一個更加逼真的訓練環境；同時，也是為尋找新方法進行火災模擬和人員疏散模型研究開展的探索工作。本文提出了基於粒子系統屬性引數化的火災過程模擬建模方法，該方法的思路是迴避專業的火災數值模擬軟體，用人為干預的方式替代數值模擬。方法可表述為：在數值模擬過程中設定若干節點，提取節點引數資訊，作為模擬的初始變數和終止變數，然後進行線性處理，最終以簡單的引數線性變化替代過程複雜的.數值模擬。
３．３互動控制模型
互動控制模型用於處理使用者的輸入，並以視覺、聽覺的形式進行反饋，是使用者在虛擬環境中操作各種虛擬物件、獲得逼真感知的必要條件，主要涉及人與虛擬環境之間互相作用和互相影響的資訊交換方式與裝置。綜合考慮開發成本、釋出途徑和效率，及虛擬現實技術現狀，本文選擇開發以滑鼠、鍵盤為外接輸入裝置的桌面式虛擬訓練環境。基於滑鼠、鍵盤的互動控制模型主要包括：視景漫遊控制模型、虛擬物件提取模型、操作模型和資訊處理模型。前三種模型的實現途徑是通過在虛擬環境中預設滑鼠和鍵盤的輸入響應，將裝置輸入訊號轉換為互動資訊，觸發虛擬物件的行為或狀態變化。而資訊處理模型則用於對互動資訊的後臺處理，包括：判斷、記錄和評價等。
４例項應用
本文以某高校辦公樓的火災逃生虛擬訓練為例，對研究內容進行驗證。首先對訓練任務進行描述，形成任務描述檔案。在此基礎上，採用面向訓練任務的方法，進行任務規劃、模型層次劃分等工作。而後，綜合利用實體建模軟體ＣＡＸＡ和模擬建模軟體Ｃｒｅａｔｏｒ的優點，聯合構建了該辦公樓多粒度的虛擬建築場景的幾何模型，達到快速、方便的建立模型的目的。採用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ軟體作為虛擬環境開發平臺，利用其優良的相容性和強大的粒子系統功能，對虛擬建築場景的幾何模型進行優化處理，並構建了各種粒子系統模型用於表現火焰、濃霧、噴水等特效場景。為增加沉浸感在虛擬環境中加入音響特效。綜合運用Ｖｉｒｔｏｏｌｓ軟體的行為模組、指令碼語言和開發工具構建了虛擬場景的物理模型、行為模型、互動特徵模型和火災過程模擬模型；在指令碼程式中對滑鼠、鍵盤的操作進行了定義，構建了互動控制模型。通過以上工作，完成了對某高校辦公樓的火災逃生虛擬訓練虛擬環境的基本構建，經實踐驗證，能基本滿足虛擬訓練系統的需求，支援完成高層建築火災發展、逃生、自救等相關知識的表達。在虛擬環境中新增虛擬人後，能完成基本的逃生訓練，且效果良好。
５結束語
本文主要研究了構建支援高層建築火災逃生訓練虛擬環境的建模思路和方法，提出該虛擬環境的層次結構關係，對虛擬環境模型的關鍵技術和實現方法開展了討論和研究。通過例項驗證所提出的建模方法行之有效，能基本解決高層建築火災逃生訓練虛擬環境建模的問題，為開發相關虛擬訓練系統和開展建築火災逃生研究提供了新思路和技術支援。